劉 偉， 馮思恒， 簡 利， 臧 碩， 喻智明， 曾德智

(1中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2中石油川慶鉆探工程有限公司頁巖氣工程項目部 3西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室)

0 引言

近年來，我國頁巖氣勘探開發(fā)規(guī)模不斷擴大，定向井、水平井日益增多，井眼軌跡控制精度要求更加嚴格，隨鉆導(dǎo)向工具是水平井地質(zhì)導(dǎo)向的關(guān)鍵[1]，它可以提供實時的高質(zhì)量地層測量及評價，保障優(yōu)質(zhì)高效鉆井。

隨鉆導(dǎo)向工具的安全服役至關(guān)重要。一旦失效，不僅導(dǎo)致精密貴重儀器直接報廢，還極有可能使得鉆井脫靶，影響鉆井安全和鉆井周期，造成經(jīng)濟損失[2]。據(jù)研究報道，目前有關(guān)鉆具失效形式集中在鉆鋌尤其是螺紋接頭斷裂失效、加重鉆桿刺穿失效等，失效原因以疲勞失效為主，同時腐蝕的存在促進了裂紋的擴展[3- 5]。而關(guān)于隨鉆導(dǎo)向工具的失效鮮有報道。但在西南某頁巖氣井鉆進過程中，出現(xiàn)了多起導(dǎo)向工具中的天線關(guān)鍵部件失效，嚴重影響了正常鉆進作業(yè)。

該頁巖氣井所處地層主含黃鐵礦(FeS2)，地層溫度為130～150 ℃，采用油基鉆井液(水相中含25%CaCl2，未除氧)。失效天線整體形貌如圖1所示，由圖1可知，天線壁面出現(xiàn)了大量麻點狀蝕坑和微裂紋，內(nèi)部可明顯觀察到滲入的鉆井液等介質(zhì)，天線端蓋呈金屬光澤，基本完好。為找出該井導(dǎo)向工具天線失效的原因，本文通過化學(xué)成分和金相組織分析、宏/微觀形貌分析、以及腐蝕評價，探討了天線的失效原因和失效機理，提出了針對性的預(yù)防措施，避免后續(xù)類似失效事故的發(fā)生。

圖1 失效天線宏觀形貌圖

1 測試項目與結(jié)果分析

1.1 化學(xué)成分分析

采用HCS- 140高頻紅外硫碳分析儀對天線材質(zhì)進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知，天線材質(zhì)S元素含量0.029%，由于目前沒有相應(yīng)的標準規(guī)定導(dǎo)向工具天線材質(zhì)的化學(xué)組分，可參考ISO 11960—2014《石油和天然氣工業(yè).井套管或油管用鋼管》標準中對鋼材化學(xué)成分指標要求，S<0.01%(均為重量百分比)。天線材質(zhì)S元素偏高，易增加材料的應(yīng)力開裂敏感性。

表1 天線化學(xué)成分檢測結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)/%)

1.2 金相組織分析

在失效天線基體上切取試樣，經(jīng)360#、600#、800#、1000#、1200#砂紙依次打磨，并用金剛石粉金相拋光劑拋光后，參照標準GB/T13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》、GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》和GB/T6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》對天線縱向截面進行金相組織分析、鋼中非金屬夾雜物檢測和評級、晶粒度評級，非金屬夾雜物如圖2所示，表面裂紋形貌如圖3所示。

圖2 非金屬夾雜物圖

金相組織分析結(jié)果如表2和圖4所示。天線外表面上有明顯的沿晶枝狀裂紋，天線含有硫化物夾雜，可加劇材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂后的快速斷裂失效，天線縱向截面的晶粒度為5級，金相組織為奧氏體，部分晶體呈孿晶。

1.3 表面裂紋形貌分析

肉眼可見失效天線外壁表面有許多裂紋，如圖5(a)紅色箭頭標注所示，將天線的最外鍍層取下，對外表面裂紋進行掃描電鏡分析，如圖5(b)所示，裂紋內(nèi)有外界介質(zhì)形成的腐蝕物填充。

圖3 表面裂紋形貌圖(100×)

表2 金相組織分析結(jié)果

圖4 金相組織圖(200×)

