某G105 鉆桿管體刺穿失效原因分析

趙金蘭， 李京川， 王 康， 瞿婷婷， 仝 柯

（1. 中國石油集團石油管工程技術研究院， 西安710077；2. 西安杰恩特機電科技有限公司， 西安710077）

1 情況概述

某井設計井深8 291.65 m， 垂深7 681 m，井型為水平井。 鉆進至井深6 812 m 時， 發現泵壓逐漸下降， 此時鉆進參數為： 懸重234 t， 排量26 L/s， 泵壓20 MPa， 鉆壓6 t， 轉速50 r/min。1 h 內泵壓由20 MPa 逐漸下降至17 MPa， 期間檢查地面循環管線無刺漏后決定起鉆檢查鉆具，次日起鉆至井深2 047 m， 檢查發現Φ127 mm×9.19 mm G105 鉆桿刺漏， 刺漏位置距內螺紋接頭端約700 mm， 刺痕尺寸約為50 mm×10 mm。

G105 鉆桿失效位置及形貌如圖1 所示， 由圖1 可見， 鉆桿外表面呈黃褐色， 刺孔位于管體正常壁厚處， 距墩粗區約350 mm， 刺穿孔洞呈不規則的偏長型， 長度方向沿鉆桿的環向， 與管體軸線垂直， 刺穿孔洞處粗糙不光滑。 鉆桿外表面腐蝕坑宏觀形貌如圖2 所示， 刺孔橫向尺寸約50 mm， 縱向尺寸10 mm， 刺孔附近外表面可見明顯的腐蝕坑及裂紋， 裂紋與管體軸線垂直， 為周向裂紋， 且穿透壁厚， 管體外壁腐蝕坑較多， 大小深淺不一。

圖1 鉆桿刺穿位置及失效樣品宏觀形貌

以鉆桿刺孔橫向位置為中軸線， 左右各取40 mm， 切一段環， 對半剖開， 觀察其內壁刺孔形貌， 如圖3 所示。 刺穿孔洞呈不規則的扁長型， 內表面有防腐涂層， 未見腐蝕坑， 除刺穿孔洞部位， 其余完好。

圖2 鉆桿外表面腐蝕坑尺寸及宏觀形貌

圖3 鉆桿刺穿孔洞內表面宏觀形貌

2 試驗方法和結果

2.1 化學成分分析

從刺穿鉆桿樣品上取樣， 依據ASTM A751-14a， 采用ARL 4460 直讀光譜儀對鉆桿管體進行化學成分分析， 其結果見表1。 分析結果表明， 失效鉆桿的化學成分符合API SPEC 5DP—2009 標準的要求。

表1 鉆桿管體化學成分分析結果 %

2.2 力學性能檢測

從刺穿鉆桿正常壁厚處， 分別沿縱向取拉伸試樣和沖擊試樣進行力學性能試驗。 板狀拉伸試樣的規格是寬25.4 mm、 標距50 mm， 夏比V 形缺口沖擊試樣的規格為7.5 mm×10 mm×55 mm。按ASTM A370-18 試驗方法進行縱向拉伸及夏比沖擊試驗， 拉伸試驗為常溫拉伸， 沖擊試驗溫度23℃， 試驗結果見表2。 試驗結果表明， 失效鉆桿的力學性能符合API SPEC 5DP—2009 標準的要求。

表2 失效鉆桿力學性能試驗結果

2.3 金相分析

從鉆桿刺孔附近取樣， 取樣位置如圖4 所示。 1#試樣進行裂紋尖端分析， 2#試樣進行裂紋斷口分析， 3#試樣進行腐蝕坑分析。 依據ASTM E3-11 （2017）、 ASTM E45 -18a 及ASTM E112-13， 采用激光共聚焦金相顯微鏡及圖像分析系統對失效鉆桿的裂紋、 顯微組織、 晶粒度及非金屬夾雜物進行分析。

圖4 鉆桿刺孔附近金相分析取樣位置

試樣的非金屬夾雜物均為A0.5、 B0.5、 D0.5，晶粒度為9.0 級。 1#試樣腐蝕坑裂紋金相組織形貌如圖5 所示。 1#試樣截面可見1 條貫穿裂紋， 裂紋與內表面深坑貫通， 裂紋一側有分叉， 周圍組織為回火索氏體。 外表面可見3 條非貫穿裂紋及腐蝕坑， 裂紋最大深度2.4 mm， 腐蝕坑底及裂紋內有灰色腐蝕產物， 裂紋周圍組織為回火索氏體。 2#試樣裂紋金相組織形貌如圖6 所示。 2#試樣可見多處深淺不一的沖蝕性腐蝕坑， 腐蝕坑由外向內穿孔。3#試樣裂紋金相組織形貌如圖7 所示。 圖7 中試樣外表面可見腐蝕坑， 坑底可見裂紋沿壁厚方向擴展， 最大深度0.8 mm， 腐蝕坑內及裂紋內有灰色腐蝕產物， 裂紋周圍組織為回火索氏體， 裂紋尖端局部呈沿晶特征。

失效鉆桿試樣的金相分析表明， 在鉆桿外壁表面可見明顯腐蝕坑， 多處腐蝕坑底有裂紋產生， 嚴重處裂紋向內表面擴展貫通， 產生穿孔， 穿孔處可見深淺不一的腐蝕凹坑， 且沖蝕嚴重。 多處裂紋一側有分叉， 裂紋尖端局部呈沿晶特征 （見圖7 （c））。 坑內局部及裂紋內可見灰色非金屬物質， 周圍組織為回火索氏體組織。

