Φ101.60 mm×9.19mm規格S135鉆桿刺漏失效分析

王軍，史交齊，史學芳，姬丙寅

（1.西安三維應力工程技術有限公司，陜西西安710075；2.西安電子科技大學，陜西西安710071）

Φ101.60 mm×9.19mm規格S135鉆桿刺漏失效分析

王軍1，史交齊1，史學芳2，姬丙寅1

（1.西安三維應力工程技術有限公司，陜西西安710075；2.西安電子科技大學，陜西西安710071）

采用幾何尺寸測量、刺漏裂口形貌分析、力學性能測試等方法，結合鉆桿的受力狀態和使用工況，分析了S135鉆桿刺漏的原因，并提出了5點預防措施。分析認為：S135鉆桿刺漏屬于早期腐蝕疲勞失效；在腐蝕和拉壓、彎曲、扭轉等載荷的作用下，S135鉆桿壁厚偏薄處的外表面腐蝕坑底部首先出現疲勞裂紋，并擴展導致鉆桿刺漏。

鉆桿；S135；刺漏；失效分析；腐蝕疲勞

石油鉆桿是鉆柱系統的重要組成部分，它不僅是鉆井液的循環通道，而且在旋轉鉆井中傳遞扭矩，承受拉伸、壓縮、彎曲、扭轉等多種載荷的復合作用，并受到鉆井液、地層水及油氣中腐蝕性氣體介質的腐蝕，因此在鉆進生產中經常出現多種形式的失效［1-4］。鉆桿刺漏是鉆桿失效的一種常見形式，嚴重時還會導致鉆桿斷裂［5-10］。

某油田在鉆進作業過程中發生一起鉆桿本體刺漏事故。該井設計井深5 280 m，井型為垂直井，海拔1 645 m，鉆桿刺漏處井深為2 752 m。刺漏鉆桿為使用僅1周的新鉆桿，鋼級為S135，規格為Φ101.60 mm×9.19 mm。鉆井方式為泥漿鉆進，鉆井液密度為1.4 g/cm3、pH值為7。鉆桿斷裂時的鉆壓為50 kN、鉆速為75 r/min、排量為15.5 L/s、泵壓為20MPa。

1 宏觀檢驗

1.1 宏觀形貌分析

S135失效鉆桿本體裂紋附近及接頭外表面卡瓦夾痕明顯，接頭耐磨帶磨損嚴重。S135失效鉆桿本體及接頭外表面形貌如圖1所示。刺漏裂口位于內外加厚過渡帶消失部位管體上，距內螺紋端面770 mm。刺漏裂口沿鉆桿環向長40 mm，約占鉆桿整個圓周的6.3%。刺漏裂口外表面中間寬兩邊窄，最寬處約4.9 mm；刺漏裂口內表面寬度和長度均小于外表面，環向長30 mm，最寬處約2 mm。

圖1 S135失效鉆桿本體及接頭外表面形貌

樣品沿軸線對剖后可以看到，S135失效鉆桿內表面被一層灰黑色泥漿覆蓋，使用棉布擦拭后露出綠色內涂層，除刺漏裂口，其余部位的涂層表面完好。觀察刺漏裂口發現，內表面刺漏裂口長度和寬度均小于外表面，且形狀較為規則，S135失效鉆桿樣品內壁宏觀形貌如圖2所示。

1.2 無損檢測

對失效鉆桿進行超聲波探傷檢測，發現3處環向裂紋（除刺漏裂口），均位于刺漏裂口所在的1/8圓周上，距接頭端面約600mm（位于刺漏裂口和接頭之間）。

1.3 幾何尺寸測量

采用游標卡尺和超聲波測厚儀測量管體的外徑和壁厚（含內涂層），測量點按徑向8等分、軸向間隔15mm分布。管體非加厚區的壁厚為9.42~10.78 mm，外徑為100.00~101.96 mm，滿足API Spec 5DP—2009《鉆桿產品規范》［11］要求。但刺漏裂口所在軸向線處壁厚最?。ǚ羌雍駞^平均壁厚為9.56 mm），其正對面軸向線處壁厚最厚（非加厚區平均壁厚為10.35 mm），兩者相差8.3%。此外，對刺漏裂口周邊的壁厚進行測量，沒有發現壁厚明顯減薄的區域。

