Φ127mm×9.19mmS135钻杆管体断裂失效分析

魏善泉

(中国石化集团公司西北分公司器材供应中心，新疆轮台831600)

摘  要：对油井钻杆管体断裂事故进行综合研究，用磁粉探伤、扫描电镜和金相显微镜等对断裂钻杆样品进行分析，发现钻杆纵断口的周向裂纹众多，横断口的硫化物含量明显高于附近基体金属区，裂纹具有明显H2S应力腐蚀开裂特征。综合钻杆使用情况和试验分析结果，认为钻杆断裂属硫化氢应力腐蚀断裂，指出钻杆选用抗硫化氢材料及其再次使用前的存放等问题。

关键词：钻杆；硫化氢应力腐蚀；裂纹；断裂

　  钻杆是钻井的主要工具，起着传递动力和输送泥浆的作用。钻杆承受拉、压、扭、弯曲等复杂交变载荷的作用，要求钻杆有很好的抗扭和抗冲击等力学性能及较高的表面质量。目前的部分国产钻杆存在质量问题，给钻井公司造成了较大的经济损失。研究和分析国产钻杆失效的原因，不但可以避免钻具失效事故发生，而且对提高国产钻杆质量及市场占有率有一定帮助。

1　现场事故概况

2005-03-19，某油井钻进至井深6039.30m发现井涌而关井，在后期节流循环时发现有硫化氢存在。03-20在配压井液时发生断钻具事故，03-22下钻打捞起钻至83立柱中部单根(2005-01-29入井，使用井段5186.16～6039.30m)，发现钻杆距内螺纹端1.17m处管体断裂，规格为Φ127mm×9.19mmS135钻杆。

2　试验研究分析

2.1　宏观分析与磁粉探伤

对钻杆进行清洗之后，发现在钻杆断口附近有一细长裂纹。观察钻杆断口横截面，可明显的区分出断裂区和最后断裂区(如图1)，且断口平齐，断口颜色暗淡，断口上有放射花纹；对断口进行壁厚测量发现，管体壁厚符合标准规定，断口无宏观塑性变形；断裂区占断口圆周的1/3左右。此外，钻杆还存在着2条狭长的纵向断口(如图1)。

图1　钻杆断口                           图2　钻杆断口附近细长裂纹(样品号为3#)

对钻杆管体及断口表面与近表面进行磁粉探伤。经磁粉检测发现，再次确定断口附近存在着25mm左右的细长裂纹(如图2)；在钻杆纵向断口附近共有23条周向裂纹，长度各为3～10mm；在横断口有3条沿管壁裂纹长度大约为5mm。

2.2　取样裂纹分析

　　在对失效样品的3#样(含25mm左右的细长裂纹)位置的机械加工中，3#样突然断开，其断口形貌如图3所示。分析3#样断口发现，断开前裂纹从钻杆断口表面向管体内部延伸，且沿径向从管体外表面向内表面扩展，越靠近钻杆断口表面，其径向扩展深度越大，最大扩展深度8mm左右，已快穿透管体。裂纹断口表面已有红色锈迹，对裂纹表面清洗之后，发现表面布满条状沟壑和腐蚀坑(如图3)。

图3　3#样断口形貌(银白色区域为机加所致新断口)

2.3　化学成分分析

经直读光谱仪分析，钻杆管体化学成分(如表1)符合APISPEC5D规定。

2.4　力学性能试验

在钻杆管体上取2514mm×50mm×300mm的条状纵向拉伸试样和10mm×715mm×55mm的CVN冲击试样。试验结果分别见表2～表3，钻杆机械性能符合APISPEC5D规定。

2.5　扫描电镜与能谱分析

在钻杆横断口断裂区取一试样，进行扫描电镜分析。所取试样断口宏观形貌较为粗糙。低倍下观察，试样断面的外表面侧有明显的放射状花纹，为裂纹源，如图4。在距离裂纹源约20mm区域腐蚀形貌如图5所示。

　  对整个面上腐蚀产物进行能谱分析，结果见图6。从图6中得知，钻杆断口表面产物中含有S元素，在断口上有较多的腐蚀产物FeS，S元素含量见表4。

图4　钻杆断口微观形貌                             图5　钻杆断口腐蚀形貌

图6　钻杆断口表面腐蚀产物的能谱分析

2.6　金相分析

沿钻杆断口附近取全壁厚金相分析试样(编号：1#、2#、3#、4#，4个试样均含裂纹)，经抛光后，进行金相分析，按GB10561289评定钻杆材料非金属夹杂物，结果为：A0.5，B0.5，D0.5。按GB6394-2002评定钻杆材料晶粒度为8级。

钻杆材料基体组织为回火索氏体(图7)。1#、2#试样的断口表面组织有磨损白亮层组织，最厚处为0.78mm(图8)，且2#试样外壁表面接近断口处有一弧形裂纹。3#、4#试样的断口表面组织与基体组织相同，4#试样断口边缘有数条裂纹，最长裂纹长度为1.8mm，其余均很细小(图9)。

      图7　钻杆基体组织                              图8　2#断口表面白亮层组织

图9　4#断口裂纹形貌

图8中白亮层组织是由于钻杆断口摩擦引起的高温在钻井液的冷却下，在断口表面产生的淬火马氏体。

3　综合分析

钻杆的横断口由2部分组成：断裂区和最后断裂区断口平齐且无宏观塑性变形，均表现为脆性断裂的特征；钻杆纵断口周向裂纹多，横断口有明显的放射状花纹，断口表面产物含有过高的S元素，这表明井下作业中存在硫化氢。

从钻杆的力学性能分析得知，该钻杆具有良好的韧性，但在硫化氢环境中作业时一旦有裂纹存在，并承受外载作用，便易造成裂纹急剧扩展，形成如图3所示的裂纹形貌，最终导致断裂，这就需要考虑耐硫化氢腐蚀材料的选用。钻杆材料的晶粒度为8级，其组织已很细小，但仍有很大发展余地(如晶粒度9级以上)，晶粒度越高，材料性能也越好。

从现场资料知道失效钻杆的工作环境介质中有硫化氢存在，钻杆还承受着较大的拉应力，而且APIS135钻杆对硫化氢应力腐蚀比较敏感，在硫化氢作业条件下钻杆性能差。故发生应力腐蚀破裂的3项基本条件已完全具备，再加上钻杆横断口形貌及特征分析，本失效钻杆具有明显的硫化氢应力腐蚀破裂特征。

4　结论

1)　Φ127mm×9.19mmS135钻杆断裂原因为硫化氢应力腐蚀断裂。

2)　该井在钻进过程中有硫化氢存在，钻进时应选用抗硫化氢材料，控制钻井液pH值。

3)　该批钻杆再次使用前应在室温下放置一段时间(以便氢从材料内部逸出)，并需经无损检测证实没有裂纹缺陷存在才能继续使用。