某S135鉆桿腐蝕穿孔失效分析

摘 要:通過宏觀形貌分析、力學性能測試、金相顯微組織和微觀形貌及物相分析，并結合鉆桿的使用狀況，對某S135鉆桿管體穿孔失效原因進行分析。結果表明，鉆桿內加厚過渡區及緊鄰的管體部分內壁的一側集中分布著大量的深腐蝕坑，腐蝕坑主要是由于氧腐蝕形成的，鉆桿的穿孔失效屬于氧腐蝕失效。

關鍵詞:鉆桿穿孔失效分析氧腐蝕

中圖分類號:TE921文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0033-02

Abstract: The failure reason of S135 drill pipe was studied through mechanical properties testing， optical morphologies and fracture analysis. Results show that mainly reason of failure is severe oxygen corrosion on one side inner face of drilling pipe. Under the effect of alternating stresses， the cracks are first initiated in the corrosion pit of upsetting transitional band and expand quickly. Drill pipe’s washout failure belongs to early oxygen corrosion failure.

Key Words:drill pipe; washout; oxygen corrosion; failure analysis

1 引言

據某井現場提供資料，穿孔鉆桿所在井鉆進至井深5327.93米時發現泵壓由20.1MPa下降至18.4MPa，泵沖由154spm升至170spm。經檢查地面循環系統，排除地面原因后起鉆檢查鉆具，發現鉆具刺漏。鉆具組合:Φ311.15mmPDC+241.3mmDC×2根+309mmSTB+241.3mmDC×1根+203.2mmDC×5根+177.8mmDC×6根+127mmDP×251根+139.7mmDP。

2 宏觀分析

發生穿孔的鉆桿試樣形貌如圖1所示，刺孔呈近似圓形，管體外表面有輕微的腐蝕痕跡，將試樣剖開，刺孔所在一側內壁有規則排布的3列深腐蝕坑，腐蝕坑主要分布在鉆桿內加厚區及緊鄰內加厚區的管體部分，如圖2所示。經磁粉探傷，刺孔尖端及鉆桿管體內、外表面腐蝕坑內均未發現有擴展裂紋。

3 理化分析

3.1 力學性能分析

從穿孔失效鉆桿管體上取試樣，用Baird Spectrovac2000直讀光譜儀檢測其化學成分，結果表明鉆桿化學成分中的S和P含量符合SY/T5561-2008[1]標準要求。從刺漏失效鉆桿樣品上分別取寬度為25.4mm的全壁厚條形拉伸試樣和規格為7.5×10×55mm的縱向夏比V型缺口沖擊試樣，拉伸和沖擊實驗條件為室溫，實驗結果見表1。由表可見，失效鉆桿的拉伸性能和縱向沖擊功符合SY/T5561-2008標準要求。

3.2 金相分析

在失效鉆桿穿孔和腐蝕坑附近取樣，分析材料中的夾雜物等級和晶粒度。鉆桿管體試樣材料中的非金屬夾雜物等級為A0.5，B1.0，D0.5，組織為S回，晶粒度等級為9.5級，如圖3所示。鉆桿管體刺孔受泥漿沖刷，沒有發現擴展裂紋。鉆桿內壁存在多處深而寬的腐蝕坑，腐蝕坑內有灰色腐蝕產物，腐蝕坑周圍組織與基體組織相同，腐蝕坑底部無裂紋形成，如圖4所示。

3.3 微觀形貌分析

從穿孔鉆桿管體內壁的腐蝕坑處取樣，采用掃描電子顯微鏡觀察腐蝕坑形貌如圖5所示，高倍下觀察發現，腐蝕坑底部覆蓋著一層疏松的腐蝕產物，未發現有裂紋存在。對坑底腐蝕產物的能譜分析結果如圖6所示，腐蝕產物的主要組成元素為Fe、O、C、S、Cl等。將腐蝕坑內物質取出進行X射線衍射分析，分析結果如表2所示，腐蝕坑內的物質主要為Fe的氧化物、部分泥漿及巖屑成分。由圖6和表2可以確定，腐蝕坑內的腐蝕產物主要由于氧腐蝕造成的。

