钻杆刺漏实验与分析

关庆龄，朱晓辉，李 春，刘哲旭

（中海油田服务股份有限公司，河北三河 065200）

近年来，海上钻井钻具刺漏数量发生率较多，钻具刺漏约占钻具失效总数的90.5%。钻具服役环境比较恶劣，受力状态十分复杂，主要包括扭转、弯曲、拉压载荷，同时还受到环境介质的影响，如钻井液、H2S、CO2、温度、压力等。长期以来，钻具失效统计及分析结果表明，油田钻具损坏的主要形式包括：断裂失效、刺漏失效、腐蚀失效、磨损、变形过量。钻具刺漏常发生在钻杆刺漏发生在母接头侧管体，距母扣端约0.5～0.7m，位于钻杆加厚过渡带区域；加重钻杆主要为螺纹刺漏。近十年来，海上钻井钻具失效主要以钻杆加厚过渡带区域刺漏为主要失效形式。根据钻杆的刺漏部位，可将刺漏失效分为钻杆管体加厚过渡带区域刺漏、钻杆焊缝刺漏、钻杆接头刺漏。

1 海上钻井平台钻具刺漏情况简介

根据海上钻井平台刺漏失效统计，在公接头端加厚过渡带处刺漏约占26.3%，在母接头端加厚过渡带处刺漏约占47.4%，本体刺漏约占13.2%，接头刺漏约占13.2%。钻具刺漏主要以加厚过渡带消失区域及卡瓦咬伤区域为主，约占刺漏失效总数的73.7%。

分析钻具失效最多的井位，发现钻杆发生刺漏主要位于事故井的造斜点附近，且造斜点附近狗腿度较大。有些甚至达到3°/30m。此外有些在转盘附近发生刺漏失效，这可能与钻井平台的摇摆或颠簸有关。钻井平台在摇摆或颠簸运动的时候，钻柱的上端不是垂直的，而转盘下面一些距离处的钻杆仍然是垂直，因而钻柱是弯曲的。因为钻杆比方钻杆刚度要小得多，大多数弯曲发生在方钻杆下面的第一根钻杆上。转盘附近钻杆容易由于弯曲疲劳发生刺漏。

2 刺漏类型

2.1 钻杆加厚过渡带区域刺漏

2.1.1 钻杆刺穿机理及过程

钻杆内加厚过渡带位置刺漏是最常见的形式，根据统计，约占钻具失效的70%。刺穿机理及过程为：钻杆内壁涂层破坏后发生腐蚀，形成腐蚀坑，由于应力集中，腐蚀疲劳裂纹萌生，裂纹扩展并穿透壁厚，泥浆从内向外刺穿冲蚀，形成刺孔。大多数钻杆内加厚过带位置刺漏的疲劳裂纹起源于内表面，少数钻杆内加厚位置刺穿其疲劳裂纹起源于外表面缺陷处（如卡瓦咬痕、腐蚀、磨损等）。

2.1.2 表现形式

钻杆加厚过渡带刺漏区域一般为距母接头密封面约0.5～0.7m 处，刺孔沿周向呈圆形或椭圆形分布，见图1。将断口打开，刺孔附近出现疲劳裂纹扩展的扇形平台时（裂纹尺寸不超过半个圆周），根据原始裂纹平面扇形圆弧可判断裂纹起源。扇形圆弧朝向外壁，裂纹平面呈内宽外窄形貌，可认为裂纹起源于内壁；但扇形圆弧指向内壁时（内窄外宽），认为裂纹起源于外壁。如果原始疲劳裂纹平面未完全破坏，可在裂纹扩展扇形前沿观察到疲劳辉纹。

2.2 钻杆焊缝区域刺漏

2.2.1 钻杆焊缝刺穿机理

钻杆焊区厚度约为管体壁厚的2倍，焊缝出现刺漏主要为焊接灰斑导致。钻杆摩擦对焊一般不会产生大面积的灰斑，但由于焊接前端面质量控制不严、焊接缩短量不足、顶锻速度较慢都可能引起焊接灰斑缺陷。

2.2.2 表现形式

钻杆刺漏刺孔发生在摩擦对焊焊缝上，大小不规则，将刺孔压开后，发现刺孔周围断面平整，平斑区显微形貌呈浅、平韧窝形貌，见图2。宏观形貌观察结果表明，两段样品刺孔均位于加厚过渡带消失区域，且裂纹起源于内壁；钻杆内涂层喷涂不均匀，存在起泡、脱落现象。

3 刺漏试验

3.1 案例背景

选取某刺漏钻具做实验分析。目标井位东海某井井型为定向井，设计井深为4788m，作业区水深为88.88m，钻进时钻杆平均转速约为77～81r/min。分析样品为两段刺漏的S135钻杆样品，刺漏位置均为内螺纹接头端加厚过渡带消失区域。见图3。钻杆规格为∅127mm×9.19mm，加厚形式为内加厚。

3.2 理化性能检验

3.2.1 化学成分分析

分别在样品刺孔周围取样，采用直读光谱仪按照ASTM E415-08 标准进行化学成分分析，结果表明两段失效样品化学成分均符合API Spec 5DP-2009标准对钻杆管体的要求。

3.2.2 拉伸及冲击性能

按照ASTM A370 标准分别在样品刺孔附近取板状拉伸试样和7.5mm×10mm×55mm 冲击试样，在室温下进行试验，结果表明，失效样品的屈服强度、抗拉强度、延伸率和冲击功均符合API Spec 5DP-2009 标准要求。见表1。

表1 失效样品拉伸及冲击性能结果

3.2.3 洛氏硬度

在刺孔附近取环状试样，按照ASTM A370 进行洛氏硬度试验，结果表明，失效样品刺孔附近的洛氏硬度较为均匀，且平均不大于37HRC。

3.2.4 金相组织分析

分别在样品刺孔附近涂层起泡处取金相试样，观察发现涂层底部已形成腐蚀坑。沿横向取金相试样，进行显微组织观察，样品金相组织均为回火索氏体。沿纵向取金相试样进行非金属夹杂物评级，组织中夹杂物含量均在正常范围之内。见表2。

表2 钢中非金属夹杂物评级结果

3.2.5 微观分析

刺孔断口均为泥浆冲刷痕迹，原始裂纹面均已受到破坏。采用扫描电子显微镜观察样品刺孔附近原始裂纹面形貌，主要为泥浆腐蚀形貌，原始裂纹形成后，泥浆渗入裂纹中而形成。见图4。

4 刺漏分析结论

（1）失效钻杆样品理化性能均符合API Spec 5DP-2009标准要求。

（2）即便钻杆材质有瑕疵，因刺漏发生后局部材质缺失，也较难通过实验室手段检测到材质缺陷。

（3）钻杆内涂层喷涂质量佳，厚度均匀，内加厚过渡区平缓、整体面光滑平整度能更好地减少刺漏发生。

（4）井段“狗腿度”过大，导致钻杆更容易刺漏失效。