摘 要:某公司在钻井作业时发生一根?１０１．６mm×８．３８mm G１０５钢级钻杆刺穿失效事故. 采用直读光谱仪、拉伸试验机、光学显微镜、扫描电镜、能谱仪等设备对刺穿钻杆的化学成分、力学 性能、显微组织以及断口等进行了分析,并且结合钻井过程中的实际井况对钻杆进行了刺孔腐蚀机 理分析、加厚过渡带有限元分析.结果表明:此次钻杆刺穿为早期腐蚀疲劳失效,疲劳裂纹起源于 钻杆加厚过渡带消失区域内壁的腐蚀坑底部;失效钻杆没有内涂层,钻杆钻进过程中,在交变载荷 的作用下于应力集中的加厚过渡带消失区域腐蚀坑底部萌生腐蚀疲劳裂纹,裂纹不断扩展最终造 成刺穿失效.最后根据此次钻杆产生早期腐蚀疲劳裂纹的原因提出了相应的改进建议.
关键词:钻杆;刺穿;腐蚀疲劳;加厚过渡带;内涂层;应力集中
中图分类号:TG１４２．３３ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０９０９Ｇ０６
某 公 司 钻 井 至 １２１５ m 左 右,发 现 钻 压 从 ２２MPa下降至１７MPa,起下钻在距离井口约６４６m 的位置发现一根钻杆发生了刺漏穿孔.刺穿钻杆规 格为?１０１．６mm×８．３８ mm,钢级为 G１０５,钻杆无 防腐内涂层,在距离母接头端部６２０mm 处发生了 刺穿.钻井 参 数 如 下:钻 压 ２２．３ MPa,大 钩 载 荷 １０kN,排量６１．２m３??h－１,转速１２０r??min－１,扭矩 １９ kN?? m,平 均 钻 进 速 度 ０．３m??h－１,井 深 ３６６５．９２m 处最大角度９１．９２°.为查明该钻杆刺穿 原因,防止该类钻具失效事故再次发生,笔者对刺穿 钻杆进行了检验和分析.
１ 理化检验
１．１ 宏观分析
１．１．１ 钻杆管体尺寸测量及无损检测
宏观观察可见,钻杆管体外表面只有一处刺漏穿 孔,依据 ASTM E７０９－２０１５«磁粉探伤方法»对失效 钻杆外表面进行磁粉探伤,未发现有其他肉眼可见的 缺陷存在,如图１a),b)所示.刺孔距外母接头台肩 面的距离为６２０mm,刺孔周向长度约１５mm,轴向 最长约８mm,刺孔形貌如图１c),d)所示.
测 量 钻 杆 管 体 尺 寸,结 果 如 下:外 径 约 为 １０１．８mm,壁 厚 约 为 ８．３０ mm,均 满 足 APISpec ５DP－２００９«钻杆规范»要求.
１．１．２ 钻杆内壁形貌分析
将失效钻杆沿管体纵向剖开后对加厚过渡带尺 寸进 行 测 量,加 厚 区 外 径 为 １０５．６ mm,壁 厚 为 １６．１mm,内锥面过渡平缓,其长度约１１６mm,满足 APISpec５DP－２００９要求,刺孔位于加厚过渡带消 失区域,如图２a)所示.钻杆内壁没有涂层,表面黏 附大量的“鼓包”状腐蚀产物和钻井液残留物,腐蚀 产物较为疏松,颜色较浅,容易剥落,剥落后的腐蚀 产物呈片状,易碎,如图２b)所示.去除附着物后的 钻杆内壁形貌如图２c)所示,可见分布有大量深浅 不一的腐蚀坑[１Ｇ２].
