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摘要：经济和科技不断的发展，使得钻井技术水平不断提升，本文就对发生横向开裂的失效钻杆进行断口形貌的宏观及微观观察、金相分析、物相分析，以及对钻杆尺寸、化学成分及力学性能的综合分析，并结合钻杆的受力状态，指出钻杆的失效原因是钻井液中的氧气对钻杆的内外表面产生严重腐蚀。并提出了预防措施及建议。
关键词：钻杆；腐蚀；交变载荷；横向开裂；失效分析
引言
钻杆作为钻柱系统的重要组成部分，是影响钻井安全和钻进效率的关键部件，由于钻杆在使用过程中承受拉压弯扭等复杂交变载荷的作用，同时还受环境介质的影响，钻杆的主要失效有管体刺穿和断裂、接头螺纹黏扣、刺漏和断裂等形式。一旦发生钻杆失效，尤其是断裂，极易引发严重的钻井事故，造成重大经济损失。所以针对钻杆失效形式进行原因分析并采取措施避免，具有重要意义。
1实例
某钻井公司在吉林省白山市进行地热井施工。该区域为中朝准台地北缘东段，处于浑江凹陷、褶皱断层带上，为单斜构造。地层总体走向北东45°，倾向东南，倾角在30～40°。地热井主要钻遇地层为：0～10m，新生界第四系，岩性为砂层、砾石层黏土层；10～695.5m，中生界侏罗－白垩系，岩性为黄绿色、粉色砂岩，夹泥岩；695.50～1930m，元古界震旦系桥头组、万隆组和八道江组，岩性为灰岩、板状粉砂岩、石英砂岩。地热井设计井深2500m，施工目的层为1200～2500m的含水层段。施工使用钻机为石油30。事故发生时井深1320m，距井底135～140m的一支Φ127mm×9.19mm，G105钢级钻杆，提钻时发现管体有横向裂纹，尚未造成刺漏和折断，钻杆管体材质为26CrMo4s/2钢，钻杆开裂部位距内螺纹接头端面2.5m处。钻具配置为Φ215.9mm镶齿牙轮钻头+Φ178mm钻铤4支+Φ165mm钻铤8支+Φ127mm钻杆，钻进过程中泵压4.5MPa，钻压2～3t，钻井液pH=7。为了查明钻杆管体横向开裂的原因，避免此类失效事故的再次发生，本文对失效样品进行了分析，并提出了相应的改善实施与建议。
1.1失效情况概况
在使用过程中发生了多根钻杆管体的横向开裂。据现场调研收集到的材料，在钻杆执役过程中，井底返出的泥浆检测出了Ｈ2Ｓ气体，井口Ｈ2Ｓ浓度最高200ＰＰｍ。为了分析该批钻杆发生管体横向开裂的原因，从失效的钻杆中抽取部分样品进行分析，经肉眼检测，钻杆内涂层无缺，外表没有显着的腐蚀坑或机械损害。
2微观分析
2.1内外壁形貌
在钻杆断口附近取样，扫描电子显微镜下观察其外壁和内壁形貌。断口外壁腐蚀较为严重，断口附近存在环向裂纹，该裂纹起源于腐蚀坑；断口扩展区及内壁裂纹扩展区均存在疲劳辉纹。
2.2腐蚀产物的物相分析
分别在管体内壁和外壁刮取腐蚀产物，通过X射线衍射分析物相组成，该钻杆外壁腐蚀产物主要含有Fe2O3·H2O，内壁腐蚀产物主要含有Fe3O4。
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3宏观分析
钻杆管体横向裂纹清晰可见，裂口平齐锐直，贯穿整个壁厚，裂纹环向长度占周长的60%，断口外侧平坦，颜色较深，靠近断口内侧存在一条圆弧线，线外侧平坦，内侧倾斜，判断该线即为裂纹扩展区与撕裂区的边界线。另外，管体外壁存在较多肉眼可见腐蚀坑，管体内壁存在很多小鼓包、凸起，鼓包物质疏松、易剥落，清除鼓包后，下面清晰可见大量深浅不一腐蚀坑。
4材质分析
4.1力学性能分析
