某鉆井工具探管開裂原因

韓舒婷,史盈鴿,許培林

(西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室股份有限公司,西安 710065)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)主要以隨鉆測量技術(shù)和井下控制技術(shù)為基礎(chǔ),通過靠近鉆頭的導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu),使鉆柱在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)改變工具的方位和井斜,從而達(dá)到導(dǎo)向鉆井的目的[1]。

某鉆井平臺隨鉆測量工具中,用于鉆桿內(nèi)部測量的短節(jié)單位探管發(fā)生橫向開裂現(xiàn)象,采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡(SEM)和能譜分析等方法對探管的開裂原因進(jìn)行分析,以防止該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

某探管試樣總長為920 mm,外徑為45.24 mm,內(nèi)螺紋鏜孔直徑為39.14 mm。探管試樣宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:探管外側(cè)均勻分布著細(xì)小的橫向裂紋。

圖1 探管試樣宏觀形貌

探管外壁宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知:裂紋處存在小的腐蝕坑,最長的裂紋長度約為10 mm。為分析裂紋產(chǎn)生的原因,在圖2中兩處方框位置分別取樣,分別編號為1-1和1-2。

圖2 探管外壁宏觀形貌

用鉗子等工具在試樣1-2上的裂紋處截?cái)?斷口宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知:斷裂源于外壁腐蝕坑位置,呈弧形向材料內(nèi)部擴(kuò)展,斷口表面褐色、棕黃色的腐蝕產(chǎn)物覆蓋區(qū)域?yàn)閿嗝娲蜷_前已經(jīng)存在的原始裂紋缺陷,亮灰色新鮮斷裂區(qū)域?yàn)榱鸭y擴(kuò)展區(qū)。

圖3 試樣1-2裂紋處斷口宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對試樣的化學(xué)成分進(jìn)行分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知: 該探管的化學(xué)成分滿足技術(shù)要求。

表1 探管試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 硬度測試

整個(gè)探管外壁均存在裂紋,無法對其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn),故僅對探管進(jìn)行洛氏硬度測試,結(jié)果如表2所示。由表2可知:探管的硬度為35.9～37.8 HRC,滿足技術(shù)要求。

表2 洛氏硬度測試結(jié)果 HRC

1.4 金相檢驗(yàn)

在該探管上截取試樣,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察。探管的顯微組織為奧氏體,形貌如圖4所示。對試樣的顯微組織進(jìn)行非金屬夾雜物和晶粒度評級,結(jié)果如表3所示。

表3 探管試樣非金屬夾雜物和晶粒度評級結(jié)果 級

圖4 探管試樣顯微組織形貌

垂直于試樣1-1裂紋方向截取試樣,將試樣磨拋后置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖5所示。試樣1-1被腐蝕后的微觀形貌如圖6所示。由圖5～6可知:裂紋起源于外壁腐蝕坑,腐蝕坑深度約為50 μm,裂紋呈樹枝狀向內(nèi)壁擴(kuò)展,裂紋呈穿晶方式擴(kuò)展。

圖5 試樣1-1裂紋微觀形貌

圖6 試樣1-1被腐蝕后的微觀形貌

1.5 掃描電鏡和能譜分析

對試樣的斷口表面進(jìn)行清洗,再將斷口置于掃描電子顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:清洗后的斷口表面仍然覆蓋著黑色的腐蝕產(chǎn)物,且斷裂源區(qū)(腐蝕坑處)聚集較多的腐蝕產(chǎn)物,這些產(chǎn)物呈黑色的龜裂狀形貌;斷裂源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)的SEM 形貌均呈解理花樣特征。

圖7 試樣斷口SEM 形貌

對缺陷試樣進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知:斷口表面腐蝕產(chǎn)物中含有大量的Cl元素。

圖8 試樣斷口表面能譜分析位置和能譜圖

2 綜合分析

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知:在裂紋處截?cái)嘣嚇雍?發(fā)現(xiàn)裂紋起源于外壁腐蝕坑,裂紋呈弧形并向材料內(nèi)部擴(kuò)展,斷口表面褐色、棕黃色的腐蝕產(chǎn)物覆蓋區(qū)域存在斷面打開前已經(jīng)存在的原始裂紋缺陷,裂紋以穿晶方式向內(nèi)擴(kuò)展,裂紋處腐蝕產(chǎn)物中含有大量Cl元素。

應(yīng)力腐蝕斷裂是材料、應(yīng)力和腐蝕環(huán)境三者共同作用的結(jié)果。應(yīng)力腐蝕中材料種類和環(huán)境介質(zhì)有固定匹配的特征。該探管材料為奧氏體不銹鋼,奧氏體不銹鋼在含氧、氯離子的溶液中容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂[2-3]。根據(jù)現(xiàn)場提供的資料,該鉆井平臺泥漿中氯離子的含量較高,且該探管是安裝在無磁加重鉆桿內(nèi)部,用來測量短節(jié)單元的工具,泥漿流經(jīng)探管與加重鉆桿之間,直接與探管外壁接觸。顯然,在當(dāng)時(shí)的井下特定環(huán)境下,氯離子為探管外壁應(yīng)力腐蝕提供了腐蝕環(huán)境,是發(fā)生應(yīng)力腐蝕的主要原因之一。

該探管外壁裂紋處均存在腐蝕坑,腐蝕坑處具有更高的氯離子濃度,加速了局部腐蝕。腐蝕坑的形成可能與材料中的夾雜物、碳化物、δ鐵素體、晶界的冶金不均勻性等因素有關(guān)[4-5]。

該探管在鉆井作業(yè)過程中承受壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力,這些應(yīng)力產(chǎn)生的軸向分量構(gòu)成其應(yīng)力腐蝕的力學(xué)條件。在腐蝕環(huán)境、應(yīng)力以及材料的聯(lián)合作用下,探管發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。

3 結(jié)論

探管外壁裂紋產(chǎn)生的機(jī)制為氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。探管外壁產(chǎn)生裂紋的主要原因?yàn)?服役過程中,泥漿沖刷探管外壁,且泥漿中氯離子含量較高。井下的特定環(huán)境為探管應(yīng)力腐蝕提供了腐蝕環(huán)境,是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的主要原因之一;探管在鉆進(jìn)過程中會(huì)承受壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力,這些應(yīng)力產(chǎn)生的軸向分量為應(yīng)力腐蝕開裂提供了力學(xué)條件。