某S135钻杆腐蚀穿孔失效分析

龙源期刊网钻杆腐蚀穿孔失效分析作者：赵金杨碧玉崔顺贤袁中华廖凌来源：《科技创新导报》2011年第15期摘要:通过宏观形貌分析、力学性能测试、金相显微组织和微观形貌及物相分析,并结合钻杆的使用状况,对某S135钻杆管体穿孔失效原因进行分析。结果表明,钻杆内加厚过渡区及紧邻的管体部分内壁的一侧集中分布着大量的深腐蚀坑,腐蚀坑主要是由于氧腐蚀形成的,钻杆的穿孔失效属于氧腐蚀失效。关键词:钻杆穿孔失效分析氧腐蚀中图分类号:TE921文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)05(c)-0033-02Abstract:ThefailurereasonofS135drillpipewasstudiedthroughmechanicalpropertiestesting,opticalmorphologiesandfractureanalysis.Resultsshowthatmainlyreasonoffailureissevereoxygencorrosionononesideinnerfaceofdrillingpipe.Undertheeffectofalternatingstresses,thecracksarefirstinitiatedinthecorrosionpitofupsettingtransitionalbandandexpandquickly.Drillpipe’swashoutfailurebelongstoearlyoxygencorrosionfailure.KeyWords:drillpipe;washout;oxygencorrosion;failureanalysis1引言据某井现场提供资料,穿孔钻杆所在井钻进至井深5327.93米时发现泵压由20.1MPa下降至18.4MPa,泵冲由154spm升至170spm。经检查地面循环系统,排除地面原因后起钻检查钻具,发现钻具刺漏。钻具组合:Φ311.15mmPDC+241.3mmDC×2根+309mmSTB+241.3mmDC×1根+203.2mmDC×5根+177.8mmDC×6根+127mmDP×251根+139.7mmDP。2宏观分析发生穿孔的钻杆试样形貌如图1所示,刺孔呈近似圆形,管体外表面有轻微的腐蚀痕迹,将试样剖开,刺孔所在一侧内壁有规则排布的3列深腐蚀坑,腐蚀坑主要分布在钻杆内加厚区及紧邻内加厚区的管体部分,如图2所示。经磁粉探伤,刺孔尖端及钻杆管体内、外表面腐蚀坑内均未发现有扩展裂纹。3理化分析3.1力学性能分析从穿孔失效钻杆管体上取试样,用BairdSpectrovac2000直读光谱仪检测其化学成分,结果表明钻杆化学成分中的S和P含量符合SY/T5561-2008[1]标准要求。从刺漏失效钻杆样品上分别龙源期刊网×10×55mm的纵向夏比V型缺口冲击试样,拉伸和冲击实验条件为室温,实验结果见表1。由表可见,失效钻杆的拉伸性能和纵向冲击功符合SY/T5561-2008标准要求。3.2金相分析在失效钻杆穿孔和腐蚀坑附近取样,分析材料中的夹杂物等级和晶粒度。钻杆管体试样材料中的非金属夹杂物等级为A0.5,B1.0,D0.5,组织为S回,晶粒度等级为9.5级,如图3所示。钻杆管体刺孔受泥浆冲刷,没有发现扩展裂纹。钻杆内壁存在多处深而宽的腐蚀坑,腐蚀坑内有灰色腐蚀产物,腐蚀坑周围组织与基体组织相同,腐蚀坑底部无裂纹形成,如图4所示。3.3微观形貌分析从穿孔钻杆管体内壁的腐蚀坑处取样,采用扫描电子显微镜观察腐蚀坑形貌如图5所示,高倍下观察发现,腐蚀坑底部覆盖着一层疏松的腐蚀产物,未发现有裂纹存在。对坑底腐蚀产物的能谱分析结果如图6所示,腐蚀产物的主要组成元素为Fe、O、C、S、Cl等。将腐蚀坑内物质取出进行X射线衍射分析,分析结果如表2所示,腐蚀坑内的物质主要为Fe的氧化物、部分泥浆及岩屑成分。