圖2 S135失效鉆桿樣品內壁宏觀形貌

2 理化性能檢測

2.1 化學成分分析

采用直讀光譜儀分析S135失效鉆桿的化學成分，結果見表1。由表1可知，S135失效鉆桿的化學成分符合APISpec 5DP—2009標準要求。

表1 S135失效鉆桿的化學成分（質量分數）%

2.2 拉伸性能檢測

檢測失效鉆桿的拉伸性能，S135失效鉆桿的拉伸試驗結果見表2。由表2可知，失效鉆桿的拉伸性能符合APISpec 5DP—2009標準要求。

表2 S135失效鉆桿的拉伸試驗結果

2.3 沖擊性能檢測

在失效鉆桿刺漏裂口附近加工夏比V型缺口沖擊試樣，試樣尺寸為10 mm×7.5 mm×55 mm。S135失效鉆桿的沖擊性能試驗結果見表3，結果表明失效鉆桿的沖擊功符合APISpec 5DP—2009標準要求。

表3 S135失效鉆桿的沖擊性能試驗結果

2.4 顯微組織分析

在刺漏裂口附近取樣，并進行顯微組織分析。S135失效鉆桿的顯微組織形貌如圖3所示，其組織均為回火索氏體。失效鉆桿的晶粒度等級為8級，組織中的夾雜物種類和等級為A系（細）0.5、B系（細）0.5、C系（細）0.5、D系（粗）0.5。

圖3 S135失效鉆桿的顯微組織形貌

S135失效鉆桿的表面有多處環向裂紋，均位于壁厚較薄的1/8圓周上；裂紋環向最長25 mm，占該處截面周長的7.8%；徑向最深5.2 mm，占壁厚40%。S135失效鉆桿的裂紋形貌如圖4所示。由圖4可知，裂紋從鉆桿外表面腐蝕坑處起裂，起始部位較寬并填充有腐蝕產物，裂紋曲折擴展且有分叉。

圖4 S135失效鉆桿的裂紋形貌

在裂紋處選取2個分析點，分別進行掃描電鏡能譜分析，結果表明裂紋處含有C、S、O等元素。S135失效鉆桿裂紋處腐蝕產物能譜分析區域及結果如圖5所示。

圖5 S135失效鉆桿裂紋處腐蝕產物能譜分析區域及結果

2.5 斷口分析

在刺漏裂口尖端處取樣，S135失效鉆桿刺漏裂口解剖試樣形貌如圖6所示，由圖6（b）~（c）可知，刺漏裂口尖端處填充有疏松的殘留物；由圖6（d）可知，刺漏裂口表面形成了由內向外的沖刷溝壑痕跡，沖刷處表面光滑，但大部分區域被棕黃色腐蝕產物覆蓋，斷口處可以觀察到少量貝殼紋。

在刺漏裂口表面取小塊殘留物進行能譜分析，發現殘留物中也含有一定的S元素。S135失效鉆桿刺漏裂口表面殘留物能譜分析如圖7所示。

3 分析與討論

本次刺漏S135失效鉆桿為投入使用不久的新鉆桿，鉆桿服役時間低于正常使用壽命。鉆桿發生刺漏的原因除與鉆桿質量有關外，還與鉆桿的使用工況有關。

3.1 鉆桿質量

S135失效鉆桿的化學成分、屈服強度、抗拉強度、伸長率、沖擊功均滿足API Spec 5DP—2009要求。鉆桿幾何尺寸測量結果表明，刺漏裂口中部所在軸向線處壁厚最薄，其正對面軸向線處壁厚最厚，兩者相差8.3%。因存在壁厚偏心，薄壁處不僅形成很大的應力集中，而且抵抗載荷的有效面積也相對減少；因此，壁厚不均是導致鉆桿刺漏不容忽視的因素之一。超聲波探傷檢測發現3處橫向裂紋，無損探傷和顯微觀察也發現多條起源于鉆桿外表面腐蝕坑底的裂紋。

