科學(xué)超深井鉆探鋁合金鉆桿的腐蝕失效分析

梁 健， 顧艷紅， 岳 文， 孫建華， 劉俊秀， 楊遠(yuǎn)航

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 2.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617； 3.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

科學(xué)超深井鉆探鋁合金鉆桿的腐蝕失效分析

梁 健1， 顧艷紅2， 岳 文3， 孫建華1， 劉俊秀3， 楊遠(yuǎn)航2

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 2.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617； 3.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

針對鋁合金鉆桿在復(fù)雜的超深井鉆井工程服役條件，分析了鋁合金鉆桿腐蝕行為的主要外在鉆井工程因素，并進(jìn)行了松遼盆地資源與環(huán)境深部鉆探“松科二井”鋁合金鉆桿工程試樣腐蝕程度的測試與分析。分析結(jié)果表明：鉆桿結(jié)構(gòu)、磨損與應(yīng)力、鉆井液介質(zhì)、井內(nèi)高溫高壓是其產(chǎn)生腐蝕的主要服役條件因素；鋁桿體與鋼接頭連接處的腐蝕情況最為嚴(yán)重，鋁桿體次之，加厚端部分耐蝕性最好；腐蝕產(chǎn)物的主要成分是Al2O3和Al(OH)3相。

鋁合金鉆桿；科學(xué)鉆探；超深井；鉆井工程；腐蝕

0 引言

地球科學(xué)的發(fā)展對地球深部數(shù)據(jù)的依賴程度越來越高，世界上著名的“入地”計(jì)劃已先后啟動(dòng)[1]。顯然，地球科學(xué)的發(fā)展對科學(xué)超深井鉆探有著極大的需求。作為“入地”重要手段的科學(xué)超深井鉆探工程，在鉆探作業(yè)過程中除地層條件復(fù)雜及不確定性外，其將遇到的困難與挑戰(zhàn)可概括為熱、高、長、大，即井溫高、壓力高、管柱長、井徑大，采用常規(guī)鉆井機(jī)具難以滿足鉆井要求；尤其當(dāng)鉆井超過某一深度時(shí)，鉆柱的自重即能使鉆桿發(fā)生破壞，何況還有隨著井深的不斷增加，鉆井工程存在裸眼井段長、井壁穩(wěn)定性差、井內(nèi)環(huán)境溫度高等惡劣工況。鋁合金鉆桿以其獨(dú)特的優(yōu)越性，即具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、鉆進(jìn)深度大、所需能耗小等特點(diǎn)，已成為科學(xué)超深井鉆柱設(shè)計(jì)的優(yōu)選方案[2-5]。為此，鋁合金鉆桿的使用性能將成為制約深部科學(xué)鉆探技術(shù)發(fā)展的主要“瓶頸”。

通常，鋁合金與其他金屬一樣，也面臨著嚴(yán)重的腐蝕問題。在自然條件下，鋁合金表面容易形成一層厚約4 nm的自然氧化膜，但該膜多孔、不均勻，難以抵抗惡劣環(huán)境的腐蝕，導(dǎo)致腐蝕失效[6-7]。鉆井過程中，所使用的低固相、無固相、水基和油基等不同的泥漿體系中含多種有機(jī)和無機(jī)添加劑，添加劑在井內(nèi)高溫高壓的作用下具有較強(qiáng)的腐蝕性；同時(shí)，鉆柱還將承受自重帶來較大的拉伸應(yīng)力，加之其與井壁的摩擦磨損，復(fù)雜的服役工況條件致使鉆桿極易發(fā)生腐蝕失效。在松遼盆地資源與環(huán)境深部鉆探“松科二井”工程鋁合金鉆桿的使用過程中，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生了不同程度的腐蝕(見圖1)，致使鉆桿柱承載力降低，加大了井內(nèi)事故隱患。鋁合金鉆桿井下工作量見表1。

圖1 ?147 mm鋁合金鉆桿典型腐蝕宏觀照片

下井回次取心進(jìn)尺/m井下使用時(shí)間/h使用井段/m810396336486294～4963052123313634296611～319924

本文針對復(fù)雜的超深井鉆井工程服役條件，分析了鋁合金鉆桿腐蝕行為的主要外在的鉆井工程因素，并進(jìn)行了工程試樣的室內(nèi)測試與分析，為解決鋁合金鉆桿在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的腐蝕問題提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 鉆井工程因素分析

