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G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

嘉峪檢測網        2019-11-19 16:38

事故背景

 

鉆桿是石油管材中用量較大,質量要求又較高的管材,全國各油田每年因鉆桿失效事故導致的經濟損失巨大。隨著石油裝備的發展,石油鉆桿的生產質量已經達到了較高水平。經過鉆桿加厚結構、螺紋結構、內涂層等的改進,大幅度提高了鉆桿的使用壽命。而腐蝕疲勞依然是鉆桿失效的主要破壞形式,約占鉆桿失效總數的80%。對于鉆桿失效原因,許多學者已進行了大量的試驗分析與研究。

 

某井在鉆探過程中發生多起鉆桿刺漏失效事故,刺漏點都在鉆桿加厚過渡帶消失處附近,其中靠公扣端刺漏的鉆桿有4根,靠母扣端刺漏的鉆桿有8根;鉆桿刺漏部位絕大部分發生在600~900m井深段位置,刺漏時鉆頭所處井深3000~4000m,刺漏發生時鉆頭井深位置見表1。

 

表1 刺漏發生時鉆頭井深位置

G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

刺漏鉆桿的宏觀形貌如圖1所示。

G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

圖1 刺漏鉆桿宏觀形貌

 

取兩根刺漏的鉆桿進行分析,該兩根鉆桿在刺漏前共服役7口井,其中4口直井,3口定向井,每口井深度約為4000m,總進尺約30000m。兩根鉆桿的刺漏位置均發生在距母接頭密封端面700mm處。這兩根鉆桿刺漏時井深分別為3748和3760m。

 

發生鉆桿刺漏的井為先增斜后降斜的S型定向井,在井深560m處造斜,造斜段井眼全角變化率最大值為4.9°·30m-1,設計井深為4247m。鉆井參數:鉆壓100kN,轉速45r·min-1,排量30L·s-1,泵壓7.5MPa,鉆井液為聚磺體系泥漿,pH為9。發生刺漏的鉆桿規格為?127mm×9.19mm,材料為G105鋼級,為內外加厚型鉆桿,涂有內涂層,涂層型號為TC2000,鉆桿未焊耐磨帶。

 

理化檢驗

1

宏觀觀察

截取兩根刺漏失效的鉆桿進行宏觀觀察,兩根鉆桿分別編號為1號和2號,其宏觀形貌如圖2所示。

G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

圖2 刺漏孔宏觀形貌

 

可見刺漏位置均發生在鉆桿母接頭加厚過渡帶消失位置附近,1號試樣刺漏孔周向長約30mm,軸向寬約5mm;2號試樣刺漏孔周向長約35mm,軸向寬約10mm。刺漏孔開口由內壁向外壁張開,試樣外壁均勻分布一些直徑約1~2mm的細小腐蝕坑。

 

沿鉆桿縱向剖開觀察試樣的內壁形貌,可見1號試樣內涂層起皮脫落嚴重,裸露基體表面附著一層黑色腐蝕產物,涂層未脫落部位可見直徑約2mm的起泡,如圖3a)所示。在刺漏孔附近發現一條沿管體橫向分布的裂紋,長度約20mm,如圖3b)所示。

G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

圖3 1號試樣刺漏孔內壁宏觀形貌

 

2號試樣的內壁涂層保持相對完好,僅有幾處破壞脫落,裸露基體已附著黑色腐蝕產物,但涂層局部起泡較為嚴重,起泡直徑約2mm,如圖4所示。

 

G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

圖4 2號試樣刺漏孔內壁宏觀形貌 

 

將1號試樣的刺漏孔沿管體縱向壓開,刺漏孔面上經泥漿的沖蝕,局部刺漏孔面較為光滑,一些刺漏孔面區域存在銹蝕。鉆桿內壁刺漏孔邊緣存在一個弧形朝向外壁的小平臺,根據弧形朝向判斷裂紋由內壁起源,如圖5a)所示。使用VEGA ⅡXMH型掃描電鏡對試樣進行低倍觀察,小平臺靠內壁邊緣可見明顯腐蝕坑,直徑約2mm,初步判斷疲勞裂紋起源于內壁腐蝕坑并擴展形成了該平臺,如圖5b)所示。

 

G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

圖5 1號試樣刺漏孔壓開形貌

2

化學成分分析

在試樣的刺漏孔位置附近取樣,使用ARL-4460-OES型直讀光譜儀進行化學成分分析,結果見表2。

 

表2 刺漏鉆桿的化學成分(質量分數)%

G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

 

由表2可知,失效鉆桿的化學成分符合API Spec 5DP-2009 Specification for Drill Pipe對G105鋼級鉆桿的技術要求。

3

金相檢驗

根據GB/T 13298-1991«金相顯微組織檢驗方法»對刺漏鉆桿取樣進行金相檢驗,刺漏鉆桿的顯微組織為均勻的回火索氏體,如圖6所示。

 

G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

圖6 刺漏鉆桿的顯微組織形貌

 

