摘 要:某公司在鉆井作業時發生一根?１０１．６mm×８．３８mm G１０５鋼級鉆桿刺穿失效事故. 采用直讀光譜儀、拉伸試驗機、光學顯微鏡、掃描電鏡、能譜儀等設備對刺穿鉆桿的化學成分、力學 性能、顯微組織以及斷口等進行了分析,并且結合鉆井過程中的實際井況對鉆桿進行了刺孔腐蝕機 理分析、加厚過渡帶有限元分析.結果表明:此次鉆桿刺穿為早期腐蝕疲勞失效,疲勞裂紋起源于 鉆桿加厚過渡帶消失區域內壁的腐蝕坑底部;失效鉆桿沒有內涂層,鉆桿鉆進過程中,在交變載荷 的作用下于應力集中的加厚過渡帶消失區域腐蝕坑底部萌生腐蝕疲勞裂紋,裂紋不斷擴展最終造 成刺穿失效.最后根據此次鉆桿產生早期腐蝕疲勞裂紋的原因提出了相應的改進建議.

關鍵詞:鉆桿;刺穿;腐蝕疲勞;加厚過渡帶;內涂層;應力集中

中圖分類號:TG１４２．３３ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０９０９Ｇ０６

某 公 司 鉆 井 至 １２１５ m 左 右,發 現 鉆 壓 從 ２２MPa下降至１７MPa,起下鉆在距離井口約６４６m 的位置發現一根鉆桿發生了刺漏穿孔.刺穿鉆桿規 格為?１０１．６mm×８．３８ mm,鋼級為 G１０５,鉆桿無 防腐內涂層,在距離母接頭端部６２０mm 處發生了 刺穿.鉆井 參 數 如 下:鉆 壓 ２２．３ MPa,大 鉤 載 荷 １０kN,排量６１．２m３??h－１,轉速１２０r??min－１,扭矩 １９ kN?? m,平 均 鉆 進 速 度 ０．３m??h－１,井 深 ３６６５．９２m 處最大角度９１．９２°.為查明該鉆桿刺穿 原因,防止該類鉆具失效事故再次發生,筆者對刺穿 鉆桿進行了檢驗和分析.

１ 理化檢驗

１．１ 宏觀分析

１．１．１ 鉆桿管體尺寸測量及無損檢測

宏觀觀察可見,鉆桿管體外表面只有一處刺漏穿 孔,依據 ASTM E７０９－２０１５«磁粉探傷方法»對失效 鉆桿外表面進行磁粉探傷,未發現有其他肉眼可見的 缺陷存在,如圖１a),b)所示.刺孔距外母接頭臺肩 面的距離為６２０mm,刺孔周向長度約１５mm,軸向 最長約８mm,刺孔形貌如圖１c),d)所示.

測 量 鉆 桿 管 體 尺 寸,結 果 如 下:外 徑 約 為 １０１．８mm,壁 厚 約 為 ８．３０ mm,均 滿 足 APISpec ５DP－２００９«鉆桿規范»要求.

１．１．２ 鉆桿內壁形貌分析

將失效鉆桿沿管體縱向剖開后對加厚過渡帶尺 寸進 行 測 量,加 厚 區 外 徑 為 １０５．６ mm,壁 厚 為 １６．１mm,內錐面過渡平緩,其長度約１１６mm,滿足 APISpec５DP－２００９要求,刺孔位于加厚過渡帶消 失區域,如圖２a)所示.鉆桿內壁沒有涂層,表面黏 附大量的“鼓包”狀腐蝕產物和鉆井液殘留物,腐蝕 產物較為疏松,顏色較淺,容易剝落,剝落后的腐蝕 產物呈片狀,易碎,如圖２b)所示.去除附著物后的 鉆桿內壁形貌如圖２c)所示,可見分布有大量深淺 不一的腐蝕坑[１Ｇ２].

１．２ 力學性能測試

在失效鉆桿靠近刺孔處取?６．３５ mm、標距長 度為２５mm 的圓棒拉伸試樣(由于失效樣品長度有限,故取非標圓棒拉伸試樣),７．５ mm×１０ mm× ５５mm 的V 型缺口沖擊試樣,以及１０ mm 厚的全 壁厚 硬 度 環,按 照 ASTM A３７０－１７a 和 ASTM E２３－１６b等相關 標 準 分 別 進 行 拉 伸、沖 擊、硬 度 試驗.由表 １ 和 表 ２ 可 見,刺 穿 鉆 桿 的 各 項 拉 伸 性能以 及 沖 擊 吸 收 能 量 均 符 合 APISpec５DP－ ２００９要求.

１．３ 化學成分分析

在失效鉆桿靠近刺孔處取化學成分分析用試 樣,采用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析,結果 見表３.結果表明失效鉆桿管體的化學成分符 合 APISpec５DP－２００９技術要求.

