頁巖氣井隨鉆導向工具天線腐蝕失效分析

劉 偉， 馮思恒， 簡 利， 臧 碩， 喻智明， 曾德智

(1中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2中石油川慶鉆探工程有限公司頁巖氣工程項目部 3西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室)

0 引言

近年來，我國頁巖氣勘探開發規模不斷擴大，定向井、水平井日益增多，井眼軌跡控制精度要求更加嚴格，隨鉆導向工具是水平井地質導向的關鍵[1]，它可以提供實時的高質量地層測量及評價，保障優質高效鉆井。

隨鉆導向工具的安全服役至關重要。一旦失效，不僅導致精密貴重儀器直接報廢，還極有可能使得鉆井脫靶，影響鉆井安全和鉆井周期，造成經濟損失[2]。據研究報道，目前有關鉆具失效形式集中在鉆鋌尤其是螺紋接頭斷裂失效、加重鉆桿刺穿失效等，失效原因以疲勞失效為主，同時腐蝕的存在促進了裂紋的擴展[3- 5]。而關于隨鉆導向工具的失效鮮有報道。但在西南某頁巖氣井鉆進過程中，出現了多起導向工具中的天線關鍵部件失效，嚴重影響了正常鉆進作業。

該頁巖氣井所處地層主含黃鐵礦(FeS2)，地層溫度為130～150 ℃，采用油基鉆井液(水相中含25%CaCl2，未除氧)。失效天線整體形貌如圖1所示，由圖1可知，天線壁面出現了大量麻點狀蝕坑和微裂紋，內部可明顯觀察到滲入的鉆井液等介質，天線端蓋呈金屬光澤，基本完好。為找出該井導向工具天線失效的原因，本文通過化學成分和金相組織分析、宏/微觀形貌分析、以及腐蝕評價，探討了天線的失效原因和失效機理，提出了針對性的預防措施，避免后續類似失效事故的發生。

圖1 失效天線宏觀形貌圖

1 測試項目與結果分析

1.1 化學成分分析

采用HCS- 140高頻紅外硫碳分析儀對天線材質進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知，天線材質S元素含量0.029%，由于目前沒有相應的標準規定導向工具天線材質的化學組分，可參考ISO 11960—2014《石油和天然氣工業.井套管或油管用鋼管》標準中對鋼材化學成分指標要求，S<0.01%(均為重量百分比)。天線材質S元素偏高，易增加材料的應力開裂敏感性。

表1 天線化學成分檢測結果(質量分數/%)

1.2 金相組織分析

在失效天線基體上切取試樣，經360#、600#、800#、1000#、1200#砂紙依次打磨，并用金剛石粉金相拋光劑拋光后，參照標準GB/T13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》、GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》和GB/T6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》對天線縱向截面進行金相組織分析、鋼中非金屬夾雜物檢測和評級、晶粒度評級，非金屬夾雜物如圖2所示，表面裂紋形貌如圖3所示。

圖2 非金屬夾雜物圖

金相組織分析結果如表2和圖4所示。天線外表面上有明顯的沿晶枝狀裂紋，天線含有硫化物夾雜，可加劇材料發生應力腐蝕開裂后的快速斷裂失效，天線縱向截面的晶粒度為5級，金相組織為奧氏體，部分晶體呈孿晶。

1.3 表面裂紋形貌分析

肉眼可見失效天線外壁表面有許多裂紋，如圖5(a)紅色箭頭標注所示，將天線的最外鍍層取下，對外表面裂紋進行掃描電鏡分析，如圖5(b)所示，裂紋內有外界介質形成的腐蝕物填充。

圖3 表面裂紋形貌圖(100×)

表2 金相組織分析結果

圖4 金相組織圖(200×)

圖5 外表面裂紋形貌

對天線外表面蝕坑上堆積的腐蝕物及裂紋縫隙間物質進行掃描電鏡能譜分析，分析結果如圖6所示。由能譜分析結果可知，腐蝕物中C、O含量很高，高含量的C、O應來自于有機鹽溶液，這些元素進一步加速了材料的沿晶腐蝕開裂，并且S、Cl含量也較高，說明介質中含有一定量的硫化物和氯化物類物質，此類物質易使材料產生應力腐蝕開裂[6]。

對失效天線內壁表面附著污物及外界介質滲入管體黏附在管內壁表面的物質進行掃描電鏡能譜分析，分析結果如圖7所示。由能譜分析結果可知，黏附物中C、O、Si含量很高，高含量的C、O、Si應來自于環境介質溶液，滲入到天線內壁，導致天線信號傳輸短路，加速了天線的失效。

1.4 模擬工況下的腐蝕測試

1.4.1 實驗材料

實驗材料為失效天線端蓋加工成的掛片失重測試試樣：30 mm×10 mm×3 mm尺寸的長方體試樣，設置3個平行試樣，2個用于測試腐蝕速率，1個實驗試樣用于觀察腐蝕產物膜分析。

圖6 腐蝕物微觀形貌及EDS能譜分析圖

圖7 黏附物微觀形貌及EDS能譜分析圖

1.4.2 實驗方法

實驗參照標準JB/T 6073《金屬覆蓋層實驗室全浸腐蝕試驗》進行。

(1)實驗前將試樣清洗干凈，置于下風處吹干，隨后放在干燥皿中干燥。然后用電子天平對試樣進行一次稱重，注意精度為0.1 mg，將試樣系掛在試樣架上，隨后進行實驗。

(2)將1.5 L介質為25%的CaCl2溶液(添加了適量的黃鐵礦)加入至高溫高壓釜中，密封高溫高壓釜。

(3)在溫度為120 ℃的條件下腐蝕72 h后，打開高溫高壓反應釜，取出試樣，依次用去膜液、無水乙醇和石油醚等試劑清洗試樣，并將試樣放置于下風處吹干后，置于干燥皿中干燥，然后用電子天平進行稱重，稱重時注意要稱兩次或以上，取平均值，得出失重值，通過式(1)計算腐蝕速率：

