某鉆井工具探管開裂原因

韓舒婷,史盈鴿,許培林

(西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司,西安 710065)

旋轉導向鉆井技術主要以隨鉆測量技術和井下控制技術為基礎,通過靠近鉆頭的導向執行機構,使鉆柱在旋轉的同時改變工具的方位和井斜,從而達到導向鉆井的目的[1]。

某鉆井平臺隨鉆測量工具中,用于鉆桿內部測量的短節單位探管發生橫向開裂現象,采用宏觀觀察、化學成分分析、硬度測試、金相檢驗、掃描電鏡(SEM)和能譜分析等方法對探管的開裂原因進行分析,以防止該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

某探管試樣總長為920 mm,外徑為45.24 mm,內螺紋鏜孔直徑為39.14 mm。探管試樣宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:探管外側均勻分布著細小的橫向裂紋。

圖1 探管試樣宏觀形貌

探管外壁宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知:裂紋處存在小的腐蝕坑,最長的裂紋長度約為10 mm。為分析裂紋產生的原因,在圖2中兩處方框位置分別取樣,分別編號為1-1和1-2。

圖2 探管外壁宏觀形貌

用鉗子等工具在試樣1-2上的裂紋處截斷,斷口宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知:斷裂源于外壁腐蝕坑位置,呈弧形向材料內部擴展,斷口表面褐色、棕黃色的腐蝕產物覆蓋區域為斷面打開前已經存在的原始裂紋缺陷,亮灰色新鮮斷裂區域為裂紋擴展區。

圖3 試樣1-2裂紋處斷口宏觀形貌

1.2 化學成分分析

采用直讀光譜儀對試樣的化學成分進行分析,結果如表1所示。由表1可知: 該探管的化學成分滿足技術要求。

表1 探管試樣的化學成分分析結果 %

1.3 硬度測試

整個探管外壁均存在裂紋,無法對其進行拉伸試驗及沖擊試驗,故僅對探管進行洛氏硬度測試,結果如表2所示。由表2可知:探管的硬度為35.9～37.8 HRC,滿足技術要求。

表2 洛氏硬度測試結果 HRC

1.4 金相檢驗

在該探管上截取試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察。探管的顯微組織為奧氏體,形貌如圖4所示。對試樣的顯微組織進行非金屬夾雜物和晶粒度評級,結果如表3所示。

表3 探管試樣非金屬夾雜物和晶粒度評級結果 級

圖4 探管試樣顯微組織形貌

垂直于試樣1-1裂紋方向截取試樣,將試樣磨拋后置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖5所示。試樣1-1被腐蝕后的微觀形貌如圖6所示。由圖5～6可知:裂紋起源于外壁腐蝕坑,腐蝕坑深度約為50 μm,裂紋呈樹枝狀向內壁擴展,裂紋呈穿晶方式擴展。

圖5 試樣1-1裂紋微觀形貌

圖6 試樣1-1被腐蝕后的微觀形貌

1.5 掃描電鏡和能譜分析

對試樣的斷口表面進行清洗,再將斷口置于掃描電子顯微鏡下觀察,結果如圖7所示。由圖7可知:清洗后的斷口表面仍然覆蓋著黑色的腐蝕產物,且斷裂源區(腐蝕坑處)聚集較多的腐蝕產物,這些產物呈黑色的龜裂狀形貌;斷裂源區和擴展區的SEM 形貌均呈解理花樣特征。

圖7 試樣斷口SEM 形貌

對缺陷試樣進行能譜分析,結果如圖8所示。由圖8可知:斷口表面腐蝕產物中含有大量的Cl元素。

圖8 試樣斷口表面能譜分析位置和能譜圖

2 綜合分析

由理化檢驗結果可知:在裂紋處截斷試樣后,發現裂紋起源于外壁腐蝕坑,裂紋呈弧形并向材料內部擴展,斷口表面褐色、棕黃色的腐蝕產物覆蓋區域存在斷面打開前已經存在的原始裂紋缺陷,裂紋以穿晶方式向內擴展,裂紋處腐蝕產物中含有大量Cl元素。

應力腐蝕斷裂是材料、應力和腐蝕環境三者共同作用的結果。應力腐蝕中材料種類和環境介質有固定匹配的特征。該探管材料為奧氏體不銹鋼,奧氏體不銹鋼在含氧、氯離子的溶液中容易發生應力腐蝕開裂[2-3]。根據現場提供的資料,該鉆井平臺泥漿中氯離子的含量較高,且該探管是安裝在無磁加重鉆桿內部,用來測量短節單元的工具,泥漿流經探管與加重鉆桿之間,直接與探管外壁接觸。顯然,在當時的井下特定環境下,氯離子為探管外壁應力腐蝕提供了腐蝕環境,是發生應力腐蝕的主要原因之一。

該探管外壁裂紋處均存在腐蝕坑,腐蝕坑處具有更高的氯離子濃度,加速了局部腐蝕。腐蝕坑的形成可能與材料中的夾雜物、碳化物、δ鐵素體、晶界的冶金不均勻性等因素有關[4-5]。

該探管在鉆井作業過程中承受壓應力和彎曲應力,這些應力產生的軸向分量構成其應力腐蝕的力學條件。在腐蝕環境、應力以及材料的聯合作用下,探管發生氯化物應力腐蝕開裂。

3 結論

探管外壁裂紋產生的機制為氯化物應力腐蝕開裂。探管外壁產生裂紋的主要原因為:服役過程中,泥漿沖刷探管外壁,且泥漿中氯離子含量較高。井下的特定環境為探管應力腐蝕提供了腐蝕環境,是產生應力腐蝕的主要原因之一;探管在鉆進過程中會承受壓應力和彎曲應力,這些應力產生的軸向分量為應力腐蝕開裂提供了力學條件。