鉆桿加厚過渡區刺漏可靠性分析

劉賢文 ，馬金山 ，姚 航 ，魏立明 ，齊金濤，古新文

1.中國石油渤海鉆探鉆井技術服務公司 （天津 300280）

2.中國石油大港油田熱電公司 （天津 300280）

隨著斜井、水平井及復雜地質環境條件下鉆井增多,鉆桿刺漏現象時有發生。某鉆井隊在油田鉆井作業過程中，連續發生多起鉆桿加厚過渡區刺漏失效，既延誤了井隊鉆井進程，也造成一定經濟損失。刺漏鉆桿的服役時間較短，為了查明該鉆桿的刺漏原因，確保鉆井生產的安全可靠性，前往現場了解失效情況后取回失效樣品，并對其進行了檢驗和可靠性分析[1]。

1 井況信息及分析

該井為四開定向井，最大井斜角為60.8°，設計井深5228m，造斜點在317m，終點在552m。在鉆進井深1576m至4864m時，陸續發生了15次Φ139.7mm鉆桿刺漏失效問題，泵壓由19MPa下降至17MPa，鉆進過程中排量穩定，檢查地面設備無異常后，起鉆檢查鉆具，發現鉆桿加厚過渡區發生刺漏，15起Φ139.7mm鉆桿刺漏中，有14起是位于Φ339.7mm技術套管內 （技術套管設計井深1986 m），其中有5起是發生在造斜段內，9起是發生在穩斜段內。

1.1 宏觀形貌觀察

經測量，刺孔距離鉆桿母接頭密封端面約0.65m，處于鉆桿加厚過渡區處，刺孔外壁的口徑較內壁大，刺孔外壁沿周向最大寬度約為25mm，沿縱向最大長度約為23mm，刺孔外壁周長約為92mm，鉆桿外壁腐蝕不嚴重，未見明顯腐蝕坑，刺孔在外壁的周邊形貌如圖1所示。將鉆桿沿軸向剖開，經測量刺孔內壁沿周向最大寬度約為19mm，沿縱向最大長度約為17mm，周長約為60mm。另外，失效鉆桿加厚過渡帶內錐面長度約為150mm，內錐面消失處曲率半徑（R）約為500mm，加厚過渡帶結構合理，過渡平緩，并無明顯的臺階面，鉆桿內壁有幾道由于下錄井儀器碰傷使涂層脫落而留下的痕跡（圖2）。

鉆桿內壁防腐涂層已發生起泡，部分區域的涂層已發生小面積的脫落。涂層起泡分布較為均勻，鼓泡直徑大小約在1～2mm左右。在鉆桿加厚直段上，大部分起泡的涂層經泥漿沖蝕后，鼓泡的頂部已磨損脫落，在裸露的鉆桿本體呈均勻點狀分布，而在鉆桿加厚內錐面上，相對于加厚直段涂層脫落較少，涂層起泡脫落處存在黑色腐蝕產物。

圖1 刺孔在外壁的周邊形貌

圖2 鉆桿內壁刺孔及加厚過渡區形貌

1.2 實物解體分析情況

針對出現的鉆桿刺漏問題，從15根刺漏的鉆桿中隨機挑選出4根，有2根外觀狀況較好，2根外觀有卡瓦咬痕，進行了切頭、解剖檢查，情況如下:

1）2根外觀較好的鉆桿，切頭后在刺漏部位或附近均發現有鉆桿濾清器沖蝕坑，見圖3。

圖3 鉆桿加厚區刺漏管體剖面圖

2）另2根外觀有咬痕的鉆桿，在咬痕較深部位發生了刺漏現象，見圖4。

圖4 鉆桿加厚區卡瓦咬傷圖

2 腐蝕產物分析

在刺孔附近取樣，利用掃描電子顯微鏡對鉆桿內壁涂層起泡處（先將起泡處的涂層剝落，再對該處進行形貌觀察）與涂層已脫落處的本體進行微區形貌觀察與能譜分析[2]。在涂層起泡的鉆桿內壁上，可以觀察到泥紋花樣狀的腐蝕產物，腐蝕產物的成分主要為 C、O、Si、Al等一些元素， 結果見圖 5～圖 6、表1和表2。

