鉆桿加厚過渡區(qū)刺漏可靠性分析

劉賢文 ，馬金山 ，姚 航 ，魏立明 ，齊金濤，古新文

1.中國(guó)石油渤海鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)公司 （天津 300280）

2.中國(guó)石油大港油田熱電公司 （天津 300280）

隨著斜井、水平井及復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下鉆井增多,鉆桿刺漏現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。某鉆井隊(duì)在油田鉆井作業(yè)過程中，連續(xù)發(fā)生多起鉆桿加厚過渡區(qū)刺漏失效，既延誤了井隊(duì)鉆井進(jìn)程，也造成一定經(jīng)濟(jì)損失。刺漏鉆桿的服役時(shí)間較短，為了查明該鉆桿的刺漏原因，確保鉆井生產(chǎn)的安全可靠性，前往現(xiàn)場(chǎng)了解失效情況后取回失效樣品，并對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和可靠性分析[1]。

1 井況信息及分析

該井為四開定向井，最大井斜角為60.8°，設(shè)計(jì)井深5228m，造斜點(diǎn)在317m，終點(diǎn)在552m。在鉆進(jìn)井深1576m至4864m時(shí)，陸續(xù)發(fā)生了15次Φ139.7mm鉆桿刺漏失效問題，泵壓由19MPa下降至17MPa，鉆進(jìn)過程中排量穩(wěn)定，檢查地面設(shè)備無(wú)異常后，起鉆檢查鉆具，發(fā)現(xiàn)鉆桿加厚過渡區(qū)發(fā)生刺漏，15起Φ139.7mm鉆桿刺漏中，有14起是位于Φ339.7mm技術(shù)套管內(nèi) （技術(shù)套管設(shè)計(jì)井深1986 m），其中有5起是發(fā)生在造斜段內(nèi)，9起是發(fā)生在穩(wěn)斜段內(nèi)。

1.1 宏觀形貌觀察

經(jīng)測(cè)量，刺孔距離鉆桿母接頭密封端面約0.65m，處于鉆桿加厚過渡區(qū)處，刺孔外壁的口徑較內(nèi)壁大，刺孔外壁沿周向最大寬度約為25mm，沿縱向最大長(zhǎng)度約為23mm，刺孔外壁周長(zhǎng)約為92mm，鉆桿外壁腐蝕不嚴(yán)重，未見明顯腐蝕坑，刺孔在外壁的周邊形貌如圖1所示。將鉆桿沿軸向剖開，經(jīng)測(cè)量刺孔內(nèi)壁沿周向最大寬度約為19mm，沿縱向最大長(zhǎng)度約為17mm，周長(zhǎng)約為60mm。另外，失效鉆桿加厚過渡帶內(nèi)錐面長(zhǎng)度約為150mm，內(nèi)錐面消失處曲率半徑（R）約為500mm，加厚過渡帶結(jié)構(gòu)合理，過渡平緩，并無(wú)明顯的臺(tái)階面，鉆桿內(nèi)壁有幾道由于下錄井儀器碰傷使涂層脫落而留下的痕跡（圖2）。

鉆桿內(nèi)壁防腐涂層已發(fā)生起泡，部分區(qū)域的涂層已發(fā)生小面積的脫落。涂層起泡分布較為均勻，鼓泡直徑大小約在1～2mm左右。在鉆桿加厚直段上，大部分起泡的涂層經(jīng)泥漿沖蝕后，鼓泡的頂部已磨損脫落，在裸露的鉆桿本體呈均勻點(diǎn)狀分布，而在鉆桿加厚內(nèi)錐面上，相對(duì)于加厚直段涂層脫落較少，涂層起泡脫落處存在黑色腐蝕產(chǎn)物。

圖1 刺孔在外壁的周邊形貌

圖2 鉆桿內(nèi)壁刺孔及加厚過渡區(qū)形貌

1.2 實(shí)物解體分析情況

針對(duì)出現(xiàn)的鉆桿刺漏問題，從15根刺漏的鉆桿中隨機(jī)挑選出4根，有2根外觀狀況較好，2根外觀有卡瓦咬痕，進(jìn)行了切頭、解剖檢查，情況如下:

1）2根外觀較好的鉆桿，切頭后在刺漏部位或附近均發(fā)現(xiàn)有鉆桿濾清器沖蝕坑，見圖3。

圖3 鉆桿加厚區(qū)刺漏管體剖面圖

2）另2根外觀有咬痕的鉆桿，在咬痕較深部位發(fā)生了刺漏現(xiàn)象，見圖4。

圖4 鉆桿加厚區(qū)卡瓦咬傷圖

2 腐蝕產(chǎn)物分析

在刺孔附近取樣，利用掃描電子顯微鏡對(duì)鉆桿內(nèi)壁涂層起泡處（先將起泡處的涂層剝落，再對(duì)該處進(jìn)行形貌觀察）與涂層已脫落處的本體進(jìn)行微區(qū)形貌觀察與能譜分析[2]。在涂層起泡的鉆桿內(nèi)壁上，可以觀察到泥紋花樣狀的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物的成分主要為 C、O、Si、Al等一些元素， 結(jié)果見圖 5～圖 6、表1和表2。

