內(nèi)涂層質(zhì)量對鉆桿失效影響的試驗研究*

王 哲,萬 夫,王文權(quán),陳瑞峰,杜志杰

(1.川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院,四川 廣漢 618300；2.西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司,陜西 西安 710065)

鉆桿內(nèi)涂層能夠避免鉆桿內(nèi)壁與具有腐蝕性的鉆井液直接接觸，能有效緩解鉆桿腐蝕，也能降低天然氣流動阻力，是解決鉆桿腐蝕疲勞失效問題和提高天然氣鉆采效率的重要措施之一[1-5]。近年來隨著川渝地區(qū)頁巖氣的大力發(fā)展，地質(zhì)結(jié)構(gòu)與工程條件愈加復(fù)雜多變，致使由于內(nèi)涂層脫落腐蝕導(dǎo)致的鉆桿刺漏案例隨之增加[6-7];這不僅嚴(yán)重威脅到現(xiàn)場工作人員的生命安全，而且因鉆桿失效所引發(fā)的停工、鉆具打撈，甚至封井、側(cè)鉆，這些都會導(dǎo)致鉆井成本急劇增加。為了探究內(nèi)涂層質(zhì)量對鉆桿失效的影響，選取一起典型失效案例，分析鉆桿刺漏失效原因，探究內(nèi)涂層對鉆桿失效的影響。

1 失效案例分析

1.1 基本情況

某井在鉆進(jìn)過程中，發(fā)現(xiàn)泵壓由18 MPa緩慢降至15 MPa，懸重?zé)o變化(正常鉆進(jìn)排量52 L/s，泵壓24 MPa)，起鉆檢查泥漿泵及地面管線，排除地面原因后起鉆至井深1 848 m，發(fā)現(xiàn)第34柱中單根母接頭以下0.68 m處刺穿，孔長20 mm，寬10 mm，宏觀形貌見圖1。

圖1 鉆桿管體刺漏形貌

1.2 失效原因分析

將管體剖開，測量加厚過渡區(qū)長度為14 mm,測量管體的外徑為127.26 mm；測量管體壁厚為8.04 mm，均滿足API Spec 5DP—2009對鉆桿管體的要求。內(nèi)涂層大面積剝落，基體金屬腐蝕嚴(yán)重，未剝落涂層表面已起泡，形貌見圖2。

圖2 鉆桿管體內(nèi)壁刺漏形貌

在該鉆桿管體上取樣，對其理化性能和沖擊功進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示：該鉆桿管體的化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、硬度和沖擊吸收功均滿足API Spec 5DP—2009對S135鉆桿管體的要求。顯微觀察其金相組織和形貌，其組織正常，為回火索氏體(見圖3)，晶粒度為8.0級。觀察其縱截面微觀形貌，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁存在腐蝕坑，腐蝕坑底部存在微裂紋，見圖4。

圖3 鉆桿管體金相組織

圖4 腐蝕坑底部微觀裂紋

試驗分析可知:該鉆桿理化性能和沖擊功等質(zhì)量參數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，刺漏原因為內(nèi)涂層剝落，導(dǎo)致工作液直接和鉆桿內(nèi)壁金屬接觸，產(chǎn)生腐蝕坑;同時在鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生交變應(yīng)力，腐蝕坑底部存在應(yīng)力集中，二者疊加，萌生疲勞裂紋，裂紋貫穿壁厚，最終導(dǎo)致鉆桿刺漏。

2 內(nèi)涂層性能檢測

鉆桿正常使用時，內(nèi)涂層使用壽命不低于 2 a，但現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)存在一些鉆桿在入井1個月后內(nèi)涂層脫落現(xiàn)象，并引發(fā)鉆桿刺漏情況。因此，針對此問題，就川渝地區(qū)常用的兩種類型內(nèi)涂層(標(biāo)記為1號TK34和2號TK34P)，開展了內(nèi)涂層性能檢測，測試樣品形貌見圖5。

