V150高强度钻杆刺穿的原因

欧阳志英，陈 猛，谢孝文

(上海海隆石油管材研究所，上海 200949)

0 引 言

V150高强度钻杆是近年来开发的一种新产品，并添加到国际标准API 5DP-2020、DS-1-2020中，其名义最小屈服强度为1 034 MPa，在深井、超深井钻探中陆续得到应用[1-3]，但在使用过程中发现部分钻杆外壁出现了早期腐蚀和刺穿现象。

某直井在钻至约1 150 m时发现泵压出现下降现象，起出钻杆后发现在加重钻杆上方的一根V150钻杆发生了刺穿现象，刺孔距公接头端面约650 mm，同时也发现在钻杆上距公接头端面4001 000 mm内出现了腐蚀现象，腐蚀形貌以密集点蚀坑为主，钻杆的结构及刺穿位置如图1所示。刺穿钻杆的规格为φ149.2 mm×9.65 mm，内壁有涂层。发生刺穿时该井的钻具组合为：φ444.50 mm×0.63 m钻头+φ228.60 mm×9.00 m无磁钻铤+φ228.60 mm×9.00 m螺旋钻铤+φ444.50 mm×1.80 m稳定器+φ228.60 mm×27.00 m螺旋钻铤+NC61×NC56×0.50 m转换接头+φ203.20 mm×99.00 m螺旋钻铤+φ203.20 mm×10.00 mm随钻震击器+φ203.20 mm×27.00 m螺旋钻铤+NC56×NC52×0.50 m转换接头+φ139.70 mm×144.00 m加重钻杆+φ149.20 mm×821.00 m V150钻杆。据现场钻井人员反映，该井在钻至800 m后发生了严重的跳钻现象，钻柱上下跳动位移为0.50.8 m，钻进速度缓慢，刺穿钻杆下井前为新钻杆，纯钻时间仅约为300 h。为防止今后类似失效事件的发生，作者对该V150钻杆进行了失效分析。

图1 失效钻杆刺穿位置Fig.1 Piercing position of failed drill pipe

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

在失效钻杆加厚过渡带区域截取试样，观察发现钻杆外壁都存在密集的点蚀坑，且点蚀坑分布较集中，有周向扩展的趋势，如图2所示。钻杆加厚过渡带区域存在较大的应力集中，因此与其他区域相比，该区域更容易发生腐蚀。该钻杆在直井中作业，主要受到轴向拉伸应力，因此点蚀坑底裂纹沿与主应力垂直的方向，即管体周向扩展。

图2 刺穿钻杆外壁点蚀坑宏观形貌Fig.2 Macromorphology of pitting on outer wall of pierceddrill pipe: (a) position 1 and (b) position 2

失效钻杆刺孔的宏观形貌如图3所示，可见刺孔呈周向扩展，周向长度约为240 mm，占整个管外壁周长的一半，刺穿的裂纹扩展迅速，但钻杆未发生断裂，说明管体的力学性能较好。内壁刺孔周向长度约为192 mm，内壁涂层完好，仅刺孔部位的涂层由于刺穿而发生了破裂。刺孔距试样右端面约200 mm，从试样右端面每隔20 mm测量管体壁厚(包含涂层)，测量结果见表1，可见在距试样右侧端面距离超过200 mm后管体的壁厚不再发生变化，据此可以判断刺孔正好位于钻杆加厚过渡带消失处。

图3 失效钻杆外壁和内壁的刺孔宏观形貌Fig.3 Macromorpholgy of prick hole on outer wall (a) and inner wall (b) of failed drill pipe

表1 失效钻杆刺孔一侧的壁厚测量结果

1.2 磁粉探伤

按照ASTM E709-2015，采用CJW-1000型卧式荧光磁粉探伤机对失效钻杆外表面进行磁粉探伤。由图4可以看出，距离刺孔约10 mm位置存在与刺孔平行扩展的小裂纹；距离刺孔约100 mm位置的周向点蚀坑底部有一条周向的小裂纹。

