某S135 鉆桿管體縱裂失效分析

宋 娟 路彩虹 馬小芳 朱麗霞

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

鉆桿是用于傳遞動力、輸送泥漿的主要工具。鉆桿常處于交變應(yīng)力并且在與井壁摩擦碰撞的復(fù)雜工況下工作，是整個鉆井設(shè)備與工具中最薄弱的環(huán)節(jié)。近年來，隨著天然氣資源的勘探與開發(fā)，一些高含硫化氫的天然氣氣田正在不斷被發(fā)現(xiàn)和開發(fā)，鉆具的使用環(huán)境更加惡劣，鉆桿在含硫化氫環(huán)境中使用發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂的失效事故經(jīng)常發(fā)生，事故造成鉆井成本增加，也影響安全快速鉆井。因此對鉆桿進(jìn)行失效原因分析，查明失效原因，對避免鉆井事故的發(fā)生有重要意義。

1 樣品概況

文中樣品為山東某鉆采機械公司的一件88.9 mm(3 1/2 in)S135 鉆桿管體縱向爆裂失效試樣。失效樣品為現(xiàn)場使用過程中發(fā)生的縱裂，縱向爆裂的管體試樣宏觀形貌如圖1 所示;將縱向裂紋打開，可見裂紋面比較平整，脆性開裂特征明顯，在裂紋面上可見明顯的暗黑色和暗紅色腐蝕產(chǎn)物，如圖2 所示。根據(jù)裂紋面的宏觀形貌，可以判定裂紋起源于管體外壁。據(jù)委托方提供的信息，在出現(xiàn)鉆桿縱向開裂后，對同批服役的鉆桿進(jìn)行水壓試驗，發(fā)現(xiàn)有8 根鉆桿發(fā)生類似縱向爆裂，水壓試驗鉆桿縱裂形貌如圖3 所示。

圖1 失效鉆桿宏觀形貌圖

圖2 裂紋面形貌

2 理化性能分析

2.1 化學(xué)成分分析

圖3 鉆桿水壓試驗縱裂形貌

在失效鉆桿上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，用Baird Spectrovac2000 型直讀光譜儀和LECO CS -444 紅外碳硫分析儀對其進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。分析結(jié)果表明，該失效鉆桿的化學(xué)成分滿足API Spec 5DP［1］與SY/T 5561［2］標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 力學(xué)性能測試

從失效鉆桿上取全壁厚縱向板狀拉伸試樣，縱向夏比V 型缺口沖擊試樣和硬度試樣，分別在SHT4106 材料試驗機，PIT752D-2 沖擊試驗機，HR -150D 洛氏硬度機上進(jìn)行拉伸、沖擊及硬度試驗，結(jié)果見表2 和表3。分析結(jié)果表明，該失效鉆桿材料的力學(xué)性能均符合API Spec 5DP［1］與SY/T 5561［2］標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 失效鉆桿化學(xué)成分分析結(jié)果 (Wt%)

表2 力學(xué)性能分析結(jié)果

表3 鉆桿管體硬度試驗結(jié)果

3 斷口微觀分析

3.1 金相分析

在失效鉆桿裂紋區(qū)取金相樣品，在Leica MEF4M 金相顯微鏡上對裂紋周圍及裂紋尖端進(jìn)行金相分析，結(jié)果見表4，金相組織如圖4 ～圖6 所示。

表4 金相分析檢測結(jié)果

3.2 掃描電鏡及能譜分析

圖4 鉆桿管體組織

圖5 裂紋面組織

圖6 裂紋尖端組織特征

對裂紋面進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析。低倍下可以看到裂紋面顏色較暗，“人字紋”走向均指向外表面，表明該裂紋起源于外表面，為多源裂紋，如圖7 所示。源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)都被腐蝕產(chǎn)物均勻覆蓋，對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)存在O，S，Cl 等元素，如圖8、圖9 所示。裂紋面經(jīng)過反復(fù)清洗后，在源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)局部腐蝕產(chǎn)物脫落處均有沿晶形貌，如圖10、圖11 所示。

4 綜合分析

失效鉆桿的的化學(xué)成分、金相組織及力學(xué)性能檢測結(jié)果均符合API Spec 5DP［1］和SY/T 5561［2］標(biāo)準(zhǔn)要求。

失效鉆桿裂紋面平整，脆性開裂特征明顯，裂紋源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)顏色較暗，腐蝕嚴(yán)重，能譜分析表明腐蝕產(chǎn)物中含S，Cl 元素，在裂紋源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)局部腐蝕產(chǎn)物脫落處的裂紋面呈沿晶形貌。研究表明硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂斷口一般為脆性斷裂，裂紋源及穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)呈灰黑色，可發(fā)現(xiàn)覆蓋的腐蝕產(chǎn)物［3］。裂紋面宏觀和微觀分析結(jié)果表明，該鉆桿管體縱向裂紋符合硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂斷口特征。

圖7 低倍下裂紋面形貌

圖8 腐蝕產(chǎn)物形貌

圖9 腐蝕產(chǎn)物能譜分析譜線

圖10 裂紋面源區(qū)局部沿晶形貌

圖11 裂紋面擴(kuò)展區(qū)局部沿晶形貌

在鉆井過程中，鉆桿承受彎矩、扭矩和自身懸重等多種載荷的復(fù)雜作用，鉆桿外表面屬于高應(yīng)力集中區(qū);S135鉆桿屬于高強度鉆桿，本身是不抗硫化物應(yīng)力開裂的材料，不適用于含硫氣井，而研究表明對于高強度鋼，即使在硫化氫濃度很低的情況下也可能引起硫化氫應(yīng)力腐蝕破壞［4］;失效鉆桿材料的硬度值為HRC31.6，硬度值遠(yuǎn)高于抗硫材料的門檻值HRC27，鉆桿發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性很高。

綜合以上分析，失效鉆桿管體的縱向開裂為硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂。

5 結(jié)論與建議

1)鉆桿材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織等均符合API Spec 5DP 與SY/T 5561 -2008 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2)失效鉆桿斷口具備硫化氫應(yīng)力腐蝕的3 個典型特征:①外表面有拉應(yīng)力且鉆桿本身硬度值高;②斷口腐蝕產(chǎn)物中有S、Cl 元素說明環(huán)境中存在硫化氫介質(zhì);③斷口為脆性斷裂且有明顯沿晶形貌。綜合可判斷失效鉆桿管體的縱向開裂為硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂。

3)建議選用低鋼級鉆桿或抗硫鉆桿，同時通過在鉆井液中添加除硫劑、提高鉆井液的pH 值［5］等方法降低鉆桿發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險。

［1］ANSI.API SPEC5DP-2009 鉆桿規(guī)范［S］. 美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(US-ANSI)，2013.

［2］中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所，山西風(fēng)雷機械制造有限公司.SY/T 5561 -2008 摩擦焊接鉆桿［S］.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-石油(CN-SY)，2008.

［3］張紹舉.石油管道硫化氫腐蝕與防護(hù)對策分析［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2007，28(6):35 -38.

［4］潘仲芳，王曉香，海老原行彥.硫化氫對鉆井的危害與抗硫鉆桿的開發(fā)［A］.油井管技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化國際研討會論文集［C］.2006:206 -209.

［5］閆鳳芹，夏智富.硫化氫應(yīng)力腐蝕原理與防護(hù)措施［J］.煉油與化工，2009，20(1):60 -61.