2.1 外觀檢驗

使用照明工具從鉆桿兩端進(jìn)行外觀檢驗，表面的光照度不應(yīng)低于500 lx，結(jié)果顯示，TK34型內(nèi)涂層和TK34P型內(nèi)涂層干膜表面平整均勻、光滑、無氣泡、桔皮和流淌等缺陷，滿足SY/T 0544—2016要求。

圖5 內(nèi)涂層附著力檢測形貌

2.2 干膜厚度測量

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0066—1999，對內(nèi)涂層干膜厚度進(jìn)行測量，檢測結(jié)果：TK34型內(nèi)涂層干膜厚度平均值為137 μm，最大值為183 μm，最小值為95 μm；TK34P型內(nèi)涂層干膜厚度平均值為131 μm，最大值為170 μm，最小值為105 μm。SY/T 0544—2016規(guī)定內(nèi)涂層干膜厚度為(200±50) μm，兩種內(nèi)涂層均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，且TK34P型內(nèi)涂層干膜厚度小于TK34型內(nèi)涂層。

2.3 漏點檢測

依據(jù)NACE TM0384—2018檢測內(nèi)涂層漏點的相關(guān)要求，對兩種型號內(nèi)涂層進(jìn)行漏點檢測，檢測電壓為67.5 V。檢測結(jié)果顯示TK34型內(nèi)涂層無漏點，TK34P型內(nèi)涂層存在漏點。

2.4 粗糙度檢測

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JJG 2018—1989方法檢驗內(nèi)涂層的粗糙度。檢測結(jié)果顯示TK34型內(nèi)涂層粗糙度為 0.6 μm，TK34P型內(nèi)涂層粗糙度為0.3 μm。標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0544—2016規(guī)定粉末涂層粗糙度應(yīng)小于、等于0.5 μm，TK34型內(nèi)涂層粗糙度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.5 附著力檢測

檢測步驟：①采用刀刃鋒利的刀尖在涂層管體長度方向上平行切割出兩道切痕，間距2～3 mm，每道長約20～30 mm(見圖5)；②切割時應(yīng)使刀尖和涂層垂直，切割時應(yīng)平穩(wěn)無晃動；③切痕應(yīng)穿透涂層達(dá)金屬基底；④用刀尖從切痕部位挑起涂層，檢查切痕周圍的涂層與金屬的附著力；⑤記錄檢驗結(jié)果。

附著力等級判定：A級,不能從金屬基體挑起涂層，只有刀尖劃到的地方才能看到金屬；B級,小部分涂層可被挑起，但60%以上的涂層完好；C級,超過50%的涂層被挑起；D級,所有涂層都被挑起，裸露出金屬基體；E級,不用刀挑，涂層即和金屬基體分離。

檢測結(jié)果顯示，1號涂層和2號涂層均不能從金屬基體挑起，只有刀尖劃到的地方才能看到金屬，屬于A級，滿足標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0544—2016內(nèi)涂層附著力為A級的要求。

2.6 耐磨性(落砂法)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0315—2013要求使用落砂法檢驗內(nèi)涂層的耐磨性。檢測結(jié)果顯示TK34型內(nèi)涂層耐磨性為2.5 L/μm，TK34P型內(nèi)涂層的耐磨性為2.2 L/μm，兩種型號內(nèi)涂層均滿足標(biāo)準(zhǔn) SY/T 0544—2016鉆桿內(nèi)涂層耐磨性大于等于 2.0 L/μm的要求。耐磨性檢測后樣品形貌見圖6。

