鉆桿管體開裂失效原因分析

姬丙寅，史學芳，史交齊，任 銳，李 敏，梁裕如

（1.西安三維應力工程技術有限公司，西安710075；2.西安電子科技大學，西安841600；3.勝利油田高原石油裝備有限責任公司，山東東營257091；4.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，西安710075）

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鉆桿管體開裂失效原因分析

姬丙寅1，史學芳2，史交齊1，任 銳3，李 敏3，梁裕如4

（1.西安三維應力工程技術有限公司，西安710075；2.西安電子科技大學，西安841600；3.勝利油田高原石油裝備有限責任公司，山東東營257091；4.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，西安710075）

摘要：某井施工中，連續發生鉆桿斷裂事故，檢查發現其他鉆桿也存在裂紋。對鉆桿開裂事故進行了深入調查研究，分析了開裂鉆桿樣品，對斷口形貌、幾何參數、理化性能、金相組織和腐蝕產物能譜分析等進行了試驗分析。結果表明：鉆桿的理化性能均滿足API SP E C 5 D P要求及用戶要求，鉆桿開裂機理為腐蝕疲勞，建議加強鉆桿管理，采用內涂層鉆桿。

關鍵詞：鉆桿；開裂；腐蝕疲勞

某井施工中，從井深2 055～2 400 m作業中連續發生?127.00mm鉆桿斷裂事故6次，鉆桿斷裂位置位于鉆桿端部230～4 000mm處，同時在施工過程中檢查發現10支鉆桿存在裂紋。設計井深2 420 m，井段700～2 420 m為高分子聚合物泥漿，主要性能指標為：密度1.05～1.12 g/cm3，漏斗黏度17～21 s，P H值7～9，含砂量小于1%，固相含量7%～10%，失水量10～15 m L/30 min。斷裂開裂形貌如圖1，斷裂鉆桿的斷口位置和開裂鉆桿的裂紋位置與管體軸向垂直，斷裂或裂紋在管體位置呈分散分布。

圖1　失效鉆桿形貌

1 理化檢驗及結果

1.1 無損探傷

對失效樣品進行整體超聲探傷，除開裂位置外，沒有發現其他的無損探傷缺陷。

1.2 幾何尺寸測量

使用超聲測厚儀進行管體壁厚尺寸測量。測量點的分布如圖2所示，測量結果如表1。由測量結果可知：樣品B方向在裂縫區域壁厚偏小，F方向在裂縫區域壁厚偏大，截面最大偏差為1.32mm。幾何測量顯示在此區域鉆桿偏心，鉆桿整體橢圓度小于0.83%。

圖2　開裂試樣外徑壁厚測量示意（測量方向由左向右）

表1　幾何尺寸測量結果

1.3 內壁宏觀分析

樣品平行于裂紋處對剖為兩半，鉆桿的內表面有1層均勻附著的白色內垢，切割樣品時內垢受力后剝落掉塊。內壁有多處氧化點銹蝕區域，形成大量目視可見的腐蝕形貌。電火花線切割裂縫解剖樣品后內垢基本完全脫落，鉆桿內壁腐蝕嚴重，有大量腐蝕坑點，裂縫中心區域有1處深腐蝕坑點，裂紋橫穿腐蝕坑向兩邊延伸擴展，如圖3所示。

圖3　1號樣品裂縫宏觀形貌

1.4 化學成分分析

在失效管體上取30mm×30mm塊狀樣品，用直讀光譜儀進行化學成分分析，結果如表2。分析結果表明，鉆桿化學成分符合API SP E C 5 D P標準［1］要求。

1.5 力學性能

分別從管體上取拉伸、沖擊和硬度試樣進行相應的力學性能試驗。按照AST M A370—2010標準進行拉伸試驗，按照AST M E23—2007標準進行沖擊試驗，按照AST M E 18—2008B標準進行硬度試驗，結果如表3。分析結果表明：鉆桿材料的抗拉強度、屈服強度、沖擊功均符合API SPEC 5 DP標準要求。

表2　化學成分分析wB/%

表3　力學性能試驗結果

1.6 金相分析

在失效鉆桿斷裂處取樣，依據G B/T13298、G B/T6394和G B/T10561標準進行金相組織及非金屬夾雜物評定。失效鉆桿材料組織為回火索氏體（如圖4a），組織均勻。晶粒度等級為8.0級，非金屬夾雜物分別為A1.0、B0.5、C0.5、D0.5，如圖4b。

圖4　鉆桿顯微組織

經化學分析、力學性能等理化檢驗分析，失效鉆桿的材料性能符合訂貨質量保證書和API標準相應要求。

1.7 斷口分析

取內壁有橫向裂紋的部分垂直于裂紋剖開做金相截面，可以看到裂紋起源于內壁腐蝕坑處，垂直壁厚方向向鉆桿外壁擴展，完全貫穿整個截面，如圖5所示。

圖5　裂紋截面形貌

裂紋整體打開后，由于裂紋面整體腐蝕嚴重，表面覆蓋有大量的腐蝕產物，需要清理掉腐蝕產物才能看到裂紋擴展留下的形貌痕跡。整體用腐蝕性緩和的試劑進行清理，清理后的形貌如圖6所示，圖中左邊為鉆桿內壁，右邊為鉆桿外壁。表面大部分腐蝕產物已經去掉，局部還有殘留，見圖中灰暗色區域。在樣品內壁可以看到大量的腐蝕坑分布于裂紋面，越靠近內壁越嚴重。