深入了解鉆井工程服役條件對鋁合金鉆桿腐蝕性能的影響機(jī)制，是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造長壽命、高耐蝕性、高可靠性鋁合金鉆桿的前提和必要基礎(chǔ)。影響鋁合金鉆桿腐蝕行為的主要外在的鉆井工程因素為以下幾個(gè)方面。

(1)鉆桿結(jié)構(gòu)因素。與鋼鉆桿的摩擦焊接不同，鋁合金鉆桿的桿體與鋼接頭通常采用“熱過盈”螺紋嵌裝方式進(jìn)行連接，鋼接頭的使用以增加鋁鉆桿的擰卸壽命及防磨性能。由于鋁合金鉆桿特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其自身的異金屬腐蝕敏感性較強(qiáng)，鋼、鋁接觸時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重的電偶腐蝕[8-10]，見圖1(a)及圖2。

圖2 鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)

(2)磨損與應(yīng)力因素。鉆柱回轉(zhuǎn)不時(shí)地與井壁碰撞磨損，同時(shí)高速流動(dòng)鉆井液中汽包及固體懸浮物對其也將產(chǎn)生磨耗與腐蝕，在多因素的共同作用下鋁合金材料易發(fā)生交互作用的磨損腐蝕[11-12]，見圖1(b)；為提高鋁合金鉆桿的力學(xué)強(qiáng)度及其使用壽命，熱擠壓鋁管采用端部(或中部)變截面結(jié)構(gòu)使其內(nèi)存較大殘余應(yīng)力，加之鉆柱在其自重作用下承受的拉伸應(yīng)力，兩者在腐蝕介質(zhì)環(huán)境中共同持續(xù)的作用下,可致鋁合金材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕[13-15]；拉長的晶粒、晶界電偶腐蝕共同提供腐蝕通道，并在應(yīng)力腐蝕的綜合作用下易造成鋁合金的剝落腐蝕[16-18]，見圖1(c)。

(3)鉆井液介質(zhì)因素。介質(zhì)溶液對鋁合金材料的腐蝕性隨其種類的不同而有較大的差異，其腐蝕性因素主要表現(xiàn)為：鹽類添加劑，增加了介質(zhì)溶液的導(dǎo)電性，尤其氯離子對鋁合金鈍化膜的破壞，致使其發(fā)生小孔腐蝕[19-21]，見圖1(d)；堿性環(huán)境，致使鋁合金表面的氧化膜不斷溶解并伴有析氫過程，而發(fā)生“自腐蝕”[22-24]；介質(zhì)流速，鉆井液高速流動(dòng)沖刷腐蝕產(chǎn)物，削弱了腐蝕產(chǎn)物沉積對腐蝕反應(yīng)的阻滯作用，致使鋁合金材料產(chǎn)生沖擊腐蝕[25]。

(4)井內(nèi)高溫高壓因素。科學(xué)超深井井內(nèi)高溫高壓成為鉆井作業(yè)中突出的技術(shù)難題之一，其井底地溫將達(dá)到300～400 ℃，壓力最大可達(dá)200 MPa。井內(nèi)溫度對鋁合金腐蝕的影響是多樣的,其變化將影響反應(yīng)物和產(chǎn)物的溶解性，改變腐蝕產(chǎn)物，從而影響腐蝕速度[26-27]；液柱壓力，可引起離子半徑和金屬離子水解程度的變化，改變金屬離子的活性以及金屬配合物的組成，加速了氧化膜的破壞，引起了點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕[28]。

2 工程試樣測試與分析

2.1 試驗(yàn)與方法

試驗(yàn)材料選用“松科二井”工程應(yīng)用的鋁合金鉆桿，合金牌號為2024，T4狀態(tài)。針對工程試樣不同區(qū)域截面內(nèi)外表面的腐蝕失效情況分別進(jìn)行分析，即1號(鋁桿體和鋼接頭連接處)、2號(加厚端區(qū)域)、3號(普通桿體區(qū)域)的內(nèi)外表面宏觀形貌、微觀形貌、元素組成和相分析(參見圖3)。