圖6 耐磨性試驗后樣品形貌

2.7 耐高溫高壓性能試驗

參照NACE TM0185標(biāo)準(zhǔn)對耐腐蝕涂層試驗方法，制定了鉆桿內(nèi)涂層耐高溫高壓性能試驗方法。試驗條件及步驟：①液相為NaOH溶液，pH值12.5,溫度148 ℃,壓力70 MPa,時間24 h,試驗后涂層無氣泡，附著力不降級。②按照高壓釜生產(chǎn)廠推薦的安全規(guī)程和操作方法進(jìn)行。③試驗結(jié)束后，釜體應(yīng)冷卻至93 ℃以下，然后以一個均勻的速度在15～30 min內(nèi)將釜內(nèi)壓力降至常壓，最后取出試樣與未進(jìn)行試驗的樣品進(jìn)行比對，觀察涂層是否有起泡和附著力變化的現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明：TK34型內(nèi)涂層試樣表面光滑、平整無氣泡，附著力為A級；TK34P型內(nèi)涂層試樣表面出現(xiàn)氣泡，附著力為B級。標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0544—2016要求內(nèi)涂層經(jīng)高溫高壓性能試驗后，涂層無氣泡，附著力不降級，結(jié)果顯示1號內(nèi)涂層滿足要求，2號內(nèi)涂層不滿足要求。

2.8 耐酸性能試驗

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6717—2008浸泡法進(jìn)行鉆桿內(nèi)涂層的耐酸性試驗。耐酸性試驗條件共3種，具體試驗條件及結(jié)果如下：第一種試驗條件為15%HCl，3%HF，66 ℃，試驗時間18 h。浸泡后發(fā)現(xiàn)TK34型內(nèi)涂層表面存在直徑約0.5 mm密集小泡，TK34P型內(nèi)涂層表面存在直徑約3.0 mm小泡，形貌見圖7。

圖7 15%HCl，3%HF，66 ℃浸泡后形貌

第二種試驗條件：12%HCl，3%HF，93 ℃，試驗時間為8 h。浸泡后發(fā)現(xiàn)1號內(nèi)涂層和2號內(nèi)涂層表面均存在直徑約0.5 mm小泡，形貌見圖8。

圖8 12%HCl，3%HF，93 ℃，8 h浸泡后形貌

第三種試驗條件：28%HCl，66 ℃，試驗時間8 h。浸泡后發(fā)現(xiàn)1號內(nèi)涂層表面存在直徑約0.5 mm小泡，2號內(nèi)涂層表面無變化，形貌見圖9。

圖9 28%HCl，66 ℃，8 h浸泡后形貌

2.9 彎曲試驗

內(nèi)涂層的彎曲試驗是在配備支撐塊和彎曲壓頭的萬能試驗機(jī)上完成的，試樣彎曲角度為 2.5°。試驗結(jié)果顯示TK34型和TK34P型兩種類型內(nèi)涂層樣品均未發(fā)現(xiàn)裂紋。標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0544—2016要求內(nèi)涂層經(jīng)彎曲試驗后，涂層無變化，兩種類型內(nèi)涂層均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。以上兩種內(nèi)涂層性能測試結(jié)果表明:1號內(nèi)涂層表面干膜厚度、粗糙度、耐酸性能不符合標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0544—2016對鉆桿內(nèi)涂層的要求；2號內(nèi)涂層干膜厚度、漏點、耐高溫高壓性能、耐酸性能不符合標(biāo)準(zhǔn) SY/T 0544—2016對鉆桿內(nèi)涂層的要求。

3 分析與討論

鉆桿內(nèi)涂層具有良好的防腐性，能夠阻止周圍環(huán)境中的水分、氯及腐蝕介質(zhì)進(jìn)入，保護(hù)鉆桿金屬本體，從而達(dá)到防護(hù)的目的，是鉆桿腐蝕與防護(hù)的重要堡壘[8]，仍然是石油鉆采領(lǐng)域的研究熱點[9]。川渝地區(qū)鉆桿內(nèi)涂層性能檢測發(fā)現(xiàn):目前常用的鉆桿內(nèi)涂層存在干膜厚度、耐高溫高壓性能、耐酸性等參數(shù)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求等問題，易導(dǎo)致鉆桿的刺漏和斷裂。

