鉆桿刺漏實驗與分析

關慶齡，朱曉輝，李 春，劉哲旭

（中海油田服務股份有限公司，河北三河 065200）

近年來，海上鉆井鉆具刺漏數量發生率較多，鉆具刺漏約占鉆具失效總數的90.5%。鉆具服役環境比較惡劣，受力狀態十分復雜，主要包括扭轉、彎曲、拉壓載荷，同時還受到環境介質的影響，如鉆井液、H2S、CO2、溫度、壓力等。長期以來，鉆具失效統計及分析結果表明，油田鉆具損壞的主要形式包括：斷裂失效、刺漏失效、腐蝕失效、磨損、變形過量。鉆具刺漏常發生在鉆桿刺漏發生在母接頭側管體，距母扣端約0.5～0.7m，位于鉆桿加厚過渡帶區域；加重鉆桿主要為螺紋刺漏。近十年來，海上鉆井鉆具失效主要以鉆桿加厚過渡帶區域刺漏為主要失效形式。根據鉆桿的刺漏部位，可將刺漏失效分為鉆桿管體加厚過渡帶區域刺漏、鉆桿焊縫刺漏、鉆桿接頭刺漏。

1 海上鉆井平臺鉆具刺漏情況簡介

根據海上鉆井平臺刺漏失效統計，在公接頭端加厚過渡帶處刺漏約占26.3%，在母接頭端加厚過渡帶處刺漏約占47.4%，本體刺漏約占13.2%，接頭刺漏約占13.2%。鉆具刺漏主要以加厚過渡帶消失區域及卡瓦咬傷區域為主，約占刺漏失效總數的73.7%。

分析鉆具失效最多的井位，發現鉆桿發生刺漏主要位于事故井的造斜點附近，且造斜點附近狗腿度較大。有些甚至達到3°/30m。此外有些在轉盤附近發生刺漏失效，這可能與鉆井平臺的搖擺或顛簸有關。鉆井平臺在搖擺或顛簸運動的時候，鉆柱的上端不是垂直的，而轉盤下面一些距離處的鉆桿仍然是垂直，因而鉆柱是彎曲的。因為鉆桿比方鉆桿剛度要小得多，大多數彎曲發生在方鉆桿下面的第一根鉆桿上。轉盤附近鉆桿容易由于彎曲疲勞發生刺漏。

2 刺漏類型

2.1 鉆桿加厚過渡帶區域刺漏

2.1.1 鉆桿刺穿機理及過程

鉆桿內加厚過渡帶位置刺漏是最常見的形式，根據統計，約占鉆具失效的70%。刺穿機理及過程為：鉆桿內壁涂層破壞后發生腐蝕，形成腐蝕坑，由于應力集中，腐蝕疲勞裂紋萌生，裂紋擴展并穿透壁厚，泥漿從內向外刺穿沖蝕，形成刺孔。大多數鉆桿內加厚過帶位置刺漏的疲勞裂紋起源于內表面，少數鉆桿內加厚位置刺穿其疲勞裂紋起源于外表面缺陷處（如卡瓦咬痕、腐蝕、磨損等）。

2.1.2 表現形式

鉆桿加厚過渡帶刺漏區域一般為距母接頭密封面約0.5～0.7m 處，刺孔沿周向呈圓形或橢圓形分布，見圖1。將斷口打開，刺孔附近出現疲勞裂紋擴展的扇形平臺時（裂紋尺寸不超過半個圓周），根據原始裂紋平面扇形圓弧可判斷裂紋起源。扇形圓弧朝向外壁，裂紋平面呈內寬外窄形貌，可認為裂紋起源于內壁；但扇形圓弧指向內壁時（內窄外寬），認為裂紋起源于外壁。如果原始疲勞裂紋平面未完全破壞，可在裂紋擴展扇形前沿觀察到疲勞輝紋。

2.2 鉆桿焊縫區域刺漏

2.2.1 鉆桿焊縫刺穿機理

鉆桿焊區厚度約為管體壁厚的2倍，焊縫出現刺漏主要為焊接灰斑導致。鉆桿摩擦對焊一般不會產生大面積的灰斑，但由于焊接前端面質量控制不嚴、焊接縮短量不足、頂鍛速度較慢都可能引起焊接灰斑缺陷。

2.2.2 表現形式

鉆桿刺漏刺孔發生在摩擦對焊焊縫上，大小不規則，將刺孔壓開后，發現刺孔周圍斷面平整，平斑區顯微形貌呈淺、平韌窩形貌，見圖2。宏觀形貌觀察結果表明，兩段樣品刺孔均位于加厚過渡帶消失區域，且裂紋起源于內壁；鉆桿內涂層噴涂不均勻，存在起泡、脫落現象。

3 刺漏試驗

3.1 案例背景

選取某刺漏鉆具做實驗分析。目標井位東海某井井型為定向井，設計井深為4788m，作業區水深為88.88m，鉆進時鉆桿平均轉速約為77～81r/min。分析樣品為兩段刺漏的S135鉆桿樣品，刺漏位置均為內螺紋接頭端加厚過渡帶消失區域。見圖3。鉆桿規格為?127mm×9.19mm，加厚形式為內加厚。

3.2 理化性能檢驗

3.2.1 化學成分分析

分別在樣品刺孔周圍取樣，采用直讀光譜儀按照ASTM E415-08 標準進行化學成分分析，結果表明兩段失效樣品化學成分均符合API Spec 5DP-2009標準對鉆桿管體的要求。

3.2.2 拉伸及沖擊性能

按照ASTM A370 標準分別在樣品刺孔附近取板狀拉伸試樣和7.5mm×10mm×55mm 沖擊試樣，在室溫下進行試驗，結果表明，失效樣品的屈服強度、抗拉強度、延伸率和沖擊功均符合API Spec 5DP-2009 標準要求。見表1。

表1 失效樣品拉伸及沖擊性能結果

3.2.3 洛氏硬度

在刺孔附近取環狀試樣，按照ASTM A370 進行洛氏硬度試驗，結果表明，失效樣品刺孔附近的洛氏硬度較為均勻，且平均不大于37HRC。

3.2.4 金相組織分析

分別在樣品刺孔附近涂層起泡處取金相試樣，觀察發現涂層底部已形成腐蝕坑。沿橫向取金相試樣，進行顯微組織觀察，樣品金相組織均為回火索氏體。沿縱向取金相試樣進行非金屬夾雜物評級，組織中夾雜物含量均在正常范圍之內。見表2。

表2 鋼中非金屬夾雜物評級結果

3.2.5 微觀分析

刺孔斷口均為泥漿沖刷痕跡，原始裂紋面均已受到破壞。采用掃描電子顯微鏡觀察樣品刺孔附近原始裂紋面形貌，主要為泥漿腐蝕形貌，原始裂紋形成后，泥漿滲入裂紋中而形成。見圖4。

4 刺漏分析結論

（1）失效鉆桿樣品理化性能均符合API Spec 5DP-2009標準要求。

（2）即便鉆桿材質有瑕疵，因刺漏發生后局部材質缺失，也較難通過實驗室手段檢測到材質缺陷。

（3）鉆桿內涂層噴涂質量佳，厚度均勻，內加厚過渡區平緩、整體面光滑平整度能更好地減少刺漏發生。

（4）井段“狗腿度”過大，導致鉆桿更容易刺漏失效。