圖5 涂層起泡處鉆桿內(nèi)壁泥紋花樣腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

圖6 涂層脫落處鉆桿內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

3 材質(zhì)分析

3.1 化學(xué)成分

在刺孔附近取樣，經(jīng)直讀光譜儀分析，元素含量均控制在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，符合API SPEC 5DP標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求,該鉆桿化學(xué)成分見表3。

表1 涂層起泡處鉆桿內(nèi)壁泥紋花樣腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

表2 涂層脫落處鉆桿內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

表3 鉆桿化學(xué)成分分析結(jié)果

3.2 機(jī)械性能

按照API SPEC 5DP標(biāo)準(zhǔn)，在失效鉆桿靠近刺孔的管體上取棒狀拉伸試樣，進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 鉆桿拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

按照API SPEC 5DP標(biāo)準(zhǔn)，在刺孔同一周向面取一組夏比V形缺口沖擊試樣 （10mm×10mm×55mm），進(jìn)行沖擊性能試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 鉆桿沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)刺穿鉆桿試樣加厚過渡帶部位橫截面洛氏硬度測(cè)定,硬度測(cè)試結(jié)果表明材料硬度值符合API SPEC 5DP標(biāo)準(zhǔn)要求規(guī)定,結(jié)果見表6。

表6 加厚部位洛氏硬度測(cè)試結(jié)果

3.3 金相分析

在鉆桿刺孔周邊取樣，在金相顯微鏡下觀察其非金屬夾雜物、晶粒度及金相組織情況。非金屬夾雜物微觀分析級(jí)別（執(zhí)照ASTME45方法A級(jí)）為1.5級(jí)夾雜物，晶粒度為8.5級(jí)，金相組織為回火索氏體，如圖7。另外，鉆桿內(nèi)壁防腐涂層起泡脫落的區(qū)域存在腐蝕坑，在一些腐蝕坑底部能發(fā)現(xiàn)若干開始萌生的疲勞裂紋，如圖8所示。

圖7 失效鉆桿基體組織

圖8 鉆桿內(nèi)壁腐蝕坑底萌生的疲勞裂紋形貌

4 鉆桿刺漏可靠性分析

4.1 鉆桿材質(zhì)因素

從所完成的理化性能的試驗(yàn)結(jié)果可知，失效鉆桿的化學(xué)成分、機(jī)械性能以及顯微組織結(jié)構(gòu)均符合API SPEC 5DP及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，且具有較高的沖擊韌性，平均沖擊功達(dá)到130J以上。因此，可以排除由于鉆桿材質(zhì)的原因而導(dǎo)致鉆桿刺漏的可能性。

4.2 鉆桿加厚過渡帶結(jié)構(gòu)尺寸

鉆桿發(fā)生刺漏的部位正好位于內(nèi)加厚過渡帶消失位置附近，這與鉆桿本身的幾何結(jié)構(gòu)尺寸有著密切關(guān)系。在加厚過渡區(qū)消失處，鉆桿壁厚發(fā)生了明顯變化，成為形狀突變點(diǎn)，易引發(fā)應(yīng)力集中，在使用中很容易發(fā)生疲勞失效[3]。

該鉆桿遠(yuǎn)大于API SPEC 5DP標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于最小內(nèi)錐面長(zhǎng)度的規(guī)定，且加厚過渡區(qū)過渡平緩，并無(wú)明顯的結(jié)構(gòu)突變處。因此，可以排除由于鉆桿加厚過渡區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸加工不合理而導(dǎo)致鉆桿刺漏的可能性。

4.3 鉆桿過渡帶受鉆桿濾清器影響

由于在鉆桿母接頭內(nèi)放入濾清器后鉆井液流向發(fā)生改變，垂直沖擊鉆桿內(nèi)壁，造成涂層剝落，在鉆桿管體內(nèi)壁形成鉆井液的沖蝕坑，坑底萌生疲勞裂紋，裂紋在沖擊和腐蝕的聯(lián)合作用下由里向外擴(kuò)展，直至穿透管壁發(fā)生刺漏。從上述發(fā)生刺漏的鉆桿可以看出，由于受到鉆井液的沖蝕,形成了嚴(yán)重的沖蝕坑后,逐步出現(xiàn)刺漏現(xiàn)象[4]。

4.4 井下工況影響

從統(tǒng)計(jì)中可以看出大部分鉆桿刺漏時(shí)的位置在造斜段與穩(wěn)斜段，此段井眼軌跡不好（出現(xiàn)狗腿），鉆具在井下工況比較惡劣,在旋轉(zhuǎn)時(shí)承受拉力、交變彎曲應(yīng)力，在此段位置上容易發(fā)生鉆桿刺漏現(xiàn)象[5]。