图4 失效钻杆的磁粉探伤结果Fig.4 Magnetic particle flaw detection results of failed drill pipe：(a)small crack around prick hole; (b) small crack at bottom ofpit and (c) enlargment of small crack at bottom of pit

1.3 点蚀坑微观形貌

采用TESCAN VEGA II XMH型扫描电子显微镜(SEM)对钻杆外壁腐蚀较严重区域点蚀坑的微观形貌进行观察。由图5可以看出，点蚀坑处的大部分腐蚀产物脱落，残留在坑底处的腐蚀产物呈龟裂状。

图5 失效钻杆外壁点蚀坑微观形貌Fig.5 Micromorphology of pit on outer wall of failed drill pipe：(a) at low magnification and (b) at high magnification

将图2(b)中沿周向扩展的点蚀坑剖开，经磨制、抛光，用体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在GX51型倒置光学显微镜下观察点蚀坑截面形貌，测得较深点蚀坑的深度约为0.5 mm，直径约为3 mm。由图6可以看出，点蚀坑内部残留的腐蚀产物大部分已经脱落，点蚀坑周围组织为回火索氏体。采用能谱仪(EDS)对其中一个较深的点蚀坑底部残留腐蚀产物的微观成分进行分析，得到腐蚀产物的主要组成元素为铁、氧、碳元素，同时含有少量的硅、硫、铬元素。

图6 失效钻杆点蚀坑的截面抛光态形貌和腐蚀态显微组织Fig.6 Section polished morphology (a) and corroded microstructure (b) of pit of failed drill pipe

1.4 裂纹微观形貌及腐蚀产物物相组成

垂直于图4(b)点蚀坑底部小裂纹截取金相试样，经磨制、抛光，用体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在GX51型倒置光学显微镜下观察裂纹的抛光态和截面腐蚀态显微组织。由图7可以看出：该点蚀坑深度约为0.20 mm，开口宽度约为0.70 mm，坑底部裂纹深度约为0.55 mm，裂纹开口较大，扩展较平直；裂纹两侧的组织无明显变化，为回火索氏体，裂纹内部存在黑色腐蚀产物，裂纹尖端较细，呈穿晶分布。

图7 失效钻杆点蚀坑底部裂纹处的抛光态形貌以及腐蚀态显微组织Fig.7 Polished morphology (a) and corroded microstructure (b-c) at crack at bottom of pit of failed drill pipe：(b) low magnificationmicrostructure and (c) high magnification microstructure at crack tip

采用能谱仪对点蚀坑底部和裂纹内部的腐蚀产物进行微区成分分析，EDS分析位置见图8，结果见表2。由图8和表2可知，点蚀坑坑底和裂纹内部腐蚀产物的主要元素为铁、氧、碳，同时含有少量硫、铬、钼。根据裂纹扩展形态和裂纹内部腐蚀产物的EDS分析结果，可以初步推断点蚀坑及点蚀坑底部裂纹的形成与氧腐蚀有关。

图8 失效钻杆点蚀坑底部及裂纹内部腐蚀产物的EDS分析位置Fig.8 EDS analysis location of corrosion products at pit bottom (a) and inside cracks (b) of failed drill pipe

表2 图8中不同位置的EDS分析结果

收集失效钻杆表面点蚀坑底部的腐蚀产物，采用X射线衍射仪(XRD)对其物相组成进行分析，结果见图9，可知腐蚀产物主要为Fe2O3。

图9 失效钻杆表面点蚀坑底部腐蚀产物的XRD谱Fig.9 XRD pattern of corrosion product at pit bottom onsurface of failed drill pipe

1.5 化学成分和力学性能

采用ARL 4460 OES型直读光谱仪对失效钻杆的化学成分进行分析。由表3可知，失效钻杆的化学成分符合API Spec 5DP-2020要求。

表3 失效钻杆的化学成分

在失效钻杆上截取宽25 mm的板状拉伸试样、尺寸为10 mm×7.5 mm×55 mm的V型缺口冲击试样。按照ASTM A370-2020采用WAW-600型电液伺服万能试验机进行室温拉伸试验，按照ASTM E23-2018采用JBN-300型摆锤冲击试验机进行20 ℃夏比冲击试验。由表4可知，失效钻杆的力学性能符合API Spec 5DP-2020要求。