由图6和表2可以确定,腐蚀坑内的腐蚀产物主要由于氧腐蚀造成的。从钻杆腐蚀坑的能谱分析结果可以看出,钻杆腐蚀坑底含有一定的Cl元素,Cl离子本身对材料不产生腐蚀作用,它的作用主要是加速腐蚀的进行[2]。氧腐蚀产生的Fe3O4覆盖在腐蚀坑表面,从而使得坑内的PH值下降,弱碱性腐蚀介质变为酸性腐蚀介质,进一步加速Fe的溶解,使腐蚀坑进一步扩大加深。另一方面由于腐蚀坑内因Fe2+、H+等阳离子过剩形成电场,使得泥浆中的阴离子(如Cl-)借助“电泳”作用进入腐蚀坑内,造成富集。腐蚀坑内的这种强酸环境使得坑内壁成为活性小阳极,而坑外大片的金属仍处于钝态为阴极,从而构成大阴极/小阳极的腐蚀电池,使腐蚀坑加速生长。由于钻杆内加厚过渡带附近结构发生突变,钻井泥浆在此部位形成涡流,冲刷作用较小,氧化物又有一定的强度,因而腐蚀覆盖物不易被冲掉而使得该部位的腐蚀明显较其他部位严重。4综合分析失效钻杆的化学成分和力学性能符合SY/T5561-2008标准要求。穿孔钻杆内、外壁腐蚀坑微观显微分析表明,内外壁腐蚀坑底部均未发现微裂纹,钻杆失效可以确定为腐蚀失效。从能谱分析和X射线衍射物相分析结果判定,钻杆腐蚀主要是由于氧腐蚀造成的。氧腐蚀一般发生在中性或弱碱性环境中。失效钻杆所在井钻井液的pH=9,为碱性,当钻井液中有游离态氧存在时,钻杆内、外壁金属易发生吸氧腐蚀,钻杆表面的溶解氧腐蚀是氧去极化过程,腐蚀机理[3]为:阳极反应:Fe→Fe2++2e龙源期刊网阳极反应:O2+2H2O+4e→4OH-Fe2+发生水解:Fe2++2H2O→Fe(OH)2+2H+亚铁离子被进一步氧化成三价的铁离子:4Fe2++6H2O+O2→4FeO(OH)+8H+FeO(OH)即为Fe2O3-H2O,通常处于腐蚀产物的外层,失水后形成的红棕色的Fe2O3,Fe2O3与FeO结合形成Fe3O4(FeFe2O4)。对于内壁涂刷了有机涂层的钻杆,完整内涂层的存在可以有效避免金属基体与腐蚀介质的接触,从而保护钻杆内壁免受腐蚀。但内涂层一旦局部发生剥落,裸露的金属基体处将形成以金属基体为阳极的小阳极/大阴极腐蚀电池,这样钻杆内壁涂层剥落处的局部腐蚀速度将明显大于没有内涂层的钻杆。一般来说,金属在静止溶液中比在流动溶液中更容易发生腐蚀。钻杆起出后,内外壁都粘附着一层湿泥浆,如果这层湿泥浆不及时清洗干净甚至不进行清洗,钻杆管体便会更加充分地接触氧气而将使得钻杆的腐蚀速度大幅度增加。钻杆的外表面暴露在空气中,比较容易被风吹干,但管内壁粘附的泥浆则不易干燥,这些残留的泥浆会比钻井时更加充分地溶解氧气,使得阴极极化加速,从而使得内壁腐蚀加速。发生刺漏失效的钻杆的内壁腐蚀集中分布在一侧,而另一侧涂层完好,基本未发生腐蚀,推测该钻杆内壁的腐蚀可能是由于钻杆起出后未及时清理内壁的的泥浆而造成的。另外,腐蚀集中分布在钻杆内加厚区及与其紧邻的管体部分,该区域是钻杆尺寸结构变化点,存在较大的应力集中。在钻井过程中会在该区域产生泥浆涡流作用,从而使得该区域的腐蚀速度明显大于其他位置,当腐蚀坑深度达到临界深度时,高压泥浆将在腐蚀坑底形成刺孔,导致钻杆失效。钻杆刺孔形貌与腐蚀坑形貌非常相似,且在刺孔周向两侧没有发现扩展的微裂纹,从而佐证了刺孔的形成是由腐蚀穿孔形成。5结论和建议(1)失效钻杆的化学成分和力学性能均符合SY/T5561-2008标准要求。(2)钻杆的穿孔失效属于氧腐蚀失效,泥浆中氯离子的存在加速了腐蚀。(3)建议钻杆起出后应及时用清水清洗内壁,并充分干燥后进行存放。另外,钻杆失效后要及时进行失效分析,查找原因,避免失效事故的重复发生。参考文献[1]SY/T5561-2008摩擦焊接钻杆[S].中华人民共和国石油天然气行业标准.[2]赵文珍,宋余九,宋治等.新疆S135钻杆失效分析[J].石油专用管,1989:61-75.龙源期刊网[3]马桂君,杜敏,刘福国.G105钻具钢在含有溶解氧条件下的腐蚀规律[J].中国腐蚀与防护学报.2008.28(2):108-110.