4.5 外壁損傷

由于鉆井隊(duì)使用卡瓦不當(dāng)及井口需要夾緊的力矩過大，在鉆桿管體上造成不同程度的咬痕，在咬痕處形成應(yīng)力集中，在外力的作用下形成缺陷，這些外部缺陷減少了鉆具的有效承載面積，在咬痕的部位造成了應(yīng)力集中，從而引發(fā)疲勞裂紋，繼而引發(fā)刺漏現(xiàn)象。

4.6 井下腐蝕介質(zhì)

鉆桿防腐涂層在服役過程中長(zhǎng)期受到一些腐蝕性介質(zhì)的作用,進(jìn)而使得與涂層相連的基體發(fā)生腐蝕，涂層與基體表層發(fā)生分離，在涂層上形成“小鼓泡”，并在鉆井液進(jìn)一步的沖蝕下造成涂層的脫落。

在鉆井液循環(huán)的過程中，鉆桿內(nèi)壁與鉆井液之間形成了“大陰極、小陽(yáng)極”腐蝕形態(tài)，該腐蝕形態(tài)為局部腐蝕，腐蝕只能縱向深入，造成具有局部性的孔蝕，使得涂層脫落處的腐蝕加速。

4.7 綜合分析

造成本次Φ139.7mm鉆桿刺漏的原因主要是:一是使用了濾清器造成鉆桿內(nèi)壁沖蝕；二是刺漏處井眼軌跡不好增加了彎曲應(yīng)力；三是卡瓦對(duì)鉆桿管體咬傷而引發(fā)疲勞裂紋。

當(dāng)鉆桿不斷受到上述綜合影響，在內(nèi)加厚過渡區(qū)消失處形成腐蝕坑及沖蝕坑，并在坑底萌生腐蝕疲勞裂紋,隨著裂紋逐步擴(kuò)展，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展穿透鉆桿壁厚，高壓泥漿刺漏，最終形成鉆桿刺穿孔洞。

疲勞裂紋源會(huì)在受應(yīng)力最大 (彎曲最大處的鉆桿外表面)處，特別是表面缺陷(卡瓦咬傷)處形成并逐步擴(kuò)展,當(dāng)裂紋擴(kuò)展至鉆桿內(nèi)壁附近時(shí)，使裂紋處受到鉆井液強(qiáng)力沖刷而快速擴(kuò)大，導(dǎo)致鉆桿發(fā)生刺漏失效。

5 結(jié)論與建議

1）失效鉆桿的化學(xué)成分，理化性能均符合API SPEC 5DP標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）鉆桿的刺漏原因是由于鉆桿內(nèi)壁沖蝕的腐蝕坑底部萌生的裂紋導(dǎo)致的沖蝕疲勞失效和卡瓦損傷引起的裂紋導(dǎo)致的疲勞失效。

3）鉆桿的防腐內(nèi)涂層由于長(zhǎng)期受地層腐蝕介質(zhì)影響造成涂層起泡脫落是導(dǎo)致鉆桿發(fā)生刺漏的原因之一。

4）建議對(duì)防腐涂層起泡的鉆桿重新進(jìn)行涂層的噴涂，并在下井之前對(duì)鉆桿進(jìn)行無(wú)損探傷，避免已有裂紋萌生的鉆桿繼續(xù)服役。

5）建議進(jìn)一步研究位于斜井段交變彎曲應(yīng)力對(duì)鉆具失效的具體影響，提出相應(yīng)的改善措施，以提高鉆具的使用壽命。

6）建議為了防止濾清器對(duì)鉆桿沖蝕的影響，可以在方鉆桿下部的防保接頭內(nèi)放置濾清器，對(duì)于頂驅(qū)鉆機(jī)在水龍帶與水龍頭之間連接的專用短節(jié)里放置濾清器，以解決鉆桿加厚過渡區(qū)刺漏失效的發(fā)生。

[1]李鶴林，李平全，馮耀榮.石油鉆柱失效分析及預(yù)防[M].北京:石油工業(yè)出版社,1999.

[2]鄺獻(xiàn)任，胡芳婷，王新虎.一例Φ127mm×9.19mm鉆桿刺穿失效分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005，34（3）:62-64.

[3]汪麗君，彭成勇，張迎進(jìn).鉆桿內(nèi)加厚過渡區(qū)參數(shù)優(yōu)化[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006，35（6）:79-80.

[4]余世杰，袁鵬斌，龔丹梅，等.S135鉆桿刺漏原因分析[J].2011，36(S1):173-177.

[5]趙金，楊碧玉，崔順賢，等.某S135鉆桿腐蝕穿孔失效分析[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2011，27（7）:5-7.