根據GB/T 10561-2005«鋼中非金屬夾雜物含量的測定———標準評級圖顯微檢驗法»和GB/T 6394-2017«金屬平均晶粒度測定法»分別對刺漏鉆桿進行夾雜物和晶粒度評級,夾雜物評級為C類細系1.0級,D類細系0.5級,晶粒度為9級。

 

1號試樣涂層破裂處管體內壁腐蝕坑形貌如圖7所示,其中大腐蝕坑深度約0.2mm,腐蝕坑底存在沿管體橫向分布的裂紋,裂紋長度0.5~3mm,如圖7a)所示,裂紋尖端呈沿晶擴展形貌,如圖7b)所示。

G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

圖7 刺漏鉆桿內壁加厚過渡帶處腐蝕坑底裂紋微觀形貌

4

力學性能試驗

依據ASTM A370-17a Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products取沖擊和拉伸試樣進行力學性能試驗,結果見表3。

 

表3 刺漏鉆桿的力學性能試驗結果

G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

 

由表3可知,失效鉆桿的拉伸性能和沖擊吸收能量均符合API Spec 5DP-2009對G105鋼級鉆桿力學性能的要求。

5

微觀分析

使用掃描電鏡(SEM)觀察刺漏鉆桿內壁刺孔旁腐蝕坑底裂紋,在裂紋尖端位置發現疲勞輝紋,如圖8所示,推斷鉆桿內壁裂紋為腐蝕疲勞裂紋。

 

G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

圖8 裂紋的SEM形貌

6

涂層質量評價

涂層形貌

失效鉆桿試樣的涂層SEM形貌如圖9所示,涂層厚度符合SY/T 0544-2010«石油鉆桿內涂層技術條件»的技術要求,并可見該區域涂層底漆與鉆桿基體間結合較好,涂層與基體間未發現異常。

 

G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

圖9 刺漏鉆桿內涂層SEM形貌

 

涂層附著力

在2號試樣的內涂層起泡位置進行涂層附著力試驗,根據SY/T 0544-2010評級為D級,表明涂層附著力很差。裸露金屬基體上附著黑色腐蝕產物,說明已發生介質的滲透腐蝕,如圖10所示。

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圖10 裸露的金屬基體宏觀形貌

7

能譜分析

對鉆桿內壁涂層脫落處腐蝕坑剖面的腐蝕產物與涂層和基體界面處的顆粒物進行能譜(EDS)分析,分析位置如圖11所示,分析結果見表4。

 

G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

圖11 EDS分析位置

 

表4 EDS分析結果(質量分數)

G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

 

由表4可知,腐蝕產物中主要含有鐵、氧和碳元素,其中氧元素含量最高,說明鉆桿內壁發生了氧腐蝕,腐蝕產物以鐵的氧化物為主。

 

分析與討論

由理化檢驗結果可知,鉆桿外壁腐蝕不嚴重,無明顯腐蝕坑;鉆桿內壁涂層起泡脫落嚴重,裸露基體已發生明顯腐蝕。刺漏孔壓開后,在靠近鉆桿內壁的刺漏孔面上發現一個弧形朝外壁的小平臺,平臺面上可以觀察到由內壁向外壁發散的裂紋擴展紋路,而且在鉆桿內壁涂層脫落處的腐蝕坑底部已經萌生了多條裂紋,裂紋尖端處觀察到疲勞輝紋,說明此次鉆桿刺漏裂紋起源于管體內壁,屬于腐蝕疲勞失效。鉆桿內加厚過渡帶消失處發生腐蝕疲勞失效與鉆桿的材料、井身結構、加厚過渡帶結構尺寸及井底腐蝕介質等因素有關,以下逐一進行分析。

 

1

鉆桿材料

失效鉆桿的化學成分和力學性能均符合API SPEC 5DP-2009的技術要求。刺漏孔附近的顯微組織為均勻的回火索氏體,晶粒度為9級,夾雜物評級正常,可以排除由鉆桿材料不符合要求導致鉆桿刺漏的可能性。

2

井況及鉆桿加厚過渡帶結構

根據現場調查的情況,鉆桿發生刺漏時所處井深位置處于井身造斜段,全角變化率最大值為4.9°·30m-1。造斜段的鉆桿本身存在一定程度的彎曲變形,在旋轉鉆進過程中,鉆桿彎曲應變幅度較大,易發生疲勞失效。

 

鉆桿發生刺漏的部位正好位于內加厚過渡帶消失位置附近,這與鉆桿本身的幾何結構也有著密切關系。由于鉆桿在加厚區和加厚過渡區,鉆桿壁厚大、剛性大,鉆桿在鉆進過程中,在此部位產生彎曲變形小,因而在過渡區產生裂紋的可能性也小。而在加厚過渡區消失處,鉆桿壁厚發生了明顯變化,該處成為形狀突變點,易引發應力集中,在使用中很容易發生疲勞失效。其應力集中的有限元模擬如圖12所示。由有限元模擬結果可知,鉆桿加厚過渡帶消失處的應力存在一定程度的集中。近年來,國內外研究表明隨著加厚過渡圓弧長度的增大,鉆桿加厚過渡帶的應力集中程度會有一定程度的降低,且應力集中點也會朝管體側偏移,可以一定程度地降低由鉆桿加厚過渡帶應力集中而引起的疲勞破壞,從而延長鉆桿疲勞壽命,但此區域仍是鉆桿發生疲勞失效的薄弱點。