采用倒置金相顯微鏡(Nikon Eclipse MA200)觀察內(nèi)腐蝕層截面的金相和厚度，采用體式顯微鏡觀察腐蝕內(nèi)外表面及外腐蝕層截面的宏觀形貌；采用掃描電子顯微鏡(日本島津公司，SSX-550)和X射線衍射儀(日本理學(xué)株式會社，SmartLab)分別分析腐蝕內(nèi)外表面的微觀形貌和相組成；采用電子探針(日本島津公司，EPMA-1600)對腐蝕內(nèi)外表面進(jìn)行元素組成分析。

筆者連續(xù)兩年秋季在果園調(diào)查套袋蘋果黑點(diǎn)病時(shí)發(fā)現(xiàn)有蘋果發(fā)黃不上色的情況，一般發(fā)黃蘋果占15%～20% ，嚴(yán)重的達(dá)到30%左右。為啥不著色？我們分析有以下幾種情況。

圖3 工程試樣切拋

2.2 結(jié)果與討論

2.2.1 腐蝕表面宏觀形貌

從圖4的對比分析可以看出，1號試樣的內(nèi)表面腐蝕最嚴(yán)重，幾乎整個(gè)區(qū)域都受到腐蝕，并且有部分腐蝕層剝落，裸露出鋁合金表面；2號試樣的內(nèi)表面相對耐蝕性好一點(diǎn)，只觀察到局部腐蝕，黑色腐蝕產(chǎn)物凹凸不平，有少量剝落；3號試樣的內(nèi)表面腐蝕較嚴(yán)重，不僅有局部的腐蝕、侵蝕，還有不同程度的犁溝和劃痕，兩者相互作用使腐蝕加劇，黑色腐蝕產(chǎn)物凹凸不平，疏松剝落。

圖4 腐蝕內(nèi)表面宏觀照片

從圖5中對比分析可以看出，1號試樣的外表面腐蝕最嚴(yán)重，明顯的看到大塊的腐蝕層剝落，腐蝕已慢慢地侵入了鉆桿內(nèi)部；2號試樣的外表面相對耐蝕性好一點(diǎn)，只觀察到局部的點(diǎn)蝕現(xiàn)象；3號試樣的外表面觀察到大量的點(diǎn)蝕，并且部分區(qū)域已慢慢發(fā)展成局部腐蝕，腐蝕面積增大。

2.2.2 腐蝕層厚度

從圖6(b)、(c)可以估計(jì)桿體內(nèi)腐蝕層的厚度大約為200 μm，桿體與鋼接頭連接處的1號試樣腐蝕層厚度大約為250～300 μm。從圖7的外腐蝕層的體式顯微鏡圖像可以明顯看出，1號試樣的外表面腐蝕最嚴(yán)重，已經(jīng)出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的大的腐蝕剝落坑，腐蝕深度大約4 mm；2號試樣的外表面截面圖看不出明顯的變化；3號試樣的外表面截面圖可以看到比較明顯的腐蝕分層。

2.2.3 腐蝕微觀形貌

圖12～15是不同試樣的同一部分腐蝕外表面分別放大50、500、1000和2000倍的SEM照片。從圖中明顯可見，1號試樣和3號試樣的腐蝕表面均看到塊狀的腐蝕產(chǎn)物，明顯的腐蝕剝落坑及深寬的裂紋，且1號試樣較3號試樣腐蝕情況嚴(yán)重；2號試樣在較高的放大倍數(shù)下才看到腐蝕表面有一些微裂紋產(chǎn)生和少量的腐蝕產(chǎn)物附著。

圖5 腐蝕外表面宏觀照片

圖6 內(nèi)腐蝕層截面金相

圖7 外腐蝕層截面宏觀照片

圖8 腐蝕內(nèi)表面放大50倍的SEM圖

圖9 腐蝕內(nèi)表面放大500倍的SEM圖

圖10 腐蝕內(nèi)表面放大1000倍的SEM圖

圖11 腐蝕內(nèi)表面放大2000倍的SEM圖

圖12 腐蝕外表面放大50倍的SEM圖

綜合所有內(nèi)外腐蝕表面的SEM圖可看出，無論內(nèi)表面還是外表面，其腐蝕機(jī)理都一樣，即1號接頭處腐蝕最為嚴(yán)重，3號桿體次之，以典型的點(diǎn)蝕為主要特征，并伴有明顯的腐蝕剝落坑和微裂紋；2號加厚端區(qū)域試樣的耐蝕性最好，同樣條件下，僅有一些微裂紋產(chǎn)生。