在断口附近分别取板状拉伸试样和夏比V型缺口纵向冲击试样，拉伸试样规格为25.4mm，厚为钻杆壁厚9.19mm，按照ASTMA370－2010钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义和ASTME23金属材料缺口冲击试验标准方法进行试验。
4.2化学成分分析
对开裂管子取样，按照ASTMA751《钢制品化学分析方法及定义》对试样进行化学成分分析，结果表明该钻杆管体化学成分符合APISPEC5DP－2009钻杆规范的要求，同时也符合材料用钢26CrMo4s/2的成分要求。
4.3金相分析
在钻杆开裂处附近取样进行金相分析，发现管体内壁存在较多裂纹，裂纹两侧未发现脱碳和氧化现象。
5分析原因
根据以上分析，开裂钻杆的化学成分、力学性能均符合APISPEC5DP钻杆规范的要求。钻杆内外壁受到严重腐蚀，根据断口的纹路可以确定该断口起源于外壁，微观分析断口扩展区存在疲劳辉纹；钻杆内、外壁存在腐蚀凹坑和微裂纹，因此可以确定横向开裂断口与外壁微裂纹性质相同，另外内壁裂纹的扩展区存在疲劳辉纹均为腐蚀疲劳。钻杆内外壁腐蚀产物X射线物相分析内外壁腐蚀产物均为氧腐蚀产物，因此确定该钻杆内外壁腐蚀均属于氧腐蚀。
钻井液循环系统是一个半敞开系统，钻井过程中，钻井液在地面搅拌，在储罐、振动筛、离心泵、除砂器等设备处通过，都会与大气接触，导致大气中的氧进入钻井液中而成为游离态的氧，由于溶解氧的强去极化作用使得即使是质量分数很低的氧也可以引起钻杆的腐蚀，造成严重的钻杆腐蚀损伤；另外受含水层的影响，本起事故案例中钻井液属于低pH值的淡水钻井液，也具有较强的腐蚀性，钻井液作为钻杆的工作环境，必然会加剧钻杆的腐蚀；况且由于施工区域地层复杂，软硬互层，石英砂岩硬度较大，可钻性差、研磨性强，易使钻具震动，极易产生疲劳损伤。在地层条件无法选择的情况下，我们只能改善钻杆与钻井液接触的工作环境，降低腐蚀对钻杆的影响。另外通过搜集资料，总结了各类钻井液的腐蚀性对比，腐蚀性最强的是充气海水钻井液、钾基聚合物钻井液、低pH值聚合物钻井液、H2S污染钻井液；其次是低pH值天然钻井液、盐水钻井液、淡水钻井液；再次为高pH值天然钻井液、石灰钻井液；再次为高分散性钻井液、水包油钻井液、饱和盐水钻井液；腐蚀性最弱的是缓蚀剂处理的钻井液和油基钻井液。期望这些研究对施工有所帮助。
6预防措施
1）改善钻杆与钻井液接触的工作环境，为消除溶解氧的腐蚀作用，建议对钻井液进行脱氧处理，并向钻井液中添加缓蚀剂、适当提高钻井液pH值，将钻井液pH值保持在10及以上。
2）推广应用内涂层钻杆，防止内表面腐蚀的形成。
3）重视钻杆存放期间的维护管理，如果存放不当，也会在其内外表面产生腐蚀坑，导致使用过程中发生早期腐蚀疲劳失效，所以尽量避免长期露天存放，迫不得已露天存放时应采取防腐蚀措施，且存放钻杆第一层距地面的高度不低于30cm，防止湿气和泥土的锈蚀；另外存放前要清除内外表面的钻井液并干燥，尤其进行过盐井施工，或接触过HCl、H2S的钻杆，一定要先用清水清洗钻杆后再进行存放。
结语
该钻杆横向开裂的失效机理为腐蚀疲劳，主要原因为钻杆内外壁发生氧腐蚀产生腐蚀坑，在交变应力的作用下，内外壁腐蚀坑底部率先产生疲劳裂纹，外壁裂纹扩展贯穿壁厚导致钻杆横向开裂。
参考文献：
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论文作者:张国辉
论文发表刊物:《防护工程》2018年第22期
论文发表时间:2018/11/24
标签：钻杆论文; 钻井液论文; 断口论文; 裂纹论文; 横向论文; 外壁论文; 疲劳论文; 《防护工程》2018年第22期论文;