事故背景

鉆桿是石油管材中用量較大，質(zhì)量要求又較高的管材，全國各油田每年因鉆桿失效事故導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失巨大。隨著石油裝備的發(fā)展，石油鉆桿的生產(chǎn)質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了較高水平。經(jīng)過鉆桿加厚結(jié)構(gòu)、螺紋結(jié)構(gòu)、內(nèi)涂層等的改進(jìn)，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(shù)的80％。

某井在鉆探過程中發(fā)生多起鉆桿刺漏失效事故，刺漏點(diǎn)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(fā)生在600~900m井深段位置，刺漏時鉆頭所處井深3000~4000m，刺漏發(fā)生時鉆頭井深位置見表1。

表1 刺漏發(fā)生時鉆頭井深位置

刺漏鉆桿的宏觀形貌如圖1所示。

圖1 刺漏鉆桿宏觀形貌

取兩根刺漏的鉆桿進(jìn)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(jìn)尺約30000m。兩根鉆桿的刺漏位置均發(fā)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(fā)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(shè)計井深為4247m。鉆井參數(shù)：鉆壓100kN，轉(zhuǎn)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(fā)生刺漏的鉆桿規(guī)格為？127mm×9.19mm，材料為G105鋼級，為內(nèi)外加厚型鉆桿，涂有內(nèi)涂層，涂層型號為TC2000，鉆桿未焊耐磨帶。

理化檢驗(yàn)

1 宏觀觀察

截取兩根刺漏失效的鉆桿進(jìn)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。

圖2 刺漏孔宏觀形貌

可見刺漏位置均發(fā)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?qū)捈s5mm；2號試樣刺漏孔周向長約35mm，軸向?qū)捈s10mm。刺漏孔開口由內(nèi)壁向外壁張開，試樣外壁均勻分布一些直徑約1~2mm的細(xì)小腐蝕坑。

沿鉆桿縱向剖開觀察試樣的內(nèi)壁形貌，可見1號試樣內(nèi)涂層起皮脫落嚴(yán)重，裸露基體表面附著一層黑色腐蝕產(chǎn)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(fā)現(xiàn)一條沿管體橫向分布的裂紋，長度約20mm，如圖3b）所示。

圖3 1號試樣刺漏孔內(nèi)壁宏觀形貌

2號試樣的內(nèi)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(chǎn)物，但涂層局部起泡較為嚴(yán)重，起泡直徑約2mm，如圖4所示。

圖4 2號試樣刺漏孔內(nèi)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(jīng)泥漿的沖蝕，局部刺漏孔面較為光滑，一些刺漏孔面區(qū)域存在銹蝕。鉆桿內(nèi)壁刺漏孔邊緣存在一個弧形朝向外壁的小平臺，根據(jù)弧形朝向判斷裂紋由內(nèi)壁起源，如圖5a）所示。使用VEGA ⅡXMH型掃描電鏡對試樣進(jìn)行低倍觀察，小平臺靠內(nèi)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(nèi)壁腐蝕坑并擴(kuò)展形成了該平臺，如圖5b）所示。

圖5 1號試樣刺漏孔壓開形貌

2 化學(xué)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(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。

表2 刺漏鉆桿的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

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

3 金相檢驗(yàn)

根據(jù)GB/T 13298－1991?金相顯微組織檢驗(yàn)方法》對刺漏鉆桿取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，刺漏鉆桿的顯微組織為均勻的回火索氏體，如圖6所示。

圖6 刺漏鉆桿的顯微組織形貌

根據(jù)GB/T 10561－2005?鋼中非金屬夾雜物含量的測定———標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法？和GB/T 6394－2017?金屬平均晶粒度測定法？分別對刺漏鉆桿進(jìn)行夾雜物和晶粒度評級，夾雜物評級為C類細(xì)系1.0級，D類細(xì)系0.5級，晶粒度為9級。

1號試樣涂層破裂處管體內(nèi)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(kuò)展形貌，如圖7b）所示。

圖7 刺漏鉆桿內(nèi)壁加厚過渡帶處腐蝕坑底裂紋微觀形貌

4 力學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)ASTM A370－17a Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products取沖擊和拉伸試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 刺漏鉆桿的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

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(xué)性能的要求。

5 微觀分析

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

圖8 裂紋的SEM形貌

6 涂層質(zhì)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(nèi)涂層技術(shù)條件？的技術(shù)要求，并可見該區(qū)域涂層底漆與鉆桿基體間結(jié)合較好，涂層與基體間未發(fā)現(xiàn)異常。

圖9 刺漏鉆桿內(nèi)涂層SEM形貌

涂層附著力

在2號試樣的內(nèi)涂層起泡位置進(jìn)行涂層附著力試驗(yàn)，根據(jù)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(chǎn)物，說明已發(fā)生介質(zhì)的滲透腐蝕，如圖10所示。

圖10 裸露的金屬基體宏觀形貌

7 能譜分析

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

圖11  EDS分析位置

表4 EDS分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

由表4可知，腐蝕產(chǎn)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(nèi)壁發(fā)生了氧腐蝕，腐蝕產(chǎn)物以鐵的氧化物為主。