１．２ 力学性能测试
在失效钻杆靠近刺孔处取?６．３５ mm、标距长 度为２５mm 的圆棒拉伸试样(由于失效样品长度有限,故取非标圆棒拉伸试样),７．５ mm×１０ mm× ５５mm 的V 型缺口冲击试样,以及１０ mm 厚的全 壁厚 硬 度 环,按 照 ASTM A３７０－１７a 和 ASTM E２３－１６b等相关 标 准 分 别 进 行 拉 伸、冲 击、硬 度 试验.由表 １ 和 表 ２ 可 见,刺 穿 钻 杆 的 各 项 拉 伸 性能以 及 冲 击 吸 收 能 量 均 符 合 APISpec５DP－ ２００９要求.
１．３ 化学成分分析
在失效钻杆靠近刺孔处取化学成分分析用试 样,采用直读光谱仪对试样进行化学成分分析,结果 见表３.结果表明失效钻杆管体的化学成分符 合 APISpec５DP－２００９技术要求.
１．４ 金相分析
依据 GB/T１３２９８－２０１５«金相显微组织检验 方法»对刺穿钻杆管体取样进行金相检验.失效钻 杆显微组织形貌如图３所示,为回火索氏体.根据 GB/T１０５６１－２００５«钢中非金属夹杂物含量的测 定———标准评级图显微检验法»(ASTM E４５－１８) 对试样非金属夹杂物含量进行评定,结果为:A０．５, B１．０,C０．５,D１．０.
１．５ 点蚀坑底裂纹分析
将失效钻杆管体内壁刺孔附近的点蚀坑剖开, 制成金相试样进行观察.由图４可见,坑底存在灰 色的氧化物,大多数腐蚀坑底存在裂纹,并且沿径向穿晶向外壁扩展,裂纹起始处较宽,裂纹两侧的显微 组织与基体显微组织相同,裂纹内部含有灰色物质, 具有疲劳裂纹扩展特征[３].
１．６ 断口微观形貌分析
将失效钻杆刺孔采用机械的方式沿管体横向压 开,然后在扫描电镜下进行观察.断口整体形貌见 图５a),可见刺孔断口表面被腐蚀产物覆盖,同时还 可以发 现 刺 孔 边 缘 存 在 多 个 圆 弧 状 台 阶 面,见 图５b),该圆弧状台阶面由内壁向外壁呈扇形扩展, 这表明刺孔起源于钻杆内壁,由内壁向外扩展而成.
圆弧状台阶面为未刺穿的裂纹面,对试样的裂纹面进行微观形貌和能谱分析.低倍观察裂纹面时 发现,整个裂纹扩展面平坦,有腐蚀痕迹;高倍观察 裂纹面的腐蚀物为灰色,如图６a)所示;在裂纹尖端 附近,由于裂纹扩展速度较快而无腐蚀物填充处可 见疲劳辉纹,如图６b)所示.对裂纹扩展面的腐蚀 产物及 裂 纹 尖 端 内 物 质 进 行 能 谱 分 析,结 果 如图７所示.由图７a)可见,裂纹扩展面腐蚀产物的 主要元素成分为氧和铁,另含有少量的碳、铬、锰、 硅、钠等元素.由图７b)可见,裂纹尖端内物质的主 要元素成分为铁,另含有少量的碳、氧、铬、锰、硅等 元素.
上述分析结果表明,钻杆内壁在井下的腐蚀程 度较为严重,且腐蚀产物主要为氧化腐蚀产物,造成 钻杆刺 漏 的 疲 劳 裂 纹 萌 生 于 钻 杆 内 壁 腐 蚀 坑 底 部[４Ｇ５].