圖6 S135失效鉆桿刺漏裂口解剖試樣形貌

圖7 S135失效鉆桿刺漏裂口表面殘留物能譜分析

3.2 使用工況

3.2.1 腐蝕介質

S135失效鉆桿刺漏處距井口2 752 m，位于頁巖氣層。該井的氣測數據表明，全烴含量1.1%~ 1.9%，其中甲烷含量0.49%~0.99%、CO2含量1.07% ~1.89%，并含有一定量的H2S。S135失效鉆桿裂紋及斷口處殘留物能譜分析結果表明腐蝕產物中含有C、S、O等元素。

在CO2存在的情況下，少量的H2S即能加速陽極鐵的溶解和陰極氫氣的析出［12］。溫度升高，腐蝕極化電阻變小，腐蝕也會加劇。S135失效鉆桿刺漏位置處的地層溫度約75℃，比較有利于CO2和H2S腐蝕［13-14］。

3.2.2 現場作業

S135失效鉆桿本體裂紋附近及接頭外表面卡瓦夾痕明顯。以往的失效事故表明，大約1/3的鉆桿疲勞失效與卡瓦夾痕有關系。這些異常造成的鉆桿壽命減少主要發生在疲勞裂紋萌生階段。也就是說，同等載荷下，相對于光滑表面，應力集中源或其附近的高應力使裂紋萌生更快［15］。

3.2.3 管柱受力

S135失效鉆桿的中和點位于NC35-47（外徑120.6 mm、內徑50.8 mm）鉆鋌上，鉆桿刺漏處井深為2 752m，井眼曲率為3.04°/100 m，此處承受的浮重為50.9 t（12.06 t鉆鋌+4.93 t加重鉆桿+33.91 tΦ101.6 mm規格S135鉆桿），換算成軸向拉伸載荷為180 MPa，遠小于該鉆桿的抗拉強度（1 137 MPa）。但因鉆桿刺漏段的井身軌跡較差，一方面，施工中摩擦阻力較大；另一方面，當鉆桿鉆遇狗腿井段，鉆桿要承受彎曲載荷，彎曲的鉆桿在最大彎曲截面處一邊受壓，另一邊受拉，當鉆桿旋轉一周后，鉆桿上某一點經受了從拉到壓的一個應力循環。在交變應力的作用下，鉆桿表面應力集中位置或危險截面萌生裂紋。只要交變應力繼續作用，裂紋就會不斷擴展，直至穿透鉆桿壁厚。交變應力越大，疲勞裂紋萌生、擴展的速度越快。S135失效鉆桿的耐磨帶磨損嚴重也充分說明鉆柱存在彎曲現象，摩擦阻力較大。

綜上所述，疲勞源首先在鉆桿壁厚偏薄處的外表面腐蝕坑底微裂紋處形成，這些微裂紋在扭轉、彎曲和內壓等合應力作用下快速擴展，最終形成疲勞裂紋。當裂紋擴展至接近管體內壁，由于管內鉆井液的高壓作用而最終導致管壁被刺穿。管壁刺穿后，S135鉆桿內部的鉆井液在內壓作用下隨之噴出，高速的鉆井液（固-液雙相流體）立即沖刷管壁斷裂面，從而形成內窄外寬的刺漏裂口形貌。隨著沖刷時間的延長，斷裂面先沖刷變光滑，然后逐步形成凹坑，凹坑的形貌則反映了鉆井液流體的擴張形貌。

4 結論與建議

（1）S135鉆桿為腐蝕疲勞失效，疲勞源首先在鉆桿壁厚偏薄處的外表面腐蝕坑底微裂紋處形成，這些微裂紋在扭轉、彎曲和內壓等合應力作用下快速擴展，最終形成疲勞穿透裂紋。