從鉆桿腐蝕坑的能譜分析結果可以看出，鉆桿腐蝕坑底含有一定的Cl元素，Cl離子本身對材料不產生腐蝕作用，它的作用主要是加速腐蝕的進行[2]。氧腐蝕產生的Fe3O4覆蓋在腐蝕坑表面，從而使得坑內的PH值下降，弱堿性腐蝕介質變為酸性腐蝕介質，進一步加速Fe的溶解，使腐蝕坑進一步擴大加深。另一方面由于腐蝕坑內因Fe2+、H+等陽離子過剩形成電場，使得泥漿中的陰離子(如Cl-)借助“電泳”作用進入腐蝕坑內，造成富集。腐蝕坑內的這種強酸環境使得坑內壁成為活性小陽極，而坑外大片的金屬仍處于鈍態為陰極，從而構成大陰極/小陽極的腐蝕電池，使腐蝕坑加速生長。由于鉆桿內加厚過渡帶附近結構發生突變，鉆井泥漿在此部位形成渦流，沖刷作用較小，氧化物又有一定的強度，因而腐蝕覆蓋物不易被沖掉而使得該部位的腐蝕明顯較其他部位嚴重。

4 綜合分析

失效鉆桿的化學成分和力學性能符合SY/T5561-2008標準要求。穿孔鉆桿內、外壁腐蝕坑微觀顯微分析表明，內外壁腐蝕坑底部均未發現微裂紋，鉆桿失效可以確定為腐蝕失效。

從能譜分析和X射線衍射物相分析結果判定，鉆桿腐蝕主要是由于氧腐蝕造成的。氧腐蝕一般發生在中性或弱堿性環境中。失效鉆桿所在井鉆井液的pH=9，為堿性，當鉆井液中有游離態氧存在時，鉆桿內、外壁金屬易發生吸氧腐蝕，鉆桿表面的溶解氧腐蝕是氧去極化過程，腐蝕機理[3]為:

陽極反應:Fe→Fe2++2e

陽極反應:O2+2H2O+4e→4OH-

Fe2+發生水解:Fe2++2H2O→Fe(OH)2 +2H+

亞鐵離子被進一步氧化成三價的鐵離子:4Fe2++6H2O+O2→4FeO(OH)+8H+

FeO(OH)即為Fe2O3-H2O，通常處于腐蝕產物的外層，失水后形成的紅棕色的Fe2O3，Fe2O3與FeO結合形成Fe3O4(FeFe2O4)。

對于內壁涂刷了有機涂層的鉆桿，完整內涂層的存在可以有效避免金屬基體與腐蝕介質的接觸，從而保護鉆桿內壁免受腐蝕。但內涂層一旦局部發生剝落，裸露的金屬基體處將形成以金屬基體為陽極的小陽極/大陰極腐蝕電池，這樣鉆桿內壁涂層剝落處的局部腐蝕速度將明顯大于沒有內涂層的鉆桿。一般來說，金屬在靜止溶液中比在流動溶液中更容易發生腐蝕。鉆桿起出后，內外壁都粘附著一層濕泥漿，如果這層濕泥漿不及時清洗干凈甚至不進行清洗，鉆桿管體便會更加充分地接觸氧氣而將使得鉆桿的腐蝕速度大幅度增加。鉆桿的外表面暴露在空氣中，比較容易被風吹干，但管內壁粘附的泥漿則不易干燥，這些殘留的泥漿會比鉆井時更加充分地溶解氧氣，使得陰極極化加速，從而使得內壁腐蝕加速。

發生刺漏失效的鉆桿的內壁腐蝕集中分布在一側，而另一側涂層完好，基本未發生腐蝕，推測該鉆桿內壁的腐蝕可能是由于鉆桿起出后未及時清理內壁的的泥漿而造成的。另外，腐蝕集中分布在鉆桿內加厚區及與其緊鄰的管體部分，該區域是鉆桿尺寸結構變化點，存在較大的應力集中。在鉆井過程中會在該區域產生泥漿渦流作用，從而使得該區域的腐蝕速度明顯大于其他位置，當腐蝕坑深度達到臨界深度時，高壓泥漿將在腐蝕坑底形成刺孔，導致鉆桿失效。鉆桿刺孔形貌與腐蝕坑形貌非常相似，且在刺孔周向兩側沒有發現擴展的微裂紋，從而佐證了刺孔的形成是由腐蝕穿孔形成。

5 結論和建議

(1)失效鉆桿的化學成分和力學性能均符合SY/T5561-2008標準要求。

(2)鉆桿的穿孔失效屬于氧腐蝕失效，泥漿中氯離子的存在加速了腐蝕。

(3)建議鉆桿起出后應及時用清水清洗內壁，并充分干燥后進行存放。另外，鉆桿失效后要及時進行失效分析，查找原因，避免失效事故的重復發生。

參考文獻

[1]SY/T5561-2008 摩擦焊接鉆桿[S].中華人民共和國石油天然氣行業標準.

[2]趙文珍，宋余九，宋治等.新疆S135鉆桿失效分析[J].石油專用管，1989:61-75.

[3]馬桂君，杜敏，劉福國.G105鉆具鋼在含有溶解氧條件下的腐蝕規律[J].中國腐蝕與防護學報.2008.28(2):108-110.