石油钻杆管体刺漏原因检测与分析

石油钻杆管体刺漏原因检测与分析

王业飞

中石化胜利石油工程有限公司西南分公司管具工程部王业飞

摘要：通过钻杆刺缝宏观形貌、断口微观形貌观察及EDS谱分析，结合钻杆材料的力学性能、化学成分和显微组织分析，对钢级钻杆管体的刺漏原因进行分析。结果表明：该钻杆刺漏属于早期腐蚀疲劳开裂；钻杆外壁表面受到井下弱酸性液体的腐蚀而存在多个腐蚀坑，腐蚀坑底部易产生应力集中，在交变应力的作用下，多条裂纹分别在腐蚀坑底快速萌生；钻柱在钻进的过程中存在跳钻及钻柱组合结构中严重的截面突变，加速了该钻杆疲劳裂纹的扩展；这些疲劳裂纹不断扩展，当其中一条裂纹穿透管壁时，钻杆便发生刺漏。

关键词：钻杆管体；失效分析；刺漏；腐蚀疲劳引言石油钻杆是井下钻柱的重要组成部分，在石油开采过程中，钻杆承受着交变载荷及不同环境介质的作用，易产生多种形式的失效。钻杆刺漏是其常见的失效形式之一，它会给油田造成较大的经济损失。由于早期钻杆的加厚技术不过关及管体内壁未涂防腐涂层等原因，钻杆管体发生刺漏的区域主要集中在管体加厚过渡带，且刺漏点常起源于钻杆内壁。但随着加厚技术的发展及对钻杆内壁进行了涂层防腐保护后，钻杆的刺漏敏感区已从钻杆加厚过渡带区域向管体侧转移，且起源于管体外壁的刺漏事故进一步增多。为找出钻杆发生刺漏的原因，避免此类事故发生，选取某井钻杆进行失效分析。

１理化检验及结果1.1宏观形貌钻杆发生刺漏的部位位于管体区域上，距母接头密封端面1.7～1.9ｍ处。钻杆刺漏部位存在多条小刺缝，刺缝长短不一，长度在10～40ｍｍ，沿管体周向分布。将管体沿轴向剖开，管体内壁涂层完好，并无脱落的痕迹，且外壁上只有一条刺缝已穿透管体至内壁，该刺缝在内壁的长度约20ｍｍ，周向分布将刺缝沿钻杆周向压开，发现已穿透管体的刺缝两侧尖端区域未被冲蚀，较为平坦，呈黑褐色，刺缝中间区域受钻井液的冲蚀，原始形貌已被破坏并留下刺漏痕迹。未穿透管壁的刺缝压开后呈扇形圆弧形貌，同样较为平坦，表面呈黑褐色。将管体刺漏部位进行清洗后，能观察到管体外表面存在一些腐蚀坑，将腐蚀坑剖开后可以发现部分腐蚀坑底已经萌生裂纹，裂纹呈穿晶形式扩展。裂纹分析结果表明，钻杆管体裂纹起源于钻杆外壁。

1.2裂纹处的SEM形貌及EDS谱在裂纹尖端主微区取样，试样经清洗后进行扫描电镜观察及微区成分分析。可见，刺缝裂纹尖端区域存在较为明显的疲劳辉纹，疲劳辉纹间距约为２μｍ；而刺缝中部区域覆盖了较多的腐蚀产物，但也能发现一些疲劳辉纹。刺缝表面的腐蚀产物主要含有氧、碳、钙、铁等元素1.3力学性能按照ＡＰＩＳＰＥＣ５ＤＰ－２００９标准，在失效钻杆靠近刺缝的管体上取两个板状拉伸试样，进行室温拉伸试验。

