钻杆管体横向开裂失效原因分析与预防

李艳丽， 王振志， 李晓晖， 王克虎， 和　新， 杨宏伟， 常吉星， 任立坤， 王洪炜， 苏辰兆

(河北省地矿局国土资源勘查中心，石家庄　050080)

钻杆作为钻柱系统的重要组成部分，是影响钻井安全和钻进效率的关键部件，由于钻杆在使用过程中承受拉压弯扭等复杂交变载荷的作用，同时还受环境介质的影响，钻杆失效事故在钻柱总失效事故中占比为50%～60%。钻杆的主要失效有管体刺穿和断裂、接头螺纹黏扣、刺漏和断裂等形式。一旦发生钻杆失效，尤其是断裂，极易引发严重的钻井事故，造成重大经济损失。所以针对钻杆失效形式进行原因分析并采取措施避免，具有重要意义。

1　施工区地层特征及事故发生过程

2015年6月，某钻井公司在吉林省白山市进行地热井施工。该区域为中朝准台地北缘东段，处于浑江凹陷、褶皱断层带上，为单斜构造。地层总体走向北东45°，倾向东南，倾角在30～40°。地热井主要钻遇地层为：0～10m，新生界第四系，岩性为砂层、砾石层黏土层；10～695.5m，中生界侏罗-白垩系，岩性为黄绿色、粉色砂岩，夹泥岩； 695.50～1 930m，元古界震旦系桥头组、万隆组和八道江组，岩性为灰岩、板状粉砂岩、石英砂岩。

地热井设计井深2 500m，施工目的层为1 200～2 500m的含水层段。施工使用钻机为石油30。事故发生时井深1 320m，距井底135～140m的一支Φ127 mm×9.19mm，G105 钢级钻杆，提钻时发现管体有横向裂纹，尚未造成刺漏和折断，钻杆管体材质为 26CrMo4s/2 钢，钻杆开裂部位距内螺纹接头端面2.5m处。钻具配置为Φ215.9 mm镶齿牙轮钻头+Φ178 mm钻铤4支+Φ165 mm钻铤8支+Φ127 mm钻杆，钻进过程中泵压4.5MPa，钻压2～3t，钻井液pH=7。

为了查明钻杆管体横向开裂的原因，避免此类失效事故的再次发生，笔者对失效样品进行了分析，并提出了相应的改善实施与建议。

2　宏观观察与尺寸检测

钻杆管体横向裂纹清晰可见，裂口平齐锐直，贯穿整个壁厚，裂纹环向长度占周长的60%，如图1所示，断口外侧平坦，颜色较深，靠近断口内侧存在一条圆弧线，线外侧平坦，内侧倾斜，判断该线即为裂纹扩展区与撕裂区的边界线。

另外，管体外壁存在较多肉眼可见腐蚀坑，管体内壁存在很多小鼓包、凸起，鼓包物质疏松、易剥落，清除鼓包后，下面清晰可见大量深浅不一腐蚀坑，形貌如图2所示。

3　微观观察

3.1　内外壁形貌

在钻杆断口附近取样，扫描电子显微镜下观察其外壁和内壁形貌，如图3和图4所示。

图1　钻杆管体失效形式Figure 1　Drill rod failure mode

(a)外壁　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)内壁图2　腐蚀形貌Figure 2　Corrosion morphology

图3　断口附近外壁形貌Figure 3　Rod external wall morphology near the fracture surface

(a)断口　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)内壁裂纹图4　扩展区疲劳辉纹Figure 4　Expanding area fatigue striations

从图3、图4可以看出，断口外壁腐蚀较为严重，断口附近存在环向裂纹，该裂纹起源于腐蚀坑；断口扩展区及内壁裂纹扩展区均存在疲劳辉纹。

3.2　腐蚀产物的物相分析

分别在管体内壁和外壁刮取腐蚀产物，通过X射线衍射分析物相组成，分析结果如图5所示。

由图5可知，该钻杆外壁腐蚀产物主要含有Fe2O3·H2O，内壁腐蚀产物主要含有Fe3O4。

4　材质分析

4.1　化学成分分析

对开裂管子取样，按照ASTM A751《钢制品化学分析方法及定义》对试样进行化学成分分析，结果见表1。结果表明该钻杆管体化学成分符合API SPEC 5DP-2009钻杆规范的要求，同时也符合材料用钢26CrMo4s/2的成分要求。