（2）為避免類似事故的發生，可采取以下方法：①鉆桿下井之前要進行無損探傷，避免已有裂紋鉆桿繼續服役；②鉆桿使用一段時間后，應檢查鉆桿的磨損、彎曲、表面劃痕等情況，及時淘汰磨損過度、彎曲明顯及表面劃痕較深的鉆桿，尤其要仔細檢查鐓鍛過渡帶的磨損情況，該處往往最易磨損變薄，從而發生斷裂；③起下鉆時檢查鉆具損傷情況，勤倒換鉆具的入井順序，避免應力集中引起疲勞破壞；④有必要開展鉆桿成分設計、表面防腐技術、專用緩蝕劑等的研究；⑤對鉆柱設計進行系統的動力學分析。

［1］章揚烈.鉆柱運動學與動力學［M］.北京：石油工業出版社，2001.

［2］趙國珍，龔偉安.鉆井力學基礎［M］.北京：石油工業出版社，1988.

［3］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.

［4］房舟.鉆桿的失效分析［D］.成都：西南石油大學，2006.

［5］廖凌，葉頂鵬，袁中華.S135鉆桿刺漏失效分析［J］.理化檢驗（物理分冊），2009，45（9）：583-585.

［6］李方坡，劉永剛，林凱，等.G105油井鉆桿失效分析［J］.金屬熱處理，2009，34（10）：94-97.

［7］劉永剛，王建平，張偉，等.S135鉆桿刺漏失效分析及疲勞驗證試驗［J］.理化檢驗（物理分冊），2015，51（8）：583-586.

［8］余世杰，袁鵬斌，龔丹梅，等.S135鉆桿刺漏原因分析［J］.金屬熱處理，2011，36（增刊）：173-177.

［9］余世杰，莊稼，苗濛，等.鉆桿管體刺漏原因分析［J］.機械工程材料，2014，38（4）：100-104.

［10］葉頂鵬，王瑞成，崔順賢，等.Φ127 mm S135鉆桿刺漏失效分析［J］.理化檢驗（物理分冊），2009，45（8）：514-516.

［11］API Spec 5DP—2009 Specification for drill pipe［S］. 2009.

［12］周計明.油管鋼在含CO2/H2S高溫高壓水介質中的腐蝕行為及防護技術的作用［D］.西安：西北工業大學，2002.

［13］徐鴻麟.油管鋼高溫高壓CO2/H2S及CO2腐蝕行為研究［D］.蘭州：蘭州理工大學，2005.

［14］徐東林.兩種油套管抗硫鋼的H2S/CO2腐蝕研究［D］.武漢：華中科技大學，2007.

［15］陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術［M］.東營：石油大學出版社，2000.

●信息

Analysis of Piercing Failure ofΦ101.60 mm×9.19 mm S135 Drill Pipe

WANG Jun1，SHIJiaoqi1，SHIXuefang2，JIBingyin1
（1.Xi’an Serv Stress Engineering Technology Co.，Ltd.，Xi’an 710075，China；2.Xidian University，Xi’an 710071，China）

Analyzed in the essay are the causes for the piercing failure of the S135 drill pipe by means of methods like geometric dimension measurement，piercing fracture morphology analysis and mechanical property testing，and consideration of the loading state and the service conditions of the drill pipe.Accordingly，five preventative actions are proposed.The analysis result leads to the following conclusion.The piercing of the drill pipe is regarded as an early-stage corrosion fatigue failure.And the reason for such failure is that under corrosion，and such loads as tension and compression，bending and torsion，fatigue cracks first occurred at the bottom of the corrosion pit on the external surface of the rather thinner part of the drill pipe，and then expanded to eventually get the drill pipe pierced.

drill pipe；S135；piercing；failure analysis；corrosion fatigue

TG335.7；TE931+.2

B

1001-2311（2016）06-0052-05

2016-07-18）

王軍（1981-），男，碩士，工程師，從事新型油井管開發及失效分析工作。