摘 要:某公司在鉆井作業(yè)時(shí)發(fā)生一根?１０１．６mm×８．３８mm G１０５鋼級(jí)鉆桿刺穿失效事故. 采用直讀光譜儀、拉伸試驗(yàn)機(jī)、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、能譜儀等設(shè)備對(duì)刺穿鉆桿的化學(xué)成分、力學(xué) 性能、顯微組織以及斷口等進(jìn)行了分析,并且結(jié)合鉆井過(guò)程中的實(shí)際井況對(duì)鉆桿進(jìn)行了刺孔腐蝕機(jī) 理分析、加厚過(guò)渡帶有限元分析.結(jié)果表明:此次鉆桿刺穿為早期腐蝕疲勞失效,疲勞裂紋起源于 鉆桿加厚過(guò)渡帶消失區(qū)域內(nèi)壁的腐蝕坑底部;失效鉆桿沒(méi)有內(nèi)涂層,鉆桿鉆進(jìn)過(guò)程中,在交變載荷 的作用下于應(yīng)力集中的加厚過(guò)渡帶消失區(qū)域腐蝕坑底部萌生腐蝕疲勞裂紋,裂紋不斷擴(kuò)展最終造 成刺穿失效.最后根據(jù)此次鉆桿產(chǎn)生早期腐蝕疲勞裂紋的原因提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議.
關(guān)鍵詞:鉆桿;刺穿;腐蝕疲勞;加厚過(guò)渡帶;內(nèi)涂層;應(yīng)力集中
中圖分類號(hào):TG１４２．３３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０９０９Ｇ０６
某 公 司 鉆 井 至 １２１５ m 左 右,發(fā) 現(xiàn) 鉆 壓 從 ２２MPa下降至１７MPa,起下鉆在距離井口約６４６m 的位置發(fā)現(xiàn)一根鉆桿發(fā)生了刺漏穿孔.刺穿鉆桿規(guī) 格為?１０１．６mm×８．３８ mm,鋼級(jí)為 G１０５,鉆桿無(wú) 防腐內(nèi)涂層,在距離母接頭端部６２０mm 處發(fā)生了 刺穿.鉆井 參 數(shù) 如 下:鉆 壓 ２２．３ MPa,大 鉤 載 荷 １０kN,排量６１．２m３??h－１,轉(zhuǎn)速１２０r??min－１,扭矩 １９ kN?? m,平 均 鉆 進(jìn) 速 度 ０．３m??h－１,井 深 ３６６５．９２m 處最大角度９１．９２°.為查明該鉆桿刺穿 原因,防止該類鉆具失效事故再次發(fā)生,筆者對(duì)刺穿 鉆桿進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析.
１ 理化檢驗(yàn)
１．１ 宏觀分析
１．１．１ 鉆桿管體尺寸測(cè)量及無(wú)損檢測(cè)
宏觀觀察可見,鉆桿管體外表面只有一處刺漏穿 孔,依據(jù) ASTM E７０９－２０１５«磁粉探傷方法»對(duì)失效 鉆桿外表面進(jìn)行磁粉探傷,未發(fā)現(xiàn)有其他肉眼可見的 缺陷存在,如圖１a),b)所示.刺孔距外母接頭臺(tái)肩 面的距離為６２０mm,刺孔周向長(zhǎng)度約１５mm,軸向 最長(zhǎng)約８mm,刺孔形貌如圖１c),d)所示.
測(cè) 量 鉆 桿 管 體 尺 寸,結(jié) 果 如 下:外 徑 約 為 １０１．８mm,壁 厚 約 為 ８．３０ mm,均 滿 足 APISpec ５DP－２００９«鉆桿規(guī)范»要求.
１．１．２ 鉆桿內(nèi)壁形貌分析
將失效鉆桿沿管體縱向剖開后對(duì)加厚過(guò)渡帶尺 寸進(jìn) 行 測(cè) 量,加 厚 區(qū) 外 徑 為 １０５．６ mm,壁 厚 為 １６．１mm,內(nèi)錐面過(guò)渡平緩,其長(zhǎng)度約１１６mm,滿足 APISpec５DP－２００９要求,刺孔位于加厚過(guò)渡帶消 失區(qū)域,如圖２a)所示.鉆桿內(nèi)壁沒(méi)有涂層,表面黏 附大量的“鼓包”狀腐蝕產(chǎn)物和鉆井液殘留物,腐蝕 產(chǎn)物較為疏松,顏色較淺,容易剝落,剝落后的腐蝕 產(chǎn)物呈片狀,易碎,如圖２b)所示.去除附著物后的 鉆桿內(nèi)壁形貌如圖２c)所示,可見分布有大量深淺 不一的腐蝕坑[１Ｇ２].