圖5 涂層起泡處鉆桿內壁泥紋花樣腐蝕產物能譜分析結果

圖6 涂層脫落處鉆桿內壁腐蝕產物能譜分析結果

3 材質分析

3.1 化學成分

在刺孔附近取樣，經直讀光譜儀分析，元素含量均控制在標準允許范圍內，符合API SPEC 5DP標準的規定要求,該鉆桿化學成分見表3。

表1 涂層起泡處鉆桿內壁泥紋花樣腐蝕產物能譜分析結果

表2 涂層脫落處鉆桿內壁腐蝕產物能譜分析結果

表3 鉆桿化學成分分析結果

3.2 機械性能

按照API SPEC 5DP標準，在失效鉆桿靠近刺孔的管體上取棒狀拉伸試樣，進行拉伸性能試驗，結果見表4。

表4 鉆桿拉伸性能試驗結果

按照API SPEC 5DP標準，在刺孔同一周向面取一組夏比V形缺口沖擊試樣 （10mm×10mm×55mm），進行沖擊性能試驗，結果見表5。

表5 鉆桿沖擊性能試驗結果

對刺穿鉆桿試樣加厚過渡帶部位橫截面洛氏硬度測定,硬度測試結果表明材料硬度值符合API SPEC 5DP標準要求規定,結果見表6。

表6 加厚部位洛氏硬度測試結果

3.3 金相分析

在鉆桿刺孔周邊取樣，在金相顯微鏡下觀察其非金屬夾雜物、晶粒度及金相組織情況。非金屬夾雜物微觀分析級別（執照ASTME45方法A級）為1.5級夾雜物，晶粒度為8.5級，金相組織為回火索氏體，如圖7。另外，鉆桿內壁防腐涂層起泡脫落的區域存在腐蝕坑，在一些腐蝕坑底部能發現若干開始萌生的疲勞裂紋，如圖8所示。

圖7 失效鉆桿基體組織

圖8 鉆桿內壁腐蝕坑底萌生的疲勞裂紋形貌

4 鉆桿刺漏可靠性分析

4.1 鉆桿材質因素

從所完成的理化性能的試驗結果可知，失效鉆桿的化學成分、機械性能以及顯微組織結構均符合API SPEC 5DP及相關標準的規定，且具有較高的沖擊韌性，平均沖擊功達到130J以上。因此，可以排除由于鉆桿材質的原因而導致鉆桿刺漏的可能性。

4.2 鉆桿加厚過渡帶結構尺寸

鉆桿發生刺漏的部位正好位于內加厚過渡帶消失位置附近，這與鉆桿本身的幾何結構尺寸有著密切關系。在加厚過渡區消失處，鉆桿壁厚發生了明顯變化，成為形狀突變點，易引發應力集中，在使用中很容易發生疲勞失效[3]。

該鉆桿遠大于API SPEC 5DP標準對于最小內錐面長度的規定，且加厚過渡區過渡平緩，并無明顯的結構突變處。因此，可以排除由于鉆桿加厚過渡區結構尺寸加工不合理而導致鉆桿刺漏的可能性。

4.3 鉆桿過渡帶受鉆桿濾清器影響

由于在鉆桿母接頭內放入濾清器后鉆井液流向發生改變，垂直沖擊鉆桿內壁，造成涂層剝落，在鉆桿管體內壁形成鉆井液的沖蝕坑，坑底萌生疲勞裂紋，裂紋在沖擊和腐蝕的聯合作用下由里向外擴展，直至穿透管壁發生刺漏。從上述發生刺漏的鉆桿可以看出，由于受到鉆井液的沖蝕,形成了嚴重的沖蝕坑后,逐步出現刺漏現象[4]。

4.4 井下工況影響

從統計中可以看出大部分鉆桿刺漏時的位置在造斜段與穩斜段，此段井眼軌跡不好（出現狗腿），鉆具在井下工況比較惡劣,在旋轉時承受拉力、交變彎曲應力，在此段位置上容易發生鉆桿刺漏現象[5]。