 

G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

圖12 鉆桿加厚過渡帶應力有限元分析

3

加厚過渡帶流場沖蝕

鉆井液由鉆桿加厚直段流經鉆桿內加厚過渡帶時,由于流場發生突變,可能造成局部渦流和較大的壓力波動,其流場的有限元模擬如圖13所示,可見流體由左端加厚直段流向加厚過渡帶時,靠近內壁流體的壓力和速度逐漸降低,并且加厚過渡帶內壁附近出現顯著負壓并產生了流體漩渦。

 

G105鋼級鉆桿刺漏失效分析

圖13 流場分析云圖(流體方向由左向右)

 

說明加厚過渡帶結構特點引起流體壓力突變并產生流體漩渦,渦流對鉆桿內壁形成一定沖擊作用,并對涂層產生較大破壞。失效鉆桿的內涂層破損位置均位于加厚過渡帶的一段區間內,說明了涂層破損與加厚過渡帶形成的渦流沖擊大概率相關。涂層破損后,渦流沖擊將加快腐蝕坑的縱深發展,也進一步增加了腐蝕坑產生疲勞裂紋的風險。

4

井底腐蝕介質

由于失效鉆桿所服役的井皆為氣井,氣井地層中的氣體分壓較普通井的偏高,氣井中氧氣和其他腐蝕性氣體通過擴散的方式進入涂層的可能性較普通井的更高。EDS分析結果表明,鉆桿內壁腐蝕坑底的腐蝕產物皆為鐵的氧化物,說明基體的腐蝕以溶解氧腐蝕為主。

 

基體早期發生溶解氧腐蝕,不僅與井下氣體分壓有關,還可能與氣井的井身結構有關。鉆桿發生失效事故的氣井是先增斜后降斜的S型井眼,S型井眼在同一裸眼井段出現“增→穩→降”的變化,存在兩個異向的“拐點”,增加了鉆具在井眼中的側向力,相對普通直井和定向井的摩擦阻力更大,鉆桿載荷也要偏大,尤其是“上拐點”鉆桿受較大拉伸作用,承受載荷更大,服役作業過程中鉆桿產生彈性變形將更大。在“拐點”井段反復的彈性變形易使鉆桿基體上防腐涂層的附著力弱化,并在彈性變形的作用下涂層上形成了長徑比很大的腐蝕通道,腐蝕性介質和氧氣通過腐蝕通道傳輸到涂層與基體界面,氧氣作為陰極去極化劑,腐蝕性介質作為導電介質,基體發生陽極溶解反應,溶解鐵離子在基體/涂層界面進一步被氧化形成腐蝕產物,腐蝕產物造成涂層與基體結合力下降,發生分離。

 

腐蝕反應機理如下:

陰極區反應

O24e-2H2O→4OH- (1)

 陽極區反應

Fe-2e-→Fe2+ (2)

 

在鉆井液循環過程中,由于涂層局部小面積的脫落,使鉆桿本體暴露在鉆井液中,在裸露的鉆桿本體與鉆井液之間形成了“大陰極、小陽極”腐蝕形態,該腐蝕形態為局部腐蝕,腐蝕只能縱向深入,使得涂層脫落處的鉆桿本體腐蝕加速。

 

鉆桿在加厚過渡帶消失位置存在應力集中效應;加厚過渡帶產生的渦流對涂層具有破壞作用;S型井“上拐點”載荷及彈性變形較大,加快鉆桿涂層形成長徑比較大的腐蝕通道;氣井中氣體分壓大,氣體滲透率高,氧氣及腐蝕性介質浸入后,加速涂層起泡破壞;涂層破壞后形成“大陰極、小陽極”加速腐蝕形態,并在渦流沖蝕作用下腐蝕坑縱深發展,進一步加大了應力集中的程度。最終,鉆桿在應力集中部位由于受交變載荷的作用,萌生疲勞裂紋,最終發生刺漏。

 

結論及建議

鉆桿的內涂層在井內腐蝕介質的長期影響下起泡脫落,鉆桿內壁基體被腐蝕,在造斜井段交變載荷作用下于鉆桿應力集中的加厚過渡帶的腐蝕坑處產生疲勞裂紋,裂紋擴展最終導致鉆桿刺漏。

 

建議對單根鉆桿的使用工況環境進行溯源跟蹤記錄,對出現問題的鉆桿及時進行更換;并研發高質量的鉆桿內涂層。

 

 

 

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來源:Internet

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