１．２ 力學(xué)性能測(cè)試
在失效鉆桿靠近刺孔處取?６．３５ mm、標(biāo)距長(zhǎng) 度為２５mm 的圓棒拉伸試樣(由于失效樣品長(zhǎng)度有限,故取非標(biāo)圓棒拉伸試樣),７．５ mm×１０ mm× ５５mm 的V 型缺口沖擊試樣,以及１０ mm 厚的全 壁厚 硬 度 環(huán),按 照 ASTM A３７０－１７a 和 ASTM E２３－１６b等相關(guān) 標(biāo) 準(zhǔn) 分 別 進(jìn) 行 拉 伸、沖 擊、硬 度 試驗(yàn).由表 １ 和 表 ２ 可 見,刺 穿 鉆 桿 的 各 項(xiàng) 拉 伸 性能以 及 沖 擊 吸 收 能 量 均 符 合 APISpec５DP－ ２００９要求.
１．３ 化學(xué)成分分析
在失效鉆桿靠近刺孔處取化學(xué)成分分析用試 樣,采用直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果 見表３.結(jié)果表明失效鉆桿管體的化學(xué)成分符 合 APISpec５DP－２００９技術(shù)要求.
１．４ 金相分析
依據(jù) GB/T１３２９８－２０１５«金相顯微組織檢驗(yàn) 方法»對(duì)刺穿鉆桿管體取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn).失效鉆 桿顯微組織形貌如圖３所示,為回火索氏體.根據(jù) GB/T１０５６１－２００５«鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè) 定———標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法»(ASTM E４５－１８) 對(duì)試樣非金屬夾雜物含量進(jìn)行評(píng)定,結(jié)果為:A０．５, B１．０,C０．５,D１．０.
１．５ 點(diǎn)蝕坑底裂紋分析
將失效鉆桿管體內(nèi)壁刺孔附近的點(diǎn)蝕坑剖開, 制成金相試樣進(jìn)行觀察.由圖４可見,坑底存在灰 色的氧化物,大多數(shù)腐蝕坑底存在裂紋,并且沿徑向穿晶向外壁擴(kuò)展,裂紋起始處較寬,裂紋兩側(cè)的顯微 組織與基體顯微組織相同,裂紋內(nèi)部含有灰色物質(zhì), 具有疲勞裂紋擴(kuò)展特征[３].
１．６ 斷口微觀形貌分析
將失效鉆桿刺孔采用機(jī)械的方式沿管體橫向壓 開,然后在掃描電鏡下進(jìn)行觀察.斷口整體形貌見 圖５a),可見刺孔斷口表面被腐蝕產(chǎn)物覆蓋,同時(shí)還 可以發(fā) 現(xiàn) 刺 孔 邊 緣 存 在 多 個(gè) 圓 弧 狀 臺(tái) 階 面,見 圖５b),該圓弧狀臺(tái)階面由內(nèi)壁向外壁呈扇形擴(kuò)展, 這表明刺孔起源于鉆桿內(nèi)壁,由內(nèi)壁向外擴(kuò)展而成.
圓弧狀臺(tái)階面為未刺穿的裂紋面,對(duì)試樣的裂紋面進(jìn)行微觀形貌和能譜分析.低倍觀察裂紋面時(shí) 發(fā)現(xiàn),整個(gè)裂紋擴(kuò)展面平坦,有腐蝕痕跡;高倍觀察 裂紋面的腐蝕物為灰色,如圖６a)所示;在裂紋尖端 附近,由于裂紋擴(kuò)展速度較快而無(wú)腐蝕物填充處可 見疲勞輝紋,如圖６b)所示.對(duì)裂紋擴(kuò)展面的腐蝕 產(chǎn)物及 裂 紋 尖 端 內(nèi) 物 質(zhì) 進(jìn) 行 能 譜 分 析,結(jié) 果 如圖７所示.由圖７a)可見,裂紋擴(kuò)展面腐蝕產(chǎn)物的 主要元素成分為氧和鐵,另含有少量的碳、鉻、錳、 硅、鈉等元素.由圖７b)可見,裂紋尖端內(nèi)物質(zhì)的主 要元素成分為鐵,另含有少量的碳、氧、鉻、錳、硅等 元素.
上述分析結(jié)果表明,鉆桿內(nèi)壁在井下的腐蝕程 度較為嚴(yán)重,且腐蝕產(chǎn)物主要為氧化腐蝕產(chǎn)物,造成 鉆桿刺 漏 的 疲 勞 裂 紋 萌 生 于 鉆 桿 內(nèi) 壁 腐 蝕 坑 底 部[４Ｇ５].
