某钻井工具探管开裂原因

韩舒婷,史盈鸽,许培林

(西安摩尔石油工程实验室股份有限公司,西安 710065)

旋转导向钻井技术主要以随钻测量技术和井下控制技术为基础,通过靠近钻头的导向执行机构,使钻柱在旋转的同时改变工具的方位和井斜,从而达到导向钻井的目的[1]。

某钻井平台随钻测量工具中,用于钻杆内部测量的短节单位探管发生横向开裂现象,采用宏观观察、化学成分分析、硬度测试、金相检验、扫描电镜(SEM)和能谱分析等方法对探管的开裂原因进行分析,以防止该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

某探管试样总长为920 mm,外径为45.24 mm,内螺纹镗孔直径为39.14 mm。探管试样宏观形貌如图1所示。由图1可知:探管外侧均匀分布着细小的横向裂纹。

图1 探管试样宏观形貌

探管外壁宏观形貌如图2所示。由图2可知:裂纹处存在小的腐蚀坑,最长的裂纹长度约为10 mm。为分析裂纹产生的原因,在图2中两处方框位置分别取样,分别编号为1-1和1-2。

图2 探管外壁宏观形貌

用钳子等工具在试样1-2上的裂纹处截断,断口宏观形貌如图3所示。由图3可知:断裂源于外壁腐蚀坑位置,呈弧形向材料内部扩展,断口表面褐色、棕黄色的腐蚀产物覆盖区域为断面打开前已经存在的原始裂纹缺陷,亮灰色新鲜断裂区域为裂纹扩展区。

图3 试样1-2裂纹处断口宏观形貌

1.2 化学成分分析

采用直读光谱仪对试样的化学成分进行分析,结果如表1所示。由表1可知: 该探管的化学成分满足技术要求。

表1 探管试样的化学成分分析结果 %

1.3 硬度测试

整个探管外壁均存在裂纹,无法对其进行拉伸试验及冲击试验,故仅对探管进行洛氏硬度测试,结果如表2所示。由表2可知:探管的硬度为35.9～37.8 HRC,满足技术要求。

表2 洛氏硬度测试结果 HRC

1.4 金相检验

在该探管上截取试样,将试样置于光学显微镜下观察。探管的显微组织为奥氏体,形貌如图4所示。对试样的显微组织进行非金属夹杂物和晶粒度评级,结果如表3所示。

表3 探管试样非金属夹杂物和晶粒度评级结果 级

图4 探管试样显微组织形貌

垂直于试样1-1裂纹方向截取试样,将试样磨抛后置于光学显微镜下观察,结果如图5所示。试样1-1被腐蚀后的微观形貌如图6所示。由图5～6可知:裂纹起源于外壁腐蚀坑,腐蚀坑深度约为50 μm,裂纹呈树枝状向内壁扩展,裂纹呈穿晶方式扩展。

图5 试样1-1裂纹微观形貌

图6 试样1-1被腐蚀后的微观形貌

1.5 扫描电镜和能谱分析

对试样的断口表面进行清洗,再将断口置于扫描电子显微镜下观察,结果如图7所示。由图7可知:清洗后的断口表面仍然覆盖着黑色的腐蚀产物,且断裂源区(腐蚀坑处)聚集较多的腐蚀产物,这些产物呈黑色的龟裂状形貌;断裂源区和扩展区的SEM 形貌均呈解理花样特征。

图7 试样断口SEM 形貌

对缺陷试样进行能谱分析,结果如图8所示。由图8可知:断口表面腐蚀产物中含有大量的Cl元素。

图8 试样断口表面能谱分析位置和能谱图

2 综合分析

由理化检验结果可知:在裂纹处截断试样后,发现裂纹起源于外壁腐蚀坑,裂纹呈弧形并向材料内部扩展,断口表面褐色、棕黄色的腐蚀产物覆盖区域存在断面打开前已经存在的原始裂纹缺陷,裂纹以穿晶方式向内扩展,裂纹处腐蚀产物中含有大量Cl元素。

应力腐蚀断裂是材料、应力和腐蚀环境三者共同作用的结果。应力腐蚀中材料种类和环境介质有固定匹配的特征。该探管材料为奥氏体不锈钢,奥氏体不锈钢在含氧、氯离子的溶液中容易发生应力腐蚀开裂[2-3]。根据现场提供的资料,该钻井平台泥浆中氯离子的含量较高,且该探管是安装在无磁加重钻杆内部,用来测量短节单元的工具,泥浆流经探管与加重钻杆之间,直接与探管外壁接触。显然,在当时的井下特定环境下,氯离子为探管外壁应力腐蚀提供了腐蚀环境,是发生应力腐蚀的主要原因之一。

该探管外壁裂纹处均存在腐蚀坑,腐蚀坑处具有更高的氯离子浓度,加速了局部腐蚀。腐蚀坑的形成可能与材料中的夹杂物、碳化物、δ铁素体、晶界的冶金不均匀性等因素有关[4-5]。

该探管在钻井作业过程中承受压应力和弯曲应力,这些应力产生的轴向分量构成其应力腐蚀的力学条件。在腐蚀环境、应力以及材料的联合作用下,探管发生氯化物应力腐蚀开裂。

3 结论

探管外壁裂纹产生的机制为氯化物应力腐蚀开裂。探管外壁产生裂纹的主要原因为:服役过程中,泥浆冲刷探管外壁,且泥浆中氯离子含量较高。井下的特定环境为探管应力腐蚀提供了腐蚀环境,是产生应力腐蚀的主要原因之一;探管在钻进过程中会承受压应力和弯曲应力,这些应力产生的轴向分量为应力腐蚀开裂提供了力学条件。