２ 综合分析
２．１ 内涂层对钻杆疲劳寿命的影响
该钻杆内壁无防腐涂层,钻杆内壁腐蚀较为严 重,表面存在大量的腐蚀坑,这对钻杆的疲劳寿命影 响较大.能谱分析结果表明,钻杆在井下受到溶解 氧腐蚀.钻杆在使用过程中,泥浆在其表面沉积结 垢,为发生垢下氧腐蚀提供了有利条件.溶解氧对 金属表面的腐蚀主要为电化学腐蚀,在腐蚀电池中 阴极反应主要是氧的还原,垢下封闭区金属为阳极, 阳极反应则是铁的溶解,反应方程式如下
上述电化学反应生成的 Fe２＋ 通�：懿晃榷�,遇 到氧时极易氧化生成 Fe(OH)３ 沉淀下来,然后部 分生成物将进一步水解成为铁锈或羟基氧化铁,其 反应方程式为
此外,在腐蚀产物内部,羟基氧化铁还可以与Fe２＋ 进一步结合,形成黑色致密的 Fe３O４,并覆盖在 金属基体表面,阻止腐蚀性离子穿透腐蚀产物膜,反 应方程式如下
溶解氧腐蚀后常常在其表面形成许多小型鼓 泡,鼓泡表层的黄褐色和砖红色产物可能是 Fe２O３, 次层的黑色腐蚀产物是 Fe３O４,当将这些腐蚀产物 清除后,可以看到腐蚀造成的凹坑,分析结果与刺穿 钻杆内壁腐蚀形貌基本一致[６Ｇ７].
在防止钻杆内壁腐蚀方面,内涂层钻杆管体具 有很高的抗腐蚀疲劳强度和使用寿命.根据近年来 推广应用内涂层钻杆的经验,由于涂层表面光滑,可 以减小表面阻力约 ５０％,使泥 浆 泵 压 力 损 失 减 少 １０％~２５％,在泥浆、井深相同的情况下,泵压可降 低２MPa.
此外,使用内涂层钻杆可以减少钻具事故的发 生,延长钻杆的检测周期,减少钻杆清洗时间,延长 泥浆泵的使用寿命,减少维修费用.据统计,８５％的 内涂层钻杆可延长使用寿命２倍,６５％的内涂层钻 杆可延长使用寿命３倍.非内涂层的钻杆在钻井过 程中,钻杆除了要长期经受拉、压、扭、弯曲、振动、水 力载荷等交变应力及动载的作用外,同时还要经受 钻井泥浆中溶解氧、二氧化碳、硫化氢和其他腐蚀介 质以及地层中的氯化物、碳酸盐介质的作用,这些因 素均会对钻杆造成严重的腐蚀[８].
２．２ 钻井转速对钻杆疲劳寿命的影响
失效钻杆在井下转速为１２０r??min－１,钻杆转速 越高,在井下弯曲幅度就越大,受到的旋转弯曲应力 也会相应增大,钻杆发生疲劳失效的概率就越高. 高转速会增大钻柱的离心力,使钻柱受到额外的弯 曲应力;高转速还会产生剧烈的震动载荷,尤其在井 身结构存在严重“狗腿度”的井段,会使钻柱受到严 重的损害;高转速还会使钻柱产生极大的惯性矩和 动能,一旦发生卡钻和蹩钻,就会使钻柱承受异常大 的载荷,导致钻柱受力条件恶化;高转速还会使钻柱 所受的复合应力增大,导致疲劳裂纹萌生和扩展速 度加快,最终使钻杆刺穿[９].在条件允许的情况下, 可采用螺杆等井下动力钻具钻进,适当降低转盘转 速,提高钻杆的使用寿命.
２．３ 加厚过渡带区域应力集中对钻杆疲劳寿命的 影响
刺孔位于失效钻杆加厚过渡带消失区域,并且 从内壁向外壁扩展而形成.钻杆加厚过渡带消失区 域为应力集中点.在钻井作业时,该区域腐蚀坑底部的应力集中会更加明显,并且比钻杆管体其他区 域腐蚀坑底部的应力要大.因此,在交变应力作用 下,加厚过渡带消失区域腐蚀坑底部会优先萌生疲 劳裂纹.裂纹一旦产生,应力集中现象就会更加明 显,裂纹不断延伸直至刺穿钻杆.