２ 綜合分析
２．１ 內(nèi)涂層對(duì)鉆桿疲勞壽命的影響
該鉆桿內(nèi)壁無(wú)防腐涂層,鉆桿內(nèi)壁腐蝕較為嚴(yán) 重,表面存在大量的腐蝕坑,這對(duì)鉆桿的疲勞壽命影 響較大.能譜分析結(jié)果表明,鉆桿在井下受到溶解 氧腐蝕.鉆桿在使用過(guò)程中,泥漿在其表面沉積結(jié) 垢,為發(fā)生垢下氧腐蝕提供了有利條件.溶解氧對(duì) 金屬表面的腐蝕主要為電化學(xué)腐蝕,在腐蝕電池中 陰極反應(yīng)主要是氧的還原,垢下封閉區(qū)金屬為陽(yáng)極, 陽(yáng)極反應(yīng)則是鐵的溶解,反應(yīng)方程式如下
上述電化學(xué)反應(yīng)生成的 Fe２＋ 通常很不穩(wěn)定,遇 到氧時(shí)極易氧化生成 Fe(OH)３ 沉淀下來(lái),然后部 分生成物將進(jìn)一步水解成為鐵銹或羥基氧化鐵,其 反應(yīng)方程式為
此外,在腐蝕產(chǎn)物內(nèi)部,羥基氧化鐵還可以與Fe２＋ 進(jìn)一步結(jié)合,形成黑色致密的 Fe３O４,并覆蓋在 金屬基體表面,阻止腐蝕性離子穿透腐蝕產(chǎn)物膜,反 應(yīng)方程式如下
溶解氧腐蝕后常常在其表面形成許多小型鼓 泡,鼓泡表層的黃褐色和磚紅色產(chǎn)物可能是 Fe２O３, 次層的黑色腐蝕產(chǎn)物是 Fe３O４,當(dāng)將這些腐蝕產(chǎn)物 清除后,可以看到腐蝕造成的凹坑,分析結(jié)果與刺穿 鉆桿內(nèi)壁腐蝕形貌基本一致[６Ｇ７].
在防止鉆桿內(nèi)壁腐蝕方面,內(nèi)涂層鉆桿管體具 有很高的抗腐蝕疲勞強(qiáng)度和使用壽命.根據(jù)近年來(lái) 推廣應(yīng)用內(nèi)涂層鉆桿的經(jīng)驗(yàn),由于涂層表面光滑,可 以減小表面阻力約 ５０％,使泥 漿 泵 壓 力 損 失 減 少 １０％~２５％,在泥漿、井深相同的情況下,泵壓可降 低２MPa.
此外,使用內(nèi)涂層鉆桿可以減少鉆具事故的發(fā) 生,延長(zhǎng)鉆桿的檢測(cè)周期,減少鉆桿清洗時(shí)間,延長(zhǎng) 泥漿泵的使用壽命,減少維修費(fèi)用.據(jù)統(tǒng)計(jì),８５％的 內(nèi)涂層鉆桿可延長(zhǎng)使用壽命２倍,６５％的內(nèi)涂層鉆 桿可延長(zhǎng)使用壽命３倍.非內(nèi)涂層的鉆桿在鉆井過(guò) 程中,鉆桿除了要長(zhǎng)期經(jīng)受拉、壓、扭、彎曲、振動(dòng)、水 力載荷等交變應(yīng)力及動(dòng)載的作用外,同時(shí)還要經(jīng)受 鉆井泥漿中溶解氧、二氧化碳、硫化氫和其他腐蝕介 質(zhì)以及地層中的氯化物、碳酸鹽介質(zhì)的作用,這些因 素均會(huì)對(duì)鉆桿造成嚴(yán)重的腐蝕[８].
２．２ 鉆井轉(zhuǎn)速對(duì)鉆桿疲勞壽命的影響
失效鉆桿在井下轉(zhuǎn)速為１２０r??min－１,鉆桿轉(zhuǎn)速 越高,在井下彎曲幅度就越大,受到的旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力 也會(huì)相應(yīng)增大,鉆桿發(fā)生疲勞失效的概率就越高. 高轉(zhuǎn)速會(huì)增大鉆柱的離心力,使鉆柱受到額外的彎 曲應(yīng)力;高轉(zhuǎn)速還會(huì)產(chǎn)生劇烈的震動(dòng)載荷,尤其在井 身結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重“狗腿度”的井段,會(huì)使鉆柱受到嚴(yán) 重的損害;高轉(zhuǎn)速還會(huì)使鉆柱產(chǎn)生極大的慣性矩和 動(dòng)能,一旦發(fā)生卡鉆和蹩鉆,就會(huì)使鉆柱承受異常大 的載荷,導(dǎo)致鉆柱受力條件惡化;高轉(zhuǎn)速還會(huì)使鉆柱 所受的復(fù)合應(yīng)力增大,導(dǎo)致疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展速 度加快,最終使鉆桿刺穿[９].在條件允許的情況下, 可采用螺桿等井下動(dòng)力鉆具鉆進(jìn),適當(dāng)降低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn) 速,提高鉆桿的使用壽命.
