楊春雷 （中國(guó)石油大慶鉆探工程公司，吉林 松原 138000）

田剛，曾德智施太和

（油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （西南石油大學(xué)），四川 成都 610500）

羅月 （西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500）

NACE A溶液浸泡對(duì)S135鉆桿沖擊韌性的影響測(cè)試

楊春雷 （中國(guó)石油大慶鉆探工程公司，吉林 松原 138000）

田剛，曾德智施太和

（油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （西南石油大學(xué)），四川 成都 610500）

羅月 （西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500）

為研究含硫環(huán)境腐蝕對(duì)S135鉆桿沖擊韌性的影響，采用ZBC2302型示波沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了S135鉆桿沖擊試樣在NACE A溶液中浸泡前后的沖擊性能，浸泡時(shí)間為24h；同時(shí)，采用Schindler模型計(jì)算了2種條件下的動(dòng)態(tài)斷裂韌性。研究結(jié)果表明：浸泡過(guò)后S135鉆桿沖擊功和動(dòng)態(tài)斷裂韌性出現(xiàn)一定程度下降；與原始試樣相比，浸泡后S135鉆桿的沖擊功下降了16.99J（降幅約18.13%），動(dòng)態(tài)斷裂韌性下降95.11kJ／m2（降幅約24.9%）。S135鉆桿在含硫環(huán)境中沖擊功和斷裂韌性的下降致使鉆桿環(huán)境斷裂風(fēng)險(xiǎn)增大，需加強(qiáng)防護(hù)。

腐蝕；S135鉆桿；沖擊韌性

含硫油氣井開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，一直受到硫化氫的威脅。特別是鉆井過(guò)程中，如果發(fā)生溢流，含硫天然氣進(jìn)入鉆井液，導(dǎo)致鉆井液pH值迅速減小。在鉆進(jìn)或停鉆處理事故過(guò)程中，鋼制鉆桿與溶解有硫化氫的鉆井液接觸，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫原子，并通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入鉆桿，使得鉆桿強(qiáng)度和塑性下降?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，氫損傷是石油管材失效的主要原因之一［1～3］。在中國(guó)深井、超深井仍大量使用的是S135鉆桿，這是現(xiàn)行API標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度級(jí)別最高的鉆桿材料［4］。鉆桿強(qiáng)度級(jí)別越高，其腐蝕開(kāi)裂的敏感性越強(qiáng)［5］，如果鉆遇含硫儲(chǔ)層應(yīng)該盡快處理，防止長(zhǎng)時(shí)間浸泡引起鉆桿性能惡化甚至脆斷。筆者通過(guò)示波沖擊試驗(yàn)研究了S135鉆桿在NACE A溶液中浸泡后沖擊韌性的變化，為安全鉆井、減少鉆具失效提供參考和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料取自實(shí)物S135鉆桿，其成分如表1所示。

表1 S135鉆桿化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)

沖擊試樣取自鉆桿縱向，如圖1所示，規(guī)格為55mm×10mm×7.5mm。沖擊試驗(yàn)儀器為ZBC2302型示波沖擊試驗(yàn)機(jī)，沖擊速度5.24m／s。將沖擊試樣分為2組，每組3個(gè)平行試樣。示波沖擊試驗(yàn)按照ISO14556—2000《鋼夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)儀器化試驗(yàn)方法》［6］進(jìn)行。第1組試樣不浸泡，測(cè)試S135鉆桿原始沖擊性能；第2組試樣浸泡24h后取出，快速清洗后進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。浸泡溫度為24±3℃；浸泡溶液采用NACE0177—2005標(biāo)準(zhǔn)［7］方法配制，由質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.0%的NaCl和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的冰乙酸溶解在蒸餾水中組成，并用高純H2S充入試驗(yàn)溶液至飽和。

圖1 示波沖擊試樣規(guī)格

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)態(tài)斷裂韌性計(jì)算方法

動(dòng)態(tài)斷裂韌性JIC根據(jù)Schindler模型［8］計(jì)算。該模型中的試樣尺寸參數(shù)如圖2所示。

式中：JIC為動(dòng)態(tài)斷裂韌性，kJ／m2；Emp為起裂功，J；Fm為最大力，kN；Et為沖擊總功，J；Bn為帶側(cè)槽試樣凈厚度，mm；B為試件高度，mm；a0為裂紋深度，mm；E為彈性模量，MPa；ν為泊松比，取值為0.3；S為彎曲試樣加載跨距（本試驗(yàn)機(jī)為40mm），mm；W為試樣總寬度（沿V型槽方向的厚度），mm。