3.1 失效過程

內(nèi)涂層失效過程一般表現(xiàn)為：質(zhì)量損失—減薄—鼓泡—變脆—局部破裂脫落—腐蝕或膜下腐蝕[10]。失效主要受自身質(zhì)量和外部作業(yè)兩方面的影響。內(nèi)涂層鉆桿在鉆進(jìn)過程中，井下數(shù)千米管柱自身懸重和大扭矩會使鉆桿本體形變伸長，同時高溫高壓、強(qiáng)沖刷及腐蝕性工作液會使涂層減薄、鼓包和腐蝕脫落，因此對鉆桿內(nèi)涂層質(zhì)量有較高的要求，需要涂層分子和金屬表面的氫鍵和配合鍵的作用力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)內(nèi)涂層的耐高溫高壓性能、抗硫化氫腐蝕性能、粗糙度、附著力等質(zhì)量參數(shù)存在部分不達(dá)標(biāo)時，涂層性能會降低，在井下環(huán)境下附著力隨之降低，在鉆井液沖刷、腐蝕和高溫高壓共同作用下，涂層在未老化前易產(chǎn)生質(zhì)量損失減薄，從而產(chǎn)生局部脫落，不僅造成鉆桿本體直接和腐蝕性工作液接觸導(dǎo)致腐蝕，而且由于涂層脫落形成腐蝕電流，整個涂層、鉆井液、暴露的鉆桿基體就會形成一個大陰極、小陽極的電化學(xué)體系，會加快金屬的腐蝕[11-12]。除了內(nèi)涂層本身質(zhì)量問題，外部車修螺紋作業(yè)時也極易造成內(nèi)涂層損傷，由于切削的鐵屑不能很好地排出，高溫鋒利的鐵屑會進(jìn)入鉆桿內(nèi)腔，導(dǎo)致內(nèi)涂層局部劃傷，在井下腐蝕環(huán)境下造成涂層失效。并且，在現(xiàn)場作業(yè)時，井下工具下井和后期井下等過程中的撞擊和剮蹭，均可能造成內(nèi)涂層損傷，影響其防腐蝕性能[13]。

3.2 鉆桿內(nèi)涂層使用建議

(1)對采購的鉆桿內(nèi)涂層進(jìn)行入場質(zhì)量抽檢。(2)外部作業(yè)時，注意涂層保護(hù)。(3)使用過程中，針對復(fù)雜井和高含硫井進(jìn)行定期涂層檢測，并按照DS-1內(nèi)涂層分級使用要求進(jìn)行分級使用(見圖10)，狀態(tài)達(dá)到c和d級鉆桿應(yīng)該拒收和報廢處理。(4)加大內(nèi)涂層研發(fā)力度，提高其耐高溫高壓性能和耐腐蝕性能，滿足復(fù)雜井下環(huán)境使用。

圖10 內(nèi)涂層狀態(tài)分級

4 結(jié)論與建議

(1)內(nèi)涂層剝落，導(dǎo)致工作液直接和鉆桿內(nèi)壁金屬接觸，產(chǎn)生腐蝕坑，同時在鉆進(jìn)過程中存在交變應(yīng)力，腐蝕坑底部存在應(yīng)力集中，二者疊加，萌生疲勞裂紋，裂紋貫穿壁厚，最終導(dǎo)致鉆桿刺漏。

(2)針對內(nèi)涂層失效問題及質(zhì)量參數(shù)部分不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象，提出了鉆桿內(nèi)涂層使用建議：①對采購的鉆桿內(nèi)涂層進(jìn)行入場質(zhì)量抽檢。②外部作業(yè)時，注意涂層保護(hù)。③使用過程中，針對復(fù)雜井和高含硫井進(jìn)行定期涂層檢測和分級使用。④加大內(nèi)涂層研發(fā)力度，滿足復(fù)雜井下環(huán)境使用。