采用有限元分析软件建立失效钻杆加厚过渡带 区域的三维力学模型,分析在轴向拉力、弯矩和扭矩 复合载荷作用下过渡带区域的受力特征.分析模型 的过渡带区域使用精细网格,其余区域采用相对稀 疏的网格.应力分析边界条件为:１０６１kN 轴向拉 力(等效于６０％名义屈服应力)、２１６０N??m 弯矩和 ２０kN??m 扭矩.图８为刺穿钻杆加厚过渡带区域的 VonＧMises应力分布云图,可见在复合载荷作用下, 受拉侧加厚过渡带消失区域出现应力峰值,与钻杆 刺穿区域相对应.
钻具在井下受到的应力是比较复杂的,有限元 分析主要将应力集中区域表现出来,应力集中区域 复合载荷应力是最大的,这里主要还是考虑弯曲应 力的作用,因为根据裂纹扩展方向,弯曲应力才是导 致其萌生、扩展的主要原因.众所周知,钻杆加厚过 渡带区域是一个比较薄弱的区域,在过渡带消失区 域应力集中较为明显,之前的一些文献和研究都已 经证实了这个问题.因为该钻杆无防腐涂层,钻杆 内表面很容易被腐蚀,对于一般的金属,表面被腐蚀 后会形成一层钝化膜,阻缓腐蚀的进一步加深,但是在加厚过渡带区域,因为应力集中较为明显,该区域 有可能弯曲幅度较大,氧化膜很可能会破裂,导致钻 杆基体与泥浆接触,腐蚀进一步加深,周而复始,发 生刺穿失效.
３ 结论及建议
此次钻杆刺穿为早期腐蚀疲劳失效,疲劳裂纹 起源于钻杆加厚过渡带消失区域内壁的腐蚀坑底 部;钻杆钻进过程中,在交变载荷的作用下加厚过渡 带消失区域由于应力集中而在腐蚀坑底部萌生腐蚀 疲劳裂纹,裂纹不断扩展最终造成钻杆刺穿失效.
建议采用内涂层钻杆,可以有效避免钻杆基体 与井下介质的直接接触,防止钻杆内壁腐蚀,提高钻 杆的疲劳寿命;适当降低钻杆转速,减小钻杆承受的 旋转弯曲应力,也可以提高钻杆的使用寿命.
参考文献:
[１] 郭生武,袁鹏斌．油田腐蚀形态导论[M]．北京:石油 工业出版社,２００５．
[２] 杨相同,吕拴录,柳栋,等．某井修井遇阻及油管和套 管失效原因分析[J]．理化检验(物理分册),２０１５,５１ (２):１４７Ｇ１５０,１５４．
[３] 帅亚民．某 井 ?１２７ mm S１３５ 钻 杆 刺 穿 失 效 分 析[C]∥李鹤林,冯耀荣．石油管材与装备失效分析 案例集．北京:石油工业出版社,２００６:１４０Ｇ１４６．
[４] 叶顶鹏,王瑞成,崔顺贤,等．?１２７ mm S１３５ 钻杆刺 漏失效分析[J]．理化检验(物理分册),２００９,４５(８): ５１４Ｇ５１６．
[５] 李方,刘永刚,林凯,等．G１０５油井钻杆失效分析[J]． 金属热处理,２００９,３４(１０):９４Ｇ９７．
[６] 朱丽娟,刘永刚,李方坡,等．G１０５钢制钻杆腐蚀失效 的原因[J]．腐蚀与防护,２０１６,３７(９):７７５．
[７] 黄辉,马红莲,何仁洋,等．某天然气站场管道典型管 件内腐蚀原因分析[J]．理化检验(物理分册),２０１５, ５１(９):６５３Ｇ６５６．
[８] 关宝�。� 钻 杆 内 涂 层 防 腐 蚀 [J]．化 学 工 程 师, １９９３,３１(１):４６Ｇ４８．
[９] 章扬烈．钻柱运动学与动力学[M]．北京:石油工业出 版社,２００１．
文章来源——材料与测试网