2.2.4 腐蝕產(chǎn)物評價(jià)

從圖16和圖17腐蝕內(nèi)外表面的XRD衍射圖譜可看出，腐蝕產(chǎn)物的主要成分是含Al2O3和Al(OH)3相的物質(zhì)。從表2腐蝕內(nèi)外表面的元素及其含量可知，腐蝕產(chǎn)物主要含有大量的O元素和Al元素，其次是2024鋁合金所含的Cu、Mg、Si、Mn元素，以及鉆井液中所含的K、Na、Ca、S等元素。再結(jié)合前面XRD的分析結(jié)果，可知腐蝕產(chǎn)物主要為大量的Al2O3。

圖13 腐蝕外表面放大500倍的SEM圖

圖14 腐蝕外表面放大1000倍的SEM圖

圖15 腐蝕外表面放大2000倍的SEM圖

圖16 腐蝕內(nèi)表面的XRD衍射圖譜

圖17 腐蝕外表面的XRD衍射圖譜

此外，值得注意的是，1號試樣腐蝕內(nèi)表面檢測到了Fe元素的存在，該試樣是鉆桿和鋼的連接處，再結(jié)合上述分析結(jié)果，1號試樣是腐蝕最嚴(yán)重的，因此推測該Fe元素來自于鋼，它的存在是合理的。

表2 試樣腐蝕內(nèi)外表面的元素及其含量 wt%

3 結(jié)論

通過對鋁合金鉆桿腐蝕行為的主要外在的鉆井工程因素分析，以及進(jìn)行的工程試樣室內(nèi)測試結(jié)果，綜合分析得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)影響鋁合金鉆桿腐蝕行為的主要外在的鉆井工程因素主要包括：鉆桿結(jié)構(gòu)因素、磨損與應(yīng)力因素、鉆井液介質(zhì)因素、井內(nèi)高溫高壓因素等。

(2)從工程試樣的宏觀形貌來看，不管是外表面還是內(nèi)表面，鋁鉆桿和鋼接頭連接處的腐蝕都是最嚴(yán)重，其次是普通桿體，加厚端部分的耐蝕性最好。

(3)從樣品的內(nèi)外表面的XRD衍射圖譜可見，腐蝕產(chǎn)物的主要成分是Al2O3和Al(OH)3相。

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Analysis on Corrosion Failure of Aluminum Alloy Drill Pipe for Scientific Ultra-deep Well Drilling/

LIANGJian1,GUYan-hong2,YUEWen3,SUNJian-hua1,LIUJun-xiu3,YANGYuan-hang2

(1.The Institute of Exploration Techniques, CAGS, Langfang Hebei 065000, China; 2.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China; 3.School of Engineering and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China)

In view of the service conditions of aluminum drill pipe in complex ultra-deep well drilling engineering, the main external drilling engineering factors of the corrosion behavior of aluminum alloy drill pipe are analyzed, the test and analysis on corrosion degree of the aluminum drill pipe engineering sample of Songke-2 well in the project of deep drilling of resources and environment in Songliao basin. The results show that the structure of drill pipe, wear and stress, drilling fluid medium as well as high temperature and high pressure are the main factors of corrosion; the corrosion at the connection point of aluminum rod and steel joint is the most serious and the aluminum rod body is the next; the corrosion resistance of pipe upsetting end is the best, the main components of the corrosion products are Al2O3and Al (OH)3phase.

aluminum alloy drill pipe; scientific drilling; ultra-deep well; drilling engineering; corrosion

2016-11-23;

2016-12-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高溫環(huán)境下鋁合金鉆桿磨損失效及防護(hù)機(jī)制研究”(編號：51404217)；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“地質(zhì)勘查深孔用高強(qiáng)度鋁合金鉆桿開發(fā)應(yīng)用”(編號：12120113016800)

梁健，男，漢族，1980年生，高級工程師，碩士，從事鉆探工程科研工作，河北省廊坊市金光道77號，raul9942718@163.com。

P634.4

A

1672-7428(2017)02-0060-07