分析與討論

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，鉆桿外壁腐蝕不嚴(yán)重，無明顯腐蝕坑；鉆桿內(nèi)壁涂層起泡脫落嚴(yán)重，裸露基體已發(fā)生明顯腐蝕。刺漏孔壓開后，在靠近鉆桿內(nèi)壁的刺漏孔面上發(fā)現(xiàn)一個弧形朝外壁的小平臺，平臺面上可以觀察到由內(nèi)壁向外壁發(fā)散的裂紋擴(kuò)展紋路，而且在鉆桿內(nèi)壁涂層脫落處的腐蝕坑底部已經(jīng)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(nèi)壁，屬于腐蝕疲勞失效。鉆桿內(nèi)加厚過渡帶消失處發(fā)生腐蝕疲勞失效與鉆桿的材料、井身結(jié)構(gòu)、加厚過渡帶結(jié)構(gòu)尺寸及井底腐蝕介質(zhì)等因素有關(guān)，以下逐一進(jìn)行分析。

1 鉆桿材料

失效鉆桿的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合API SPEC 5DP－2009的技術(shù)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(dǎo)致鉆桿刺漏的可能性。

2 井況及鉆桿加厚過渡帶結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的情況，鉆桿發(fā)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(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中，鉆桿彎曲應(yīng)變幅度較大，易發(fā)生疲勞失效。

鉆桿發(fā)生刺漏的部位正好位于內(nèi)加厚過渡帶消失位置附近，這與鉆桿本身的幾何結(jié)構(gòu)也有著密切關(guān)系。由于鉆桿在加厚區(qū)和加厚過渡區(qū)，鉆桿壁厚大、剛性大，鉆桿在鉆進(jìn)過程中，在此部位產(chǎn)生彎曲變形小，因而在過渡區(qū)產(chǎn)生裂紋的可能性也小。而在加厚過渡區(qū)消失處，鉆桿壁厚發(fā)生了明顯變化，該處成為形狀突變點(diǎn)，易引發(fā)應(yīng)力集中，在使用中很容易發(fā)生疲勞失效。其應(yīng)力集中的有限元模擬如圖12所示。由有限元模擬結(jié)果可知，鉆桿加厚過渡帶消失處的應(yīng)力存在一定程度的集中。近年來，國內(nèi)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(yīng)力集中程度會有一定程度的降低，且應(yīng)力集中點(diǎn)也會朝管體側(cè)偏移，可以一定程度地降低由鉆桿加厚過渡帶應(yīng)力集中而引起的疲勞破壞，從而延長鉆桿疲勞壽命，但此區(qū)域仍是鉆桿發(fā)生疲勞失效的薄弱點(diǎn)。

圖12 鉆桿加厚過渡帶應(yīng)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(jīng)鉆桿內(nèi)加厚過渡帶時，由于流場發(fā)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(nèi)壁流體的壓力和速度逐漸降低，并且加厚過渡帶內(nèi)壁附近出現(xiàn)顯著負(fù)壓并產(chǎn)生了流體漩渦。

圖13 流場分析云圖（流體方向由左向右）

說明加厚過渡帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)引起流體壓力突變并產(chǎn)生流體漩渦，渦流對鉆桿內(nèi)壁形成一定沖擊作用，并對涂層產(chǎn)生較大破壞。失效鉆桿的內(nèi)涂層破損位置均位于加厚過渡帶的一段區(qū)間內(nèi)，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(guān)。涂層破損后，渦流沖擊將加快腐蝕坑的縱深發(fā)展，也進(jìn)一步增加了腐蝕坑產(chǎn)生疲勞裂紋的風(fēng)險。

4 井底腐蝕介質(zhì)

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(kuò)散的方式進(jìn)入涂層的可能性較普通井的更高。EDS分析結(jié)果表明，鉆桿內(nèi)壁腐蝕坑底的腐蝕產(chǎn)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(fā)生溶解氧腐蝕，不僅與井下氣體分壓有關(guān)，還可能與氣井的井身結(jié)構(gòu)有關(guān)。鉆桿發(fā)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(xiàn)“增→穩(wěn)→降”的變化，存在兩個異向的“拐點(diǎn)”，增加了鉆具在井眼中的側(cè)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(diǎn)”鉆桿受較大拉伸作用，承受載荷更大，服役作業(yè)過程中鉆桿產(chǎn)生彈性變形將更大。在“拐點(diǎn)”井段反復(fù)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(zhì)和氧氣通過腐蝕通道傳輸?shù)酵繉优c基體界面，氧氣作為陰極去極化劑，腐蝕性介質(zhì)作為導(dǎo)電介質(zhì)，基體發(fā)生陽極溶解反應(yīng)，溶解鐵離子在基體/涂層界面進(jìn)一步被氧化形成腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物造成涂層與基體結(jié)合力下降，發(fā)生分離。

腐蝕反應(yīng)機(jī)理如下：

陰極區(qū)反應(yīng)

O2＋4e-＋2H2O→4OH- （1）

 陽極區(qū)反應(yīng)

Fe-2e-→Fe2+ （2）

在鉆井液循環(huán)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(tài)，該腐蝕形態(tài)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(yīng)力集中效應(yīng)；加厚過渡帶產(chǎn)生的渦流對涂層具有破壞作用；S型井“上拐點(diǎn)”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(zhì)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(tài)，并在渦流沖蝕作用下腐蝕坑縱深發(fā)展，進(jìn)一步加大了應(yīng)力集中的程度。最終，鉆桿在應(yīng)力集中部位由于受交變載荷的作用，萌生疲勞裂紋，最終發(fā)生刺漏。

結(jié)論及建議

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

建議對單根鉆桿的使用工況環(huán)境進(jìn)行溯源跟蹤記錄，對出現(xiàn)問題的鉆桿及時進(jìn)行更換；并研發(fā)高質(zhì)量的鉆桿內(nèi)涂層。