表4 失效钻杆的力学性能

1.6 显微组织和断口形貌

按照GB/T 13298-2015，在失效钻杆上的刺孔附近截取金相试样，经磨制、抛光，用体积分数4%硝硝酸酒精溶液腐蚀后，在GX51型倒置光学显微镜观察显微组织。由图10可知，失效钻杆的显微组织为回火索氏体，晶粒度等级约为9级。按照API Spec 5DP-2020，对钻杆不同区域的夹杂物进行评级，发现密集点蚀坑部位夹杂物的评价等级为B0，C1.0，D0.5，无点蚀坑部位的夹杂物评价等级为B0，C1.0，D0.5。失效钻杆的显微组织和夹杂物均符合订货技术协议要求。

图10 失效钻杆的显微组织Fig.10 Microstructure of failed drill pipe

用机械的方式将失效钻杆沿刺孔处打开后，由图11(a)可以看出，已经刺穿的部位经过高速泥浆的冲刷作用其表面较光滑，有金属光泽。采用TESCAN VEGA II XMH型扫描电镜观察裂纹扩展尖端的微观形貌，由图11(b)可知，在裂纹扩展尖端发现了疲劳辉纹，这说明刺孔的扩展方式为疲劳扩展。

图11 失效钻杆沿刺孔打开后的断口宏观形貌及裂纹扩展尖端微观形貌Fig.11 Fracture macromorphology (a) and micromorphology of crack propagation tip (b) of failed drill pipe after opened along prick hole

2 刺穿原因分析

V150高强度钻杆刺孔距离公接头端面约650 mm，为钻杆加厚过渡带消失区域，同时在距离公接头400～1 000 mm区域即钻杆加厚过渡带区域产生了密集点蚀坑。钻井过程中所用钻井液为氯化钾聚合物水基钻井液，pH为7.0。根据API 7G-2015，水基泥浆的腐蚀介质有氧、硫化氢、二氧化碳。Cl-、O2、H2S、CO2的复合存在会造成点蚀的出现。失效钻杆所处的钻井井深只有1 000多米，泥浆溶解H2S、CO2的概率非常低，点蚀坑底部的腐蚀产物的主要物相为Fe2O3，可以推断失效钻杆上出现的点蚀主要是氧腐蚀。在实际应用中，钻杆中普遍存在着由钻井液中溶解氧引起的各种形态腐蚀[4-8]。氧来自于大气，钻井液循环系统不是密闭的，在钻井过程中，大气中的氧通过泥浆池、高压泥浆枪、泥浆泵等设备在钻井液的循环过程中溶解在钻井液中。钻井液中的溶解氧在钢质钻杆表面发生氧腐蚀，具体反应为2Fe + O2+ 2H2O→2Fe2++4OH-。研究[9-11]表明，对氧腐蚀起主导作用的是溶解氧浓度、pH、温度、Cl-浓度、压力，而钻杆的材料影响较小。当泥浆中含氧腐蚀介质在钻杆壁停留时间较长时，会使钻杆发生严重点腐蚀；在钻杆起出井后，表面附着的泥浆未及时清洗干净或者未经清洗而堆放时，空气中的氧会逐渐进入钻杆表面残留的泥浆中，形成垢下腐蚀[12-13]。研究[14-15]表明，当泥浆pH 由7.0提高到10.0时，S135钻杆的腐蚀速率显著下降。

