石油钻具腐蚀疲劳影响因素和预防措施研究

石油钻具腐蚀疲劳影响因素和预防措施研究

石岩

中海油服钻井事业部塘沽石油工具 300452

摘要：对于石油勘探开发开采来说，钻井作业是其中的重要环节。受特殊钻井工艺、地下复杂地质条件、恶劣外界自然环境等多种因素的影响，石油钻具腐蚀疲劳的风险进一步增大。为有效避免井下钻井事故的出现，有必要开展井下石油钻具腐蚀影响因素及预防措施研究，通过系统化的分析研究，制定有效的预防解决方案，在提高钻杆使用寿命的同时，保证作业安全。

关键词：钻具；腐蚀疲劳；影响因素；预防措施

随着我国油气勘探开发力度的不断提升，越来越多的深井特殊工艺不断的用于生产作业中，对钻具配置提出了更高的要求。在这样的背景下，为保证钻井作业的安全进行，需要开展钻具钻杆安全可靠性评价研究^[1]。钻井作业条件恶劣复杂，不可避免地会对钻具产生各种类型的损伤。近年来的井下失效事故统计分析结果显示，石油钻具腐蚀疲劳断裂事故占比较大。为有效避免井下钻具断裂等事故的出现，迫切需要开展石油钻具腐蚀疲劳影响因素和预防措施研究，为油田钻井工程作业保驾护航。

1. 石油钻具腐蚀疲劳机理分析

在钻井过程中，钻柱反向涡动以及纵向振动等会导致钻具疲劳现象的出现。与此同时，钻井液中的酸性介质以及氧化物会对钻具产生严重的腐蚀效应。除此以外，作业过程中的岩石颗粒也会对钻柱产生较大的侵蚀作用。在上述综合条件的作用下，很容易导致石油钻具出现断裂失效的事故。

1.1石油钻具腐蚀

在石油钻井作业中需要一定浓度的钻井液和泥浆，当氧气溶解于其中时，会与铁元素发生电化学反应，进而与钻具发生氧腐蚀作用。钻井液中溶解的二氧化碳会形成酸性环境，对钻具形成二氧化碳腐蚀作用。国内外部分研究结果显示，随着二氧化碳溶解程度的增加，钻具腐蚀性也会随之提升^[2]。除此以外，当硫化氢溶解于钻井液时，也会形成弱酸环境，进而诱发钻具出现腐蚀开裂。

1.2石油钻具疲劳

油气多处存在底下数千米深度内，其地质环境较为复杂，不同地层的压力具有显著的差异性。在钻井过程中，石油钻具的钻压处于动态变化过程中。当钻压发生变化时，钻柱应力中心点也会随之发生变化，进而导致钻柱两侧结构交替进行拉伸应力，长此以往会导致钻具出现疲劳断裂。研究结果显示，当钻柱旋转速度与其固有频率接近时，钻杆更易出现疲劳现象。根据钻具的结构组成，业内将钻具失效分为螺纹断裂、加厚过渡带断裂等两大类，其中尤其以前者最为显著。究竟原因在于螺纹是整个钻具中最为薄弱的环节，在复杂交变应力频繁作用下，其使用寿命相对较短。

2. 石油钻具腐蚀疲劳主要影响因素

总体上来说，石油钻具腐蚀疲劳影响因素较为复杂，比如介质腐蚀、表面涂层、应力结构、井斜度和方位角变化、钻杆轴向拉伸载荷、钻杆材料等等，下文对其进行详细阐述。

首先，介质腐蚀因素的影响。钻井液和钻井泥浆的pH值以及溶解氧含量是介质腐蚀的重要评价指标。部分钻杆腐蚀疲劳试验结果显示，当pH值大于7且溶解氧浓度极低时，其疲劳曲线与大气环境较为相近， - N曲线具有明显的水平的特征，其中 指的是钻具疲劳强度，N指的是钻具至疲劳的循环次数。当PH值降低时， - N曲线会随之发生变化， 随着N的增加而下降^[3]。

其次，钻具表面涂层因素的影响。钻具表面的耐腐蚀有机材料在一定程度上能够延长钻杆的使用寿命。其机理在于避免钻井液等腐蚀介质与钻具金属表面直接接触，进而规避腐蚀现象的出现。国外部分研究结果显示，使用内涂层的钻杆能够提升其使用寿命1-2倍。