圖5 1#試樣腐蝕坑裂紋處金相組織形貌

圖6 2#試樣裂紋側面立體圖像及內表面穿孔形貌

圖7 3#試樣裂紋處金相組織形貌

2.4 腐蝕產物能譜分析

采用TESCAN VEGA II 掃描電子顯微鏡及其附帶的XFORD INCA350 能譜分析儀， 對1#試樣和2#試樣腐蝕坑、 裂紋內灰色非金屬物質進一步進行能譜分析， 分析結果如圖8 和圖9 所示。 從圖8 和圖9 分析結果可以看出， 1#試樣和2#試樣腐蝕產物主要成分為Fe、 C、 O、 Cl、 K和Mn。

圖8 1#試樣裂紋能譜分析結果

圖9 2#試樣腐蝕坑能譜分析結果

3 結果分析與討論

Φ127 mm×9.19 mm G105 鉆桿失效試樣的化學成分和力學性能符合API SPEC 5DP—2009 標準的要求。 從宏觀形貌看， 失效鉆桿被刺穿， 鉆桿外表面， 尤其是斷口附近存在大量的腐蝕坑，斷口源區的裂紋起源于外表面的腐蝕坑， 腐蝕坑深淺不一， 腐蝕坑底產生的裂紋貫穿鉆桿內壁，裂紋長度沿周向及徑向擴展。 由于斷面的擠壓和高壓鉆井液的沖蝕， 源區裂紋擴展面已觀察不到斷面的原始形貌。 從金相組織形貌看， 鉆桿外表面存在起源于腐蝕坑底的裂紋， 以及與孔洞型裂紋相似的深挖孔洞型腐蝕坑。 這些裂紋均是起源于鉆桿外表面的腐蝕坑底， 且多處裂紋一側有分叉， 產生次生裂紋， 具有腐蝕疲勞斷裂特征。 裂紋兩側以及鉆桿外表面的金相組織與基體組織相同， 為晶粒度9.0 級的回火索氏體組織。 基體組織檢測結果與材料韌性的檢測結果相匹配。 失效鉆桿斷口附近裂紋及腐蝕坑的能譜分析結果表明， 腐蝕產物中含有S、 Cl-、 Si、 Ca、 K、 Mn 成分。 金屬在鹵素陰離子的溶液中易發生孔蝕， 作用最強的為Cl-。 Cl-不僅能破壞管體表面的鈍化膜， 而且能促進小孔腐蝕的“深挖” 能力[1]。

腐蝕坑產生的因素主要與鉆桿的使用環境有關， 有兩方面因素[2]： 一方面由于鉆桿在使用旋轉過程中與周圍環境中的土壤存在摩擦磨損， 必然會產生因磨損所致的麻點、 蝕坑； 另一方面，鉆桿在鉆井使用過程中， 鉆桿內壁的泥漿會溢出、 濺出， 外壁部分會濺上泥漿， 該鉆井液泥漿中存在Cl-， 蝕坑便會繼續發展， 在外加應力作用下， 腐蝕坑底部產生疲勞裂紋， 而裂紋一旦萌生， 則鉆桿的疲勞壽命絕大部分已經喪生， 其裂紋擴展很快就會穿透壁厚， 最終導致鉆桿刺穿失效。

失效鉆桿刺孔位于管體正常壁厚處， 距離墩粗區約350 mm。 根據力學分析， 在承受彎曲時，由于結構剛度原因， 鉆桿接頭附近1 m 范圍內承受的彎曲力最大， 是最容易發生彎曲疲勞的地方。 因此， 鉆桿接頭附近1 m 范圍內承受的應力最大， 由于應力集中的關系， 所受應力較高，另外鉆桿管體比鉆桿接頭壁厚薄得多， 所以鉆桿管體腐蝕問題就更為突出， 這就使得鉆桿的使用壽命大大降低。 另一方面， 在應力集中較高處金屬的腐蝕電位較低， 因而腐蝕坑的發展速度也較本體其他部位要快一些。

鉆桿工作時， 承受拉力+扭轉+彎曲載荷產生的交變應力。 腐蝕坑底的應力集中效應[3]使鉆桿承受的局部應力變得更大， 從而在鉆桿外表面腐蝕坑底萌生疲勞裂紋[4-6]。 隨著裂紋的擴展，管體有效承載截面不斷減少， 當裂紋擴展到一定程度時， 在裂紋處于受拉張開一側時， 鉆井液中的固相顆粒或巖屑進入裂紋面； 在裂紋處于受壓閉合一側時， 進入裂紋面的固相顆粒或巖屑與裂紋面發生擠壓， 從而導致裂紋擴展面的平整和雜物的表面黏附。 當裂紋擴展穿透整個壁厚時， 高壓鉆井液從內孔刺出， 形成沖蝕， 導致管體刺穿失效。

綜合以上分析， 在交變載荷作用和Cl-作用下[7-15]， 鉆桿外表面腐蝕坑底的裂紋萌生并加速擴展， 當裂紋擴展穿透整個壁厚時， 高壓鉆井液從內孔刺出， 形成沖蝕， 導致管體失效， 這是該鉆桿腐蝕疲勞失效的根本原因。

4 結論及建議

（1） 送檢鉆桿失效樣品的化學成分、 力學性能符合API SPEC 5DP—2009 標準要求。 該鉆桿刺穿屬于交變載荷作用和Cl-作用下的腐蝕疲勞失效。

（2） 建議加強對同批鉆桿的無損探傷檢驗，避免帶腐蝕疲勞微裂紋的鉆桿下井使用。