失效钻杆的力学性能、化学成分符合API Spec 5DP-2020和订货技术协议要求；点蚀坑底部的组织为回火索氏体，无异常组织存在，且点蚀坑周围无异常的夹杂物存在。现场调研表明，该井钻至800 m后发生了严重的跳钻现象，钻进速度缓慢，这使得氧有充分的时间和钻杆外壁反应，同时钻井液为氯化钾聚合物水基钻井液，pH为7.0，其Cl-质量分数约为3.0%，这些条件均有利于提高氧腐蚀速率。钻杆加厚过渡带区域是钻杆的薄弱环节，该区域存在应力集中现象，在钻井过程中该区域的应力水平高于其他区域，导致该区域更易发生点蚀。因此在钻杆加厚过渡带区域形成了较密集的点蚀坑。

钻杆加厚过渡带区域的点蚀坑形成后，会在点蚀坑底部产生应力集中，周向的连成一片的点蚀坑会叠加这种应力集中效果，从而极易在点蚀坑底部形成小裂纹。当这种连续分布的周向点蚀坑出现在应力集中程度更高的加厚过渡带消失处，其点蚀坑底部会优先萌生裂纹并扩展形成刺孔，这也就解释了刺孔位于过渡带消失处的原因。采用有限元分析软件Ansys 对连续分布的周向点蚀坑处的应力进行有限元模拟，在建立好的规格为φ149.2 mm×9.65 mm的V150高强度钻杆模型上加厚过渡带消失处添加点蚀坑，坑深约1.5 mm，直径约3.0 mm，对靠近接头一侧的位移进行约束，模拟实际井况加载45 t的拉力，模拟结果如图12所示，发现在周向点蚀坑底部存在应力集中效应，应力集中系数为1.6。研究[16]发现，当钻杆表面缺陷对应的应力集中系数大于1.36时，钻杆在实际工况条件下的腐蚀疲劳寿命会大幅度降低。有限元模拟结果表明，在钻杆加厚过渡带消失处增加点蚀坑后，虽然点蚀坑底部产生应力集中，但其应力约为钻杆额定最小屈服强度的1/5左右，不足以在短时间内萌生裂纹。在以往的分析案例中仅有当浅定向井和大位移井的钻杆在通过造斜段时，会在短时间内出现疲劳裂纹和刺穿现象[17-18]，而该钻杆的累计纯钻时间约300 h，发生刺穿时井深仅有1 150 m，且位于直井段，可知该条件下钻杆出现刺穿的现象非常少见。在井场调研时发现，失效钻杆在800～1 150 m井段出现的跳钻较严重，钻进速度缓慢。分析可知，失效钻杆刺穿的原因包括2个方面：一方面，在跳钻工况下，钻杆在纵向方向上做周期性振动，会出现较大的周期性瞬时动态载荷，失效钻杆加厚过渡带消失处点蚀坑底部的应力集中效应也在动态载荷作用下产生周期性变化，在应力较大的某一瞬间疲劳裂纹在短时间内萌生；另一方面，在跳钻工况下钻杆发生了共振现象，疲劳裂纹极易在钻杆加厚过渡带消失处点蚀坑的部位萌生，并且迅速扩展形成刺孔[19-21]，因此失效钻杆刺孔裂纹扩展尖端出现了明显的疲劳辉纹形貌。

图12 模拟得到含有周向点蚀坑的钻杆在拉伸载荷下的应力分布云图Fig.12 Simulated stress distribution contour of drill pipe containing circumferential pit under tensile load：(a) overall stress distribution contour and (b) stress distribution contour of pit bottom

3 结 论

(1) V150高强度钻杆刺穿是由腐蚀疲劳造成的。钻井液存在溶解氧和一定含量Cl-，且pH较低，钻杆加厚过渡带区域因应力集中而发生严重氧腐蚀，并形成周向分布的密集点蚀坑；频繁跳钻导致钻杆加厚过渡带消失处点蚀坑底部的较大应力集中效应产生周期性变化，并使得钻杆发生了共振现象，从而加速该处点蚀坑底部疲劳裂纹的萌生和扩展，最终导致钻杆刺穿失效。

(2) 为避免类似事故的发生，建议优化钻具组合，在钻头上方添加减震器和双稳定器的组合来有效降低钻杆跳钻概率，以降低周期性的动态载荷对点蚀坑底部疲劳裂纹萌生的促进作用。