2.2 示波沖擊試驗(yàn)結(jié)果

示波沖擊試驗(yàn)得到了沖擊過(guò)程中試樣受力－位移 （撓度）曲線(xiàn) （圖3）。硫化氫溶液浸泡后，S135鉆桿沖擊曲線(xiàn)覆蓋面積減小，即沖擊功出現(xiàn)一定程度下降。示波沖擊試驗(yàn)結(jié)果和動(dòng)態(tài)斷裂韌性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，浸泡前后相比，S135鉆桿的沖擊功由93.54J降為76.55J，降幅約18.13%；動(dòng)態(tài)斷裂韌性由382.44kJ／m2降為309.55kJ／m2，降幅約為19.06%。

2.3 浸泡機(jī)理

S135鉆桿鋼在飽和H2S的水溶液中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)方程式：

式中：Had為鋼表面吸附的氫原子；Hab為鋼中吸附的氫原子。

雖然H2S溶液酸度并不高，而且不通電，但是由于S2－的存在，氫的實(shí)際輸入逸度可能極高［9］，因此在H2S溶液中浸泡會(huì)在試樣表面產(chǎn)生極高的輸入氫逸度，引起大量氫原子進(jìn)入材料。進(jìn)入材料內(nèi)部的氫原子一部分分布在晶格間隙中，另一部分與材料內(nèi)部各種可逆或不可逆的氫陷阱發(fā)生作用，被氫陷阱捕捉。

氫能促進(jìn)位錯(cuò)的發(fā)射和運(yùn)動(dòng)［10］，即促進(jìn)局部塑性變形，并且降低原子間結(jié)合力［11］。在較低應(yīng)力條件下，氫促進(jìn)局部塑性變形到達(dá)臨界狀態(tài)，使得該區(qū)域應(yīng)力集中等于被氫降低了的原子結(jié)合力，使得微裂紋在該處形核。氫原子進(jìn)入微裂紋并吸附在裂紋內(nèi)表面使得裂紋表面能下降，從而使裂紋擴(kuò)展所需要的臨界應(yīng)力下降［12］。正是因?yàn)闅涞纳鲜鲎饔檬沟媒葸^(guò)后試樣沖擊性能下降。

圖2 Schindler模型中的試樣尺寸參數(shù)示意圖

圖3 不同浸泡時(shí)間試樣的沖擊曲線(xiàn)

表2 示波沖擊試驗(yàn)結(jié)果與動(dòng)態(tài)斷裂韌性計(jì)算結(jié)果

沖擊試樣斷口如圖4所示，圖4（a）為浸泡之前的沖擊試樣，斷口以韌性斷裂為主，呈韌窩特征；圖4（b）為浸泡后的沖擊試樣，斷口局部呈現(xiàn)準(zhǔn)解理特征的微觀形貌，即斷口帶有一定脆性特征。由于浸泡過(guò)程中氫原子進(jìn)入試樣，使得沖擊開(kāi)裂由韌性斷裂機(jī)理向著 “韌性＋脆性”機(jī)理變化。

3 結(jié)論

1）在硫化氫溶液中浸泡后，S135鉆桿沖擊功和動(dòng)態(tài)斷裂韌性出現(xiàn)一定程度下降。浸泡前后相比，S135鉆桿的沖擊功由93.54J降為76.55J，降幅約18.13%；動(dòng)態(tài)斷裂韌性由382.44kJ／m2降為309.55kJ／m2，降幅約為19.06%。

2）鉆桿在含硫環(huán)境中沖擊功和斷裂韌性下降易導(dǎo)致鉆桿環(huán)境開(kāi)裂，實(shí)際操作中應(yīng)予以注意，防止鉆具失效事故發(fā)生。

圖4 沖擊斷口微觀形貌

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［編輯］ 帥群

Effect of Imm ersion in NACE A Solution on Impact Toughness of S135 Drill Pipe

YANG Chunlei，TIAN Gang，ZENG Dezhi，SHITaihe (First Author's Address:PetroChina Daqing Oilfield Drilling Engineering Company，Songyuan 138000，Jilin，China)

To investigate the effects of sulfur containing environment on impact toughness of S135 drill pipes，ZBC2302 type Charpy impact testmachinewas employed toevaluate the impactbehaviors of the S135 sampleswhich exposed to H2Ssaturated solution for 24h.Meanwhile，dynam ic fracture toughness under 2 conditions was also calculated by using Schindlermodel.The results show that the impact energy and dynamic fracture toughness of S135 samples decrease to a certain extent after immersion.Compared with the original samp les(0h)，the impact energy reduces16.99Jand the dynamic fracture toughness reduces 95.11kJ/m2.The drop of impact energy and dynamic fracture toughness reach 18.2%and 25.4% respectively.Risks of cracking and fracture of S135 drill pipes are raised in sourenvironment，so，great attention should be paid to the potential accidents.

corrosion;sulfur-containing environment;S135 drill pipe;impact toughness

TE921.2

A

1000-9752（2014）05-0157-04

2014-01-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （51374177）。

楊春雷 （1982-），男，2004年大學(xué)畢業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事鉆井工程方面的科研工作。