(1)

式中:RG—平均腐蝕速率，mm/a；Δm—試片腐蝕前后失重，g；ρ—碳鋼的密度，g/cm3；s—試片表面積，cm2；Δt—實驗時間，h。

1.4.3 腐蝕速率

失效天線在溫度為120 ℃條件下的腐蝕速率如表3所示，由表3可知，失效天線的腐蝕速率很小，平均腐蝕速率為0.025 7 mm/a，小于腐蝕防護控制指標，說明天線具有良好的耐電化學腐蝕性能。

表3 天線的腐蝕速率

1.4.4 腐蝕產物形貌分析

對天線的腐蝕產物膜進行掃描電鏡能譜分析，分析結果如圖8所示。由能譜分析結果可知，天線的腐蝕產物主要由Fe、C、O、S組成，表面腐蝕產物堆積較少，腐蝕產物膜相對致密，對基體有一定保護作用，結合材質元素進行分析，可說明致密的腐蝕產物膜主要是基體中Cr元素形成的鈍化膜及部分氧腐蝕產物。腐蝕產物中存在少量氯，推測氯的存在起腐蝕穿透作用，破壞了腐蝕產物膜的完整性。

1.5 腐蝕失效原因分析

對該失效天線的化學成分分析結果表明，該天線的S元素偏高，質量分數高達0.029%，說明天線本身的質量存在一定問題，在酸性環境中易發生應力腐蝕開裂，加速失效進程[7]。

對該失效天線的金相組織分析結果表明，天線縱向截面的晶粒度為5級，金相組織為回火奧氏體，部分晶體呈孿晶，孿晶會促使材料在含氯離子介質里更易發生沿晶腐蝕開裂，因此天線外表面有很多沿晶裂紋[8- 9]。天線中Cr元素的含量相當高，占總元素的19.2%，而在500～580 ℃范圍內進行長期加熱或焊接后，Cr的碳化物易從奧氏體中析出，從而弱化晶界的結合力，易使天線發生晶界腐蝕。

圖8 天線腐蝕產物微觀形貌及EDS能譜分析圖

天線壁面與端蓋焊接，且壁面很薄，約2 mm，推測天線微觀結構因焊接和熱處理過程中組織轉變不完全，易存在較高殘余應力，導致天線初始應力腐蝕開裂敏感性高，極易發生應力腐蝕開裂[10]。天線表面裂紋微觀形貌和掃描電鏡能譜分析結果表明，天線外表面上有明顯的沿晶枝狀裂紋，裂紋具有大量分枝、呈根須狀，不同于純機械應力造成的裂紋形態，裂紋內填充有一定量的腐蝕產物，對腐蝕產物進行EDS檢測，結果顯示腐蝕物元素以C、O、Fe、S為主，還含有一定量的Cl元素，推測天線產生應力腐蝕開裂從而導致失效。

天線中含有一定量的Cr元素，Cr元素形成的鈍化膜及部分氧腐蝕產物形成相對致密的腐蝕產物膜，對基體產生一定保護作用，因此天線具有良好的耐電化學腐蝕性能。但該井地層水為CaCl2型，地層水中含有大量Cl-，且所使用鉆井液中的CaCl2含量高達25%，一般認為Cl-會阻止金屬基體表面鈍化膜形成或促進鈍化膜的破壞，從而促進局部腐蝕[11- 12]。同時Cl-可以穿過FeCO3產物膜，引起天線的應力腐蝕開裂，天線在地層水氯離子溶液中的應力腐蝕開裂為陽極溶解型，由于Cl-帶負電荷，基于電價平衡其會吸附到金屬基體上并聚集在陽極溶解區，與Fe3+發生水合作用而生成可溶性的FeCl2和FeCl3，形成點蝕孔洞，伴隨陽極溶解過程陽極鈍化，在點蝕孔洞周圍重新鈍化[13]；隨后在應力作用下，點蝕坑底部的鈍化膜破壞，形成新的活性陽極區，繼續深入陽極溶解腐蝕，在應力和腐蝕的交互作用下導致裂紋萌生，且FeCl2會水解生成H+和Cl-，降低該區域的pH值，進一步加速了天線的腐蝕開裂[14- 15]。

FeCl2+2H2O→Fe(OH)2+2H++2Cl-

隨著FeCl2水解作用的不斷進行，Cl-濃度逐漸增大，更多Cl-滲透進腐蝕產物膜內，形成自催化作用，溶解腐蝕產物膜下天線基體的Fe元素，導致裂紋逐漸拓展，多處蝕孔逐漸發展，最終導致天線失效[16]。

2 結論與建議

(1)天線化學成分及金相組織分析表明，天線材質本身存在一定缺陷，S元素含量偏高，含有硫化物夾雜，易導致天線抗應力腐蝕開裂敏感性降低，建議升級天線材質，降低夾雜物含量，選擇耐點蝕性能較強的材質。

(2)天線失效的主要原因是Cl-引起的應力腐蝕開裂，由于焊接和熱處理過程中組織轉變不完全，天線初始應力腐蝕開裂敏感性高，導致極易發生應力腐蝕開裂，建議改進天線結構設計，減小應力集中，盡量避免產生較大的殘余應力。

(3)溶解氧也是發生應力腐蝕的促進因素，氧氯協同作用可引起陽極溶解型應力腐蝕開裂，形成裂紋并增加裂紋擴展的速度。建議對所用鉆井液適量除氧，并在鉆遇產層時，保持鉆井液pH值在10以上，降低Cl-的含量。