第三，石油钻具应力结构因素的影响。钻杆内加厚过渡段长度较短，过渡区与管体交接圆角较小，容易出现应力集中现象，进而加剧疲劳裂纹的出现。部门研究结果显示，对传统意义上的钻杆内加厚过渡段结构进行优化升级和改进，能够在一定程度上提升钻杆的使用寿命。需要说明的是，因钻杆表面钢印、钳印、碰伤等诱发的应力集中也会导致钻杆寿命缩短。

第四，钻井过程中井斜度和方位角变化因素的影响。在钻井作业过程中，为保证地下优质储层的钻遇率，钻完井人员会根据地质油藏需求并结合地下地质条件对井身结构进行设计。对于地质条件较为复杂的区域，井身会存在“狗腿子”变化（即井斜度和方位角度变化）。通常情况下，“狗腿子”现象越严重，钻具承受的弯曲交变载荷压力越大，越容易影响钻具的腐蚀疲劳寿命。

第五，钻杆轴向拉伸载荷因素的影响。部分研究结果显示，钻杆轴向拉力增加会导致其抗疲劳能力降低。比如，某研究院以S135钻杆开展试验，在无轴向拉力的情况下，试样弯曲疲劳强度为586MPa，当轴向拉力为276MPa时，试样弯曲疲劳强度为469MPa，当轴向拉力增加至552MPa时，试样弯曲疲劳强度降低为379MPa。需要说明的是，上述试验为大气试验条件下开展的，当处于腐蚀介质条件下时，钻杆轴向拉伸载荷的影响被进一步加强。

第六，钻杆材料等因素的影响。随着钢级强度的提升，钻杆可以承受的疲劳腐蚀强度也会增加。有研究结果显示，仅仅通过调节合金元素的方式，难以有效的提升钻杆抗腐蚀疲劳特性。钻杆疲劳裂纹萌生并达到某一临界值时，裂纹会迅速扩展并断裂，该临界值的大小与钻杆材料的断裂韧性密切相关。目前业内常采用夏比冲击韧性作为衡量钻杆断裂韧性的重要标准。

第七，累积疲劳的影响。对于弯斜井段来说，钻杆要承受更高的弯曲交变压力，钻杆在该情况下旋转时将产生疲劳损伤，其损伤程度与钻杆循环次数有关。钻杆疲劳损伤具有显著的不可逆性，当总损伤量达到一定程度时，就会出现疲劳失效的现象。从理论上来看，累积损伤的概念很容易理解，但是在实际应用时往往有很多困难，比如难以界定某一应力条件下的损伤量。为解决该问题，业内开展了大量的研究，其中比较有代表性的是线性损伤理论。该理论相对简单，得到了广泛的应用，但是其弊端在于没有考虑各种应力水平作用的顺序。

3. 石油钻具腐蚀疲劳预防措施

为有效避免钻杆腐蚀疲劳失效，结合前文论述的腐蚀疲劳主要影响因素，笔者认为在钻井作业中应推广使用涂层钻杆，提升钻杆使用寿命。注重钻井液PH以含氧、硫化氢浓度管理，条件允许时将PH保持在10以上。注重日常维护管理，存放前后应清洗吹干，并将其放置于良好的防腐环境下。选用钻杆时不能仅仅考虑强度因素，应综合考虑其腐蚀疲劳强度以及夏比冲击韧性等。

此外，下井前对钻杆进行无损探伤。目前应用最为广泛地无损检测方法是超声探伤方法，该方法精度高、穿透能力高、应用便捷，重点对加厚过渡区等薄弱环节进行检查，注意排查腐蚀疲劳裂纹，及时排除裂纹严重的钻杆。探头在加厚过渡区移动时，如果探测设备显示信号回波较试样异常高且波峰尖锐时，认为其存在缺陷。通常情况下，与试样信号相比，裂纹信号一般会高出50%左右，严重者可能达到100%。此外，当探头沿着钻杆移动时，回波信号波动幅度较低且起落点较宽时，一般判定为存在腐蚀坑。

4.结束语

腐蚀疲劳是石油钻具失效的主要原因，为了有效避免由此导致的事故，降低作业成本，需要开展钻具腐蚀影响因素及预防措施研究。为更好的提升研究的有效性，应进一步收集钻井失效数据，科学分析内在机理并制定有效的预防措施。

参考文献

[1] 李健, 李文河, 王霄鹏,等. 石油钻具损伤检测方法研究与应用[J]. 中国设备工程, 2021(21):167-168.

[2] 路宝学. 石油钻杆管体的裂纹检测研究[J]. 机械工程师, 2020(4):104-106.

[3] 黄磊, 王国栋, 姚平,等. 石油钻杆管体受控射流法自动超声检测方法研究[J]. 石油管材与仪器, 2021, 7(5):31-34.