鉆井液環境中S135高鋼級鉆桿的腐蝕性能研究

李齊富，張曉慧，王顯林

（1.渤海石油裝備制造有限公司渤海能克鉆桿有限公司，河北滄州 062658；2.渤海石油裝備制造有限公司巨龍鋼管有限公司，河北滄州 062658）

0 引言

鉆桿腐蝕是石油天然氣鉆井工程中普遍存在的問題，在深井超深井、定向井等復雜結構井中表現得更加突出。在我國一些不穩定天然氣儲層的鉆井開發過程中，為了適應鉆井工藝的要求，廣泛使用含氯離子的鉆井液體系，并配合添加多種添加劑。現場調研發現，這種含氯離子的鉆井液在井下高溫高壓作用下對S135 鉆桿具有一定的腐蝕性。目前，國內針對S135 鉆桿在含氯離子鉆井液環境中腐蝕性的系統研究相對較少，為了分析鉆桿的腐蝕機理，取2 種現場使用的典型鉆桿試樣進行系統研究[1]。

在石油天然氣鉆井作業過程中，鉆井液對于保證鉆井作業過程的順利完成具有重要作用，但鉆井液對鉆桿也具有較強的腐蝕性，尤其是S135 高鋼級鉆桿。

1 試驗方案及方法

為了便于表示，將進行研究的2種S135 鉆桿材料分別記為1#鉆桿和2#鉆桿。采用全壁厚拉伸試樣檢測鉆桿材料的屈服強度、抗拉強度和延伸率，采用7.5 mm×10 mm×55 mm 的縱向夏比V 型缺口沖擊試樣檢測鉆桿材料的沖擊吸收能，采用硬度圓環試樣檢測鉆桿管體截面的洛氏硬度。采用掛片腐蝕的方式測試材料的腐蝕性能，用水浴加熱的方式對腐蝕環境進行加熱，腐蝕試驗介質分別為現場鉆井液、6%KCl 和12%KCl，試驗溫度分別為30 ℃和60 ℃，溶液的pH 值分別為8、9 和10，腐蝕試驗時間為168 h。

2 鉆桿材料理化性能分析

1#和2#鉆桿管體試樣拉伸、沖擊及硬度檢測條件和檢測結果見表1、表2。結果表明，2 件S135 鉆桿試樣材料的拉伸性能、縱向沖擊功和硬度均滿足API Spec 5DP—2010 標準[2]要求，試樣在整個圓周截面上的硬度檢測結果表明，試樣截面硬度無明顯變化[2-3]。

表1 S135 鉆桿力學性能

表2 S135 鉆桿硬度檢測結果HRC

分別從2 種鉆桿試樣上取樣，分析材料中的夾雜物、金相組織和晶粒度。分析結果表明，2 種鉆桿產品材料的微觀組織和夾雜物含量均符合鉆桿標準SY/T 5561—2008[2]的要求，2 種材料的微觀組織相同：1#鉆桿材料中的非金屬夾雜物等級為A0.5，B0.5，D0.5，金相組織為回火索氏體，晶粒度等級為9.5 級；2#鉆桿材料中的非金屬夾雜物等級為A0.5，B1.0，D0.5，金相組織為回火索氏體，晶粒度等級為10.0 級。2 種鉆桿試樣腐蝕坑部位組織與其他部位相同，腐蝕坑呈橢圓形特征，腐蝕坑內有部分灰色腐蝕物分布。

3 S135 鉆桿腐蝕機理分析

分別從2 種鉆桿表面腐蝕位置取樣進行微觀形貌及微區成分分析：鉆桿表面腐蝕坑呈片狀分布，面積較大，多數腐蝕坑底部有腐蝕物覆蓋，腐蝕物較為疏松，呈顆粒狀。清除腐蝕物后觀察發現，腐蝕坑底部較平，多個腐蝕坑之間相互連。對腐蝕坑內的填充物進行能譜分析表明，腐蝕坑內的填充物主要為鐵的氧化物和部分泥漿巖屑殘留物。