在失效钻杆的管体上取３个纵向夏比Ｖ形缺口冲击试样（尺寸7.5ｍｍ×10ｍｍ×55ｍｍ）进行室温冲击性能试验。试验温度为－20℃。

1.4显微组织在钻杆刺缝周边取样，经硝酸酒精腐蚀后，在光学显微镜上进行观察。可见刺漏钻杆的组织为均匀细小的回火索氏体。

夹杂物为Ａ类细系1.0级，Ｂ类细系1.5级，Ｄ类细系1.5级，Ｄｓ类细系1.5级，粗系0.5级。晶粒度为8.5级。可计算得出中和点距离井底为90ｍ左右，发生失效钻杆距离中和点较远，但转动时的离心作用会导致中和点上部的钻杆绕井眼轴线公转，从而产生弯曲，造成拉压载荷，同时由于钻杆自转，使整个圆周面交替承受拉压载荷。另外，钻铤的刚度远大于钻杆的，所以通常在整个钻柱上存在两个弯曲应力较大的区域。其一为紧邻钻铤的上部区域，其二为钻杆柱中偏下的区域。此次发生刺漏的钻杆位于钻杆柱中偏下的区域，为钻柱旋转弯曲疲劳的敏感区。其次，该钻井采用牙轮钻头，牙轮钻头靠冲击破碎岩石钻进，因此整个钻柱跳钻较为严重，岩石硬度越大，牙齿吃进度越少，冲击时间越短，频率越高，冲击载荷也越大。钻头工作时产生的冲击载荷作用于钻柱上，引发钻柱的高频纵向振动。在地层结构较复杂的情况下（如软硬交错地层），当转速引发的纵向振动频率与钻柱固有频率一致时，便引发跳钻。频繁的跳钻易在钻柱的下部区域产生较大的弯曲应力，加速整个钻柱疲劳失效进程，容易导致钻柱早期疲劳的产生。

2钻具组合结构分析钻柱的疲劳破坏通常发生在柔性大的钻柱构件处（一般为钻杆），这主要与刚性钻具和柔性钻具之间的断面面积突变有关。为防止钻具早期疲劳破坏，外径不同的相邻钻具间的抗弯断面模数比应介于3.5～5.5之间。该井钻柱组合结构中有一段为209.6ｍｍ钻铤与158.8ｍｍ钻铤相连，经抗弯断面模数比计算公式可以得出该组合的抗弯断面模数比约为2.3，说明该段钻柱的截面变化不够平缓，截面突变较为严重，钻柱易产生结构应力集中，因此加速了整个钻柱的疲劳失效进程。

3钻杆腐蚀情况分析该井采用的是水基钻井液，ｐＨ为7，但钻杆外壁表面受到腐蚀而存在腐蚀坑，ＥＤＳ谱分析表明腐蚀产物主要有氧、碳、钙等元素。这是因为水基钻井液融入部分地层岩屑形成的泥浆中存在少许离子呈酸性，对管体表面造成一定程度的腐蚀，在局部形成腐蚀坑。而腐蚀坑底的裂纹分析结果也说明，造成钻杆刺漏的裂纹起源于管体外表面的腐蚀坑底部。综上分析可知，发生刺漏的钻杆管体在井下弱酸性环境中，由于钻杆外壁表面受到腐蚀而形成腐蚀坑，腐蚀坑底部易产生应力集中，在交变应力的作用下，裂纹在腐蚀坑底快速萌生，且钻柱在钻进的过程中存在跳钻及钻柱组合结构中截面突变较为严重，加速了该钻杆的疲劳裂纹的扩展；由于钻杆管体存在多个腐蚀坑，也萌生了多条疲劳裂纹，这些疲劳裂纹不断扩展，当其一条裂纹穿透管壁时，钻杆便发生刺漏。

4结论该钻杆刺漏属于早期腐蚀疲劳开裂。钻杆外壁表面受到井下弱酸性液体的腐蚀而存在多个腐蚀坑，腐蚀坑底部易产生应力集中，在交变应力的作用下，多条裂纹分别在不同腐蚀坑底快速萌生，且钻柱在钻进的过程中存在跳钻及钻柱组合结构中截面突变较为严重，加速了该钻杆的疲劳裂纹的扩展，这些疲劳裂纹不断扩展，当其一条裂纹穿透管壁时，钻杆便发生刺漏。

为防止剌漏的再次发生，建议应采取以下措施：（1）在钻井液中加入缓蚀剂，适当提高钻井液的ｐＨ。（2）钻铤间增加一定长度的177.8ｍｍ钻铤过渡，可以改善钻井的钻具组合结构，优化钻柱的截面变化系数。（３）降低钻井过程中的钻压，降低跳钻等异常井况的发生。

参考文献：[1]赵鹏．石油钻杆加厚过渡区失效分析及有限元分析的研究现状［Ｊ］．钢管，2009（5）：28-34．[2]吕拴录，骆发前，高林，等．钻杆刺穿原因统计分析及预防措施［Ｊ］．石油矿场机械，2006，35（增）：12－16．