4.2　力学性能分析

在断口附近分别取板状拉伸试样和夏比V型缺口纵向冲击试样，拉伸试样规格为25.4mm，厚为钻杆壁厚9.19 mm，按照ASTM A370-2010钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义和ASTM E23金属材料缺口冲击试验标准方法进行试验，拉伸和冲击试验结果见表2。

从表2可以看出结果，开裂管体的力学性能完全符合API SPEC 5DP钻杆规范》的技术要求。

(a)外壁　　　　　　　　　　　　　　　　(b)内壁图5　腐蚀产物X射线衍射分析结果Figure 5　X-ray diffraction analyzed result of corrosion products

项目CSiMnPSCrMo管体实测0.260.241.130.0080.0010.910.16APISPEC5DP———≤0.020≤0.015——材质要求0.24～0.300.20～0.351.05～1.20≤0.015≤0.0080.80～1.000.15～0.2

表2　开裂管体的力学性能

4.3　金相分析

在钻杆开裂处附近取样进行金相分析，发现管体内壁存在较多裂纹，裂纹两侧未发现脱碳和氧化现象。

5　分析及讨论

根据以上分析，开裂钻杆的化学成分、力学性能均符合API SPEC 5DP钻杆规范的要求。钻杆内外壁受到严重腐蚀，根据断口的纹路可以确定该断口起源于外壁，微观分析断口扩展区存在疲劳辉纹；钻杆内、外壁存在腐蚀凹坑和微裂纹，因此可以确定横向开裂断口与外壁微裂纹性质相同，另外内壁裂纹的扩展区存在疲劳辉纹均为腐蚀疲劳。

钻杆内外壁腐蚀产物X射线物相分析内外壁腐蚀产物均为氧腐蚀产物，因此确定该钻杆内外壁腐蚀均属于氧腐蚀。

钻井液循环系统是一个半敞开系统，钻井过程中，钻井液在地面搅拌，在储罐、振动筛、离心泵、除砂器等设备处通过，都会与大气接触，导致大气中的氧进入钻井液中而成为游离态的氧，由于溶解氧的强去极化作用使得即使是质量分数很低的氧也可以引起钻杆的腐蚀，造成严重的钻杆腐蚀损伤；另外受含水层的影响，本起事故案例中钻井液属于低pH值的淡水钻井液，也具有较强的腐蚀性，钻井液作为钻杆的工作环境，必然会加剧钻杆的腐蚀；况且由于施工区域地层复杂，软硬互层，石英砂岩硬度较大，可钻性差、研磨性强，易使钻具震动，极易产生疲劳损伤。在地层条件无法选择的情况下，我们只能改善钻杆与钻井液接触的工作环境，降低腐蚀对钻杆的影响。

另外笔者通过搜集资料，总结了各类钻井液的腐蚀性对比，腐蚀性最强的是充气海水钻井液、钾基聚合物钻井液、低pH值聚合物钻井液、H2S污染钻井液；其次是低pH值天然钻井液、盐水钻井液、淡水钻井液；再次为高pH值天然钻井液、石灰钻井液；再次为高分散性钻井液、水包油钻井液、饱和盐水钻井液；腐蚀性最弱的是缓蚀剂处理的钻井液和油基钻井液。期望这些研究对施工有所帮助。

6　结论及建议

6.1　结论

该钻杆横向开裂的失效机理为腐蚀疲劳，主要原因为钻杆内外壁发生氧腐蚀产生腐蚀坑，在交变应力的作用下，内外壁腐蚀坑底部率先产生疲劳裂纹，外壁裂纹扩展贯穿壁厚导致钻杆横向开裂。

6.2　预防措施及建议

1)改善钻杆与钻井液接触的工作环境，为消除溶解氧的腐蚀作用，建议对钻井液进行脱氧处理， 并向钻井液中添加缓蚀剂、适当提高钻井液pH值，将钻井液pH值保持在10及以上。

2)推广应用内涂层钻杆，防止内表面腐蚀的形成。

3) 重视钻杆存放期间的维护管理，如果存放不当，也会在其内外表面产生腐蚀坑，导致使用过程中发生早期腐蚀疲劳失效，所以尽量避免长期露天存放，迫不得已露天存放时应采取防腐蚀措施，且存放钻杆第一层距地面的高度不低于30cm，防止湿气和泥土的锈蚀；另外存放前要清除内外表面的钻井液并干燥，尤其进行过盐井施工，或接触过HCl、H2S的钻杆，一定要先用清水清洗钻杆后再进行存放。

参考文献:

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