從鉆桿腐蝕坑內取部分腐蝕產物進行X 射線衍射分析發現，鉆桿腐蝕產物的主要組成為Fe3O4、Fe2O3和FeO（OH）。鉆井液在使用過程中，循環系統是非密閉的，大氣中的氧會進入鉆井液中而成為游離態的氧。另外，鉆完一口井后的鉆桿一般都沒有清洗內外表面的鉆井液及雜物，而是露天堆放在外，這也會使鉆桿發生腐蝕。在氧氣分壓為一個大氣壓的中性水溶液中，氧電極的平衡電位是0.815 V，而氫電極的平衡電位只有-0.413 V，因此，在中性和堿性鉆井液中，鋼質鉆桿傾向于發生氧腐蝕。

另外，能譜分析同時還發現，腐蝕產物中含有相當數量的氯離子，分析認為氯離子主要來源于鉆井液介質中添加的KCl 組分，氯離子本身對鉆桿材料不產生腐蝕作用，它的作用主要是加速腐蝕的進行。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，使得泥漿中的氯離子借助“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。

4 氯離子對鉆桿腐蝕性能的影響

根據鉆井現場調研情況發現，鉆井過程中鉆井液pH 值為8～10.5，鉆井液中的KCl 濃度為6%左右，高時可增至12%，預計井底溫度為80～85 ℃。為了系統分析含鉆井液及其中的氯離子成分對于鉆桿的腐蝕作用，特制訂專門的腐蝕試驗方案。腐蝕試驗結果可知（圖1）：①現場取回的鉆井液對于鉆桿的腐蝕速率略低于KCl 溶液；②隨著pH 值的增加，2 種S135 鉆桿的腐蝕速率均呈下降趨勢；③隨著溫度的升高，2 種S135 鉆桿的腐蝕速率均顯著增加[4]。

圖1 S135 鉆桿腐蝕試驗結果

分析認為現場的泥漿的腐蝕速率之所以低于KCl 溶液的腐蝕速率主要是由于泥漿中的氯離子含量略低于KCl 溶液，檢測現場取回泥漿中的氯離子含量約為6000 mg/L，略低于6%KCl 溶液中的氯離子含量，另外，鉆井液中除KCl 外還添加了大量的有機聚合物添加劑和其他改善泥漿性能的添加劑，這些鉆井液添加劑的使用在一定程度上降低了鉆井液對于鉆桿的腐蝕作用。在不同pH 的KCl 溶液中鉆桿的腐蝕速率測試結果可見，隨著pH 值的增加，兩種鉆桿的腐蝕速率均呈下降趨勢，pH值主要反應溶液中自由H+的含量，是影響電化學腐蝕的重要因素。pH 值對鋼鐵在含氧水中腐蝕的有顯著影響。高pH 值的鉆井液可以有效地抑制溶解氧等有害成分對鉆桿的腐蝕，提高鉆桿的腐蝕壽命。由腐蝕試驗結果看出，溫度由30 ℃升至60 ℃時，在不同pH 值的6%KCl 溶液、12%KCl 溶液及鉆井液介質中的鉆桿的腐蝕速率均大幅度升高，分析認為主要原因是隨著溫度的上升，鉆桿腐蝕電化學反應的速度加快，從而加速了鉆桿的腐蝕[5]。

從各組腐蝕試樣中取典型試樣，清洗后采用掃描電子顯微鏡分析試樣表面腐蝕形貌特征發現，兩種鉆桿材料在泥漿中的腐蝕較輕，表面依稀可見腐蝕前的原始形貌，KCl 溶液中的腐蝕膜較為疏松，出現明顯的龜裂和脫落形貌，60 ℃條件下的腐蝕磨厚度明顯較30 ℃條件下的腐蝕膜厚且疏松，12%KCl 溶液中的試樣的點蝕程度最為嚴重。

5 結論

（1）S135 鉆桿在含氯離子環境中發生的腐蝕主要為氧腐蝕，環境介質中氯離子的存在促進了腐蝕的進行，2 種S135 鉆桿材料的腐蝕性能相近。

（2）鉆井液中的有機添加劑在一定程度上減緩了腐蝕的發生，現場使用的鉆井液對于鉆桿的腐蝕速率略低于KCl 溶液。

（3）隨著pH 值的增加，鉆桿的腐蝕速率呈下降趨勢。但隨著溫度、氯離子濃度的升高，鉆桿的腐蝕速率顯著增加。