２．３ 加厚過(guò)渡帶區(qū)域應(yīng)力集中對(duì)鉆桿疲勞壽命的 影響
刺孔位于失效鉆桿加厚過(guò)渡帶消失區(qū)域,并且 從內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展而形成.鉆桿加厚過(guò)渡帶消失區(qū) 域?yàn)閼?yīng)力集中點(diǎn).在鉆井作業(yè)時(shí),該區(qū)域腐蝕坑底部的應(yīng)力集中會(huì)更加明顯,并且比鉆桿管體其他區(qū) 域腐蝕坑底部的應(yīng)力要大.因此,在交變應(yīng)力作用 下,加厚過(guò)渡帶消失區(qū)域腐蝕坑底部會(huì)優(yōu)先萌生疲 勞裂紋.裂紋一旦產(chǎn)生,應(yīng)力集中現(xiàn)象就會(huì)更加明 顯,裂紋不斷延伸直至刺穿鉆桿.
采用有限元分析軟件建立失效鉆桿加厚過(guò)渡帶 區(qū)域的三維力學(xué)模型,分析在軸向拉力、彎矩和扭矩 復(fù)合載荷作用下過(guò)渡帶區(qū)域的受力特征.分析模型 的過(guò)渡帶區(qū)域使用精細(xì)網(wǎng)格,其余區(qū)域采用相對(duì)稀 疏的網(wǎng)格.應(yīng)力分析邊界條件為:１０６１kN 軸向拉 力(等效于６０％名義屈服應(yīng)力)、２１６０N??m 彎矩和 ２０kN??m 扭矩.圖８為刺穿鉆桿加厚過(guò)渡帶區(qū)域的 VonＧMises應(yīng)力分布云圖,可見在復(fù)合載荷作用下, 受拉側(cè)加厚過(guò)渡帶消失區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力峰值,與鉆桿 刺穿區(qū)域相對(duì)應(yīng).
鉆具在井下受到的應(yīng)力是比較復(fù)雜的,有限元 分析主要將應(yīng)力集中區(qū)域表現(xiàn)出來(lái),應(yīng)力集中區(qū)域 復(fù)合載荷應(yīng)力是最大的,這里主要還是考慮彎曲應(yīng) 力的作用,因?yàn)楦鶕?jù)裂紋擴(kuò)展方向,彎曲應(yīng)力才是導(dǎo) 致其萌生、擴(kuò)展的主要原因.眾所周知,鉆桿加厚過(guò) 渡帶區(qū)域是一個(gè)比較薄弱的區(qū)域,在過(guò)渡帶消失區(qū) 域應(yīng)力集中較為明顯,之前的一些文獻(xiàn)和研究都已 經(jīng)證實(shí)了這個(gè)問(wèn)題.因?yàn)樵撱@桿無(wú)防腐涂層,鉆桿 內(nèi)表面很容易被腐蝕,對(duì)于一般的金屬,表面被腐蝕 后會(huì)形成一層鈍化膜,阻緩腐蝕的進(jìn)一步加深,但是在加厚過(guò)渡帶區(qū)域,因?yàn)閼?yīng)力集中較為明顯,該區(qū)域 有可能彎曲幅度較大,氧化膜很可能會(huì)破裂,導(dǎo)致鉆 桿基體與泥漿接觸,腐蝕進(jìn)一步加深,周而復(fù)始,發(fā) 生刺穿失效.
３ 結(jié)論及建議
此次鉆桿刺穿為早期腐蝕疲勞失效,疲勞裂紋 起源于鉆桿加厚過(guò)渡帶消失區(qū)域內(nèi)壁的腐蝕坑底 部;鉆桿鉆進(jìn)過(guò)程中,在交變載荷的作用下加厚過(guò)渡 帶消失區(qū)域由于應(yīng)力集中而在腐蝕坑底部萌生腐蝕 疲勞裂紋,裂紋不斷擴(kuò)展最終造成鉆桿刺穿失效.
建議采用內(nèi)涂層鉆桿,可以有效避免鉆桿基體 與井下介質(zhì)的直接接觸,防止鉆桿內(nèi)壁腐蝕,提高鉆 桿的疲勞壽命;適當(dāng)降低鉆桿轉(zhuǎn)速,減小鉆桿承受的 旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力,也可以提高鉆桿的使用壽命.
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