4.5 外壁損傷

由于鉆井隊使用卡瓦不當及井口需要夾緊的力矩過大，在鉆桿管體上造成不同程度的咬痕，在咬痕處形成應力集中，在外力的作用下形成缺陷，這些外部缺陷減少了鉆具的有效承載面積，在咬痕的部位造成了應力集中，從而引發疲勞裂紋，繼而引發刺漏現象。

4.6 井下腐蝕介質

鉆桿防腐涂層在服役過程中長期受到一些腐蝕性介質的作用,進而使得與涂層相連的基體發生腐蝕，涂層與基體表層發生分離，在涂層上形成“小鼓泡”，并在鉆井液進一步的沖蝕下造成涂層的脫落。

在鉆井液循環的過程中，鉆桿內壁與鉆井液之間形成了“大陰極、小陽極”腐蝕形態，該腐蝕形態為局部腐蝕，腐蝕只能縱向深入，造成具有局部性的孔蝕，使得涂層脫落處的腐蝕加速。

4.7 綜合分析

造成本次Φ139.7mm鉆桿刺漏的原因主要是:一是使用了濾清器造成鉆桿內壁沖蝕；二是刺漏處井眼軌跡不好增加了彎曲應力；三是卡瓦對鉆桿管體咬傷而引發疲勞裂紋。

當鉆桿不斷受到上述綜合影響，在內加厚過渡區消失處形成腐蝕坑及沖蝕坑，并在坑底萌生腐蝕疲勞裂紋,隨著裂紋逐步擴展，當疲勞裂紋擴展穿透鉆桿壁厚，高壓泥漿刺漏，最終形成鉆桿刺穿孔洞。

疲勞裂紋源會在受應力最大 (彎曲最大處的鉆桿外表面)處，特別是表面缺陷(卡瓦咬傷)處形成并逐步擴展,當裂紋擴展至鉆桿內壁附近時，使裂紋處受到鉆井液強力沖刷而快速擴大，導致鉆桿發生刺漏失效。

5 結論與建議

1）失效鉆桿的化學成分，理化性能均符合API SPEC 5DP標準要求。

2）鉆桿的刺漏原因是由于鉆桿內壁沖蝕的腐蝕坑底部萌生的裂紋導致的沖蝕疲勞失效和卡瓦損傷引起的裂紋導致的疲勞失效。

3）鉆桿的防腐內涂層由于長期受地層腐蝕介質影響造成涂層起泡脫落是導致鉆桿發生刺漏的原因之一。

4）建議對防腐涂層起泡的鉆桿重新進行涂層的噴涂，并在下井之前對鉆桿進行無損探傷，避免已有裂紋萌生的鉆桿繼續服役。

5）建議進一步研究位于斜井段交變彎曲應力對鉆具失效的具體影響，提出相應的改善措施，以提高鉆具的使用壽命。

6）建議為了防止濾清器對鉆桿沖蝕的影響，可以在方鉆桿下部的防保接頭內放置濾清器，對于頂驅鉆機在水龍帶與水龍頭之間連接的專用短節里放置濾清器，以解決鉆桿加厚過渡區刺漏失效的發生。

[1]李鶴林，李平全，馮耀榮.石油鉆柱失效分析及預防[M].北京:石油工業出版社,1999.

[2]鄺獻任，胡芳婷，王新虎.一例Φ127mm×9.19mm鉆桿刺穿失效分析[J].石油礦場機械，2005，34（3）:62-64.

[3]汪麗君，彭成勇，張迎進.鉆桿內加厚過渡區參數優化[J].石油礦場機械，2006，35（6）:79-80.

[4]余世杰，袁鵬斌，龔丹梅，等.S135鉆桿刺漏原因分析[J].2011，36(S1):173-177.

[5]趙金，楊碧玉，崔順賢，等.某S135鉆桿腐蝕穿孔失效分析[J].石油工業技術監督，2011，27（7）:5-7.