１．４ 金相分析

依據 GB/T１３２９８－２０１５«金相顯微組織檢驗 方法»對刺穿鉆桿管體取樣進行金相檢驗.失效鉆 桿顯微組織形貌如圖３所示,為回火索氏體.根據 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»(ASTM E４５－１８) 對試樣非金屬夾雜物含量進行評定,結果為:A０．５, B１．０,C０．５,D１．０.

１．５ 點蝕坑底裂紋分析

將失效鉆桿管體內壁刺孔附近的點蝕坑剖開, 制成金相試樣進行觀察.由圖４可見,坑底存在灰 色的氧化物,大多數腐蝕坑底存在裂紋,并且沿徑向穿晶向外壁擴展,裂紋起始處較寬,裂紋兩側的顯微 組織與基體顯微組織相同,裂紋內部含有灰色物質, 具有疲勞裂紋擴展特征[３].

１．６ 斷口微觀形貌分析

將失效鉆桿刺孔采用機械的方式沿管體橫向壓 開,然后在掃描電鏡下進行觀察.斷口整體形貌見 圖５a),可見刺孔斷口表面被腐蝕產物覆蓋,同時還 可以發 現 刺 孔 邊 緣 存 在 多 個 圓 弧 狀 臺 階 面,見 圖５b),該圓弧狀臺階面由內壁向外壁呈扇形擴展, 這表明刺孔起源于鉆桿內壁,由內壁向外擴展而成.

圓弧狀臺階面為未刺穿的裂紋面,對試樣的裂紋面進行微觀形貌和能譜分析.低倍觀察裂紋面時 發現,整個裂紋擴展面平坦,有腐蝕痕跡;高倍觀察 裂紋面的腐蝕物為灰色,如圖６a)所示;在裂紋尖端 附近,由于裂紋擴展速度較快而無腐蝕物填充處可 見疲勞輝紋,如圖６b)所示.對裂紋擴展面的腐蝕 產物及 裂 紋 尖 端 內 物 質 進 行 能 譜 分 析,結 果 如圖７所示.由圖７a)可見,裂紋擴展面腐蝕產物的 主要元素成分為氧和鐵,另含有少量的碳、鉻、錳、 硅、鈉等元素.由圖７b)可見,裂紋尖端內物質的主 要元素成分為鐵,另含有少量的碳、氧、鉻、錳、硅等 元素.

上述分析結果表明,鉆桿內壁在井下的腐蝕程 度較為嚴重,且腐蝕產物主要為氧化腐蝕產物,造成 鉆桿刺 漏 的 疲 勞 裂 紋 萌 生 于 鉆 桿 內 壁 腐 蝕 坑 底 部[４Ｇ５].

２ 綜合分析

２．１ 內涂層對鉆桿疲勞壽命的影響

該鉆桿內壁無防腐涂層,鉆桿內壁腐蝕較為嚴 重,表面存在大量的腐蝕坑,這對鉆桿的疲勞壽命影 響較大.能譜分析結果表明,鉆桿在井下受到溶解 氧腐蝕.鉆桿在使用過程中,泥漿在其表面沉積結 垢,為發生垢下氧腐蝕提供了有利條件.溶解氧對 金屬表面的腐蝕主要為電化學腐蝕,在腐蝕電池中 陰極反應主要是氧的還原,垢下封閉區金屬為陽極, 陽極反應則是鐵的溶解,反應方程式如下

上述電化學反應生成的 Fe２＋ 通常很不穩定,遇 到氧時極易氧化生成 Fe(OH)３ 沉淀下來,然后部 分生成物將進一步水解成為鐵銹或羥基氧化鐵,其 反應方程式為

此外,在腐蝕產物內部,羥基氧化鐵還可以與Fe２＋ 進一步結合,形成黑色致密的 Fe３O４,并覆蓋在 金屬基體表面,阻止腐蝕性離子穿透腐蝕產物膜,反 應方程式如下

溶解氧腐蝕后常常在其表面形成許多小型鼓 泡,鼓泡表層的黃褐色和磚紅色產物可能是 Fe２O３, 次層的黑色腐蝕產物是 Fe３O４,當將這些腐蝕產物 清除后,可以看到腐蝕造成的凹坑,分析結果與刺穿 鉆桿內壁腐蝕形貌基本一致[６Ｇ７].

在防止鉆桿內壁腐蝕方面,內涂層鉆桿管體具 有很高的抗腐蝕疲勞強度和使用壽命.根據近年來 推廣應用內涂層鉆桿的經驗,由于涂層表面光滑,可 以減小表面阻力約 ５０％,使泥 漿 泵 壓 力 損 失 減 少 １０％~２５％,在泥漿、井深相同的情況下,泵壓可降 低２MPa.