圖6　裂紋擴展面低倍腐蝕清理后形貌

在樣品內壁裂紋處看到多處裂縫擴展源，有較明顯的腐蝕坑，垂直于裂紋擴張方向可以看到橫向的腐蝕疲勞痕跡，如圖7a；腐蝕坑附近有許多大的點腐蝕坑分布在裂紋擴展面上，如圖7b；在裂紋擴展中心區仍然可以看到明顯的疲勞條帶，但疲勞條帶較源區更密集，如圖7c；靠近樣品外壁的裂紋擴展面上的腐蝕坑變小，疲勞條帶不是特別明顯，較擴展中心疲勞條帶密集，如圖7d。

圖7　裂紋擴展面二次電子形貌

2 分析與討論

根據對失效鉆桿樣品材料的化學分析、力學性能和金相組織等性能分析，其結果均符合供貨質量保證書和API相關標準要求，所以材料性能不是造成此次失效事故的主要原因。

綜上分析，失效鉆桿開裂處于鉆桿的均勻厚度段。失效鉆桿對剖后，內壁均有明顯的點腐蝕特征，拉伸變形后表層松散的腐蝕層剝落，鉆桿內壁上露出大量腐蝕坑。由于鉆桿無內涂層保護，在實際使用中間歇性進行鉆井作業，每段間斷作業期，表面防護措施簡單。鉆桿產生表面氧化腐蝕［2-5］，內表面腐蝕嚴重，形成大量的腐蝕坑。后期再次使用時在較大的腐蝕坑處首先形成較大應力集中，裂紋開始形成，并在鉆井作業中不斷地腐蝕擴展，導致鉆桿開裂斷裂［6］。

幾何測量顯示，樣品在開裂段存在偏心，開裂側鉆桿壁厚偏小，鉆桿作業時這一側相應的應力會偏大，促進疲勞腐蝕［7-10］的形成和擴展，更容易產生應力集中開裂。

綜上所述，實際使用中由于存在嚴重的腐蝕介質，在停止鉆井作業期間這些腐蝕物質繼續殘留附著于鉆桿內壁處，并與外露于空氣介質共同作用產生嚴重的鉆桿腐蝕，鉆桿的腐蝕面不斷擴大，在后期的作業中由于應力集中的存在，腐蝕坑開裂擴展，引起失效發生。

3 結論

1） 鉆桿失效是由于腐蝕疲勞引起的。該批鉆桿未進行內涂層處理，在間歇作業過程中，未采取有效的防腐措施，導致鉆桿內壁腐蝕加重，并逐漸形成腐蝕坑，再次進行鉆井作業時，在大的腐蝕坑處產生應力集中導致鉆桿最終開裂。

2） 鉆桿作業中承受較大的疲勞應力作用，應力集中釋放產生較平直的裂紋。

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Fracture Analysis of Drilling Pipe

JI Bingyin1，S HI Xuefang2，SHI Jiaoqi1，REN Rui3，LI Ming3，LIANG YUru4
（1. Xi’ɑn Serυ Stress Engineering Technology Serυice Co.，Ltd.，Xi’ɑn 710075，Chinɑ；2. Xidiɑn Uniυersity，Xi’ɑn 710075，Chinɑ；3.Shengli Oilfield Highlɑnd Petroleum Equipment Co.，Ltd.，Dongying 257091，Chinɑ；4. Reseɑrch Institute of Yɑnchɑng Petroleum（Group）Co.，Ltd.，Xi’ɑn 710075，Chinɑ）

Abstract：Several bending and fracture accident of drill pipe took place in one oilfield. At the sa me time，crack was found in the other drill pipe during inspection. In order to know the cause of crack of drill pipe，an investigation on the accident was introduced. Two cracking pipe sa m ples were analyzed. Fracture m orphology，geo metric parameters，physical and chemical properties，microstructure and corrosion products were analyzed. The test results show that，the physicochemical properties of casing coupling meted API SPEC 5DP requirements and user requirements. The main cause of cracking is corrosion fatigue.In order to prevent the recurrence of the accident in the future，it was suggested that internal coating drill pipe shall be used in this area.

Key Words：drilling pipe；cracking；corrosion fatigue

作者簡介：姬丙寅（1983-），男，河南許昌人，工程師，碩士，主要從事油井管評價試驗研究，E-mail：jibingyin2005 @ 126. com。

收稿日期：2015-07-19

文章編號：1001-3482（2016）01-0032-05

中圖分類號：T E921.1

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.008