此外,使用內涂層鉆桿可以減少鉆具事故的發 生,延長鉆桿的檢測周期,減少鉆桿清洗時間,延長 泥漿泵的使用壽命,減少維修費用.據統計,８５％的 內涂層鉆桿可延長使用壽命２倍,６５％的內涂層鉆 桿可延長使用壽命３倍.非內涂層的鉆桿在鉆井過 程中,鉆桿除了要長期經受拉、壓、扭、彎曲、振動、水 力載荷等交變應力及動載的作用外,同時還要經受 鉆井泥漿中溶解氧、二氧化碳、硫化氫和其他腐蝕介 質以及地層中的氯化物、碳酸鹽介質的作用,這些因 素均會對鉆桿造成嚴重的腐蝕[８].

２．２ 鉆井轉速對鉆桿疲勞壽命的影響

失效鉆桿在井下轉速為１２０r??min－１,鉆桿轉速 越高,在井下彎曲幅度就越大,受到的旋轉彎曲應力 也會相應增大,鉆桿發生疲勞失效的概率就越高. 高轉速會增大鉆柱的離心力,使鉆柱受到額外的彎 曲應力;高轉速還會產生劇烈的震動載荷,尤其在井 身結構存在嚴重“狗腿度”的井段,會使鉆柱受到嚴 重的損害;高轉速還會使鉆柱產生極大的慣性矩和 動能,一旦發生卡鉆和蹩鉆,就會使鉆柱承受異常大 的載荷,導致鉆柱受力條件惡化;高轉速還會使鉆柱 所受的復合應力增大,導致疲勞裂紋萌生和擴展速 度加快,最終使鉆桿刺穿[９].在條件允許的情況下, 可采用螺桿等井下動力鉆具鉆進,適當降低轉盤轉 速,提高鉆桿的使用壽命.

２．３ 加厚過渡帶區域應力集中對鉆桿疲勞壽命的 影響

刺孔位于失效鉆桿加厚過渡帶消失區域,并且 從內壁向外壁擴展而形成.鉆桿加厚過渡帶消失區 域為應力集中點.在鉆井作業時,該區域腐蝕坑底部的應力集中會更加明顯,并且比鉆桿管體其他區 域腐蝕坑底部的應力要大.因此,在交變應力作用 下,加厚過渡帶消失區域腐蝕坑底部會優先萌生疲 勞裂紋.裂紋一旦產生,應力集中現象就會更加明 顯,裂紋不斷延伸直至刺穿鉆桿.

采用有限元分析軟件建立失效鉆桿加厚過渡帶 區域的三維力學模型,分析在軸向拉力、彎矩和扭矩 復合載荷作用下過渡帶區域的受力特征.分析模型 的過渡帶區域使用精細網格,其余區域采用相對稀 疏的網格.應力分析邊界條件為:１０６１kN 軸向拉 力(等效于６０％名義屈服應力)、２１６０N??m 彎矩和 ２０kN??m 扭矩.圖８為刺穿鉆桿加厚過渡帶區域的 VonＧMises應力分布云圖,可見在復合載荷作用下, 受拉側加厚過渡帶消失區域出現應力峰值,與鉆桿 刺穿區域相對應.

鉆具在井下受到的應力是比較復雜的,有限元 分析主要將應力集中區域表現出來,應力集中區域 復合載荷應力是最大的,這里主要還是考慮彎曲應 力的作用,因為根據裂紋擴展方向,彎曲應力才是導 致其萌生、擴展的主要原因.眾所周知,鉆桿加厚過 渡帶區域是一個比較薄弱的區域,在過渡帶消失區 域應力集中較為明顯,之前的一些文獻和研究都已 經證實了這個問題.因為該鉆桿無防腐涂層,鉆桿 內表面很容易被腐蝕,對于一般的金屬,表面被腐蝕 后會形成一層鈍化膜,阻緩腐蝕的進一步加深,但是在加厚過渡帶區域,因為應力集中較為明顯,該區域 有可能彎曲幅度較大,氧化膜很可能會破裂,導致鉆 桿基體與泥漿接觸,腐蝕進一步加深,周而復始,發 生刺穿失效.

３ 結論及建議

此次鉆桿刺穿為早期腐蝕疲勞失效,疲勞裂紋 起源于鉆桿加厚過渡帶消失區域內壁的腐蝕坑底 部;鉆桿鉆進過程中,在交變載荷的作用下加厚過渡 帶消失區域由于應力集中而在腐蝕坑底部萌生腐蝕 疲勞裂紋,裂紋不斷擴展最終造成鉆桿刺穿失效.

建議采用內涂層鉆桿,可以有效避免鉆桿基體 與井下介質的直接接觸,防止鉆桿內壁腐蝕,提高鉆 桿的疲勞壽命;適當降低鉆桿轉速,減小鉆桿承受的 旋轉彎曲應力,也可以提高鉆桿的使用壽命.

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文章來源——材料與測試網