圖5 外表面裂紋形貌

對天線外表面蝕坑上堆積的腐蝕物及裂紋縫隙間物質(zhì)進行掃描電鏡能譜分析，分析結(jié)果如圖6所示。由能譜分析結(jié)果可知，腐蝕物中C、O含量很高，高含量的C、O應(yīng)來自于有機鹽溶液，這些元素進一步加速了材料的沿晶腐蝕開裂，并且S、Cl含量也較高，說明介質(zhì)中含有一定量的硫化物和氯化物類物質(zhì)，此類物質(zhì)易使材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂[6]。

對失效天線內(nèi)壁表面附著污物及外界介質(zhì)滲入管體黏附在管內(nèi)壁表面的物質(zhì)進行掃描電鏡能譜分析，分析結(jié)果如圖7所示。由能譜分析結(jié)果可知，黏附物中C、O、Si含量很高，高含量的C、O、Si應(yīng)來自于環(huán)境介質(zhì)溶液，滲入到天線內(nèi)壁，導(dǎo)致天線信號傳輸短路，加速了天線的失效。

1.4 模擬工況下的腐蝕測試

1.4.1 實驗材料

實驗材料為失效天線端蓋加工成的掛片失重測試試樣：30 mm×10 mm×3 mm尺寸的長方體試樣，設(shè)置3個平行試樣，2個用于測試腐蝕速率，1個實驗試樣用于觀察腐蝕產(chǎn)物膜分析。

圖6 腐蝕物微觀形貌及EDS能譜分析圖

圖7 黏附物微觀形貌及EDS能譜分析圖

1.4.2 實驗方法

實驗參照標準JB/T 6073《金屬覆蓋層實驗室全浸腐蝕試驗》進行。

(1)實驗前將試樣清洗干凈，置于下風(fēng)處吹干，隨后放在干燥皿中干燥。然后用電子天平對試樣進行一次稱重，注意精度為0.1 mg，將試樣系掛在試樣架上，隨后進行實驗。

(2)將1.5 L介質(zhì)為25%的CaCl2溶液(添加了適量的黃鐵礦)加入至高溫高壓釜中，密封高溫高壓釜。

(3)在溫度為120 ℃的條件下腐蝕72 h后，打開高溫高壓反應(yīng)釜，取出試樣，依次用去膜液、無水乙醇和石油醚等試劑清洗試樣，并將試樣放置于下風(fēng)處吹干后，置于干燥皿中干燥，然后用電子天平進行稱重，稱重時注意要稱兩次或以上，取平均值，得出失重值，通過式(1)計算腐蝕速率：

(1)

式中:RG—平均腐蝕速率，mm/a；Δm—試片腐蝕前后失重，g；ρ—碳鋼的密度，g/cm3；s—試片表面積，cm2；Δt—實驗時間，h。

1.4.3 腐蝕速率

失效天線在溫度為120 ℃條件下的腐蝕速率如表3所示，由表3可知，失效天線的腐蝕速率很小，平均腐蝕速率為0.025 7 mm/a，小于腐蝕防護控制指標，說明天線具有良好的耐電化學(xué)腐蝕性能。

表3 天線的腐蝕速率

1.4.4 腐蝕產(chǎn)物形貌分析

對天線的腐蝕產(chǎn)物膜進行掃描電鏡能譜分析，分析結(jié)果如圖8所示。由能譜分析結(jié)果可知，天線的腐蝕產(chǎn)物主要由Fe、C、O、S組成，表面腐蝕產(chǎn)物堆積較少，腐蝕產(chǎn)物膜相對致密，對基體有一定保護作用，結(jié)合材質(zhì)元素進行分析，可說明致密的腐蝕產(chǎn)物膜主要是基體中Cr元素形成的鈍化膜及部分氧腐蝕產(chǎn)物。腐蝕產(chǎn)物中存在少量氯，推測氯的存在起腐蝕穿透作用，破壞了腐蝕產(chǎn)物膜的完整性。

1.5 腐蝕失效原因分析

對該失效天線的化學(xué)成分分析結(jié)果表明，該天線的S元素偏高，質(zhì)量分數(shù)高達0.029%，說明天線本身的質(zhì)量存在一定問題，在酸性環(huán)境中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，加速失效進程[7]。

對該失效天線的金相組織分析結(jié)果表明，天線縱向截面的晶粒度為5級，金相組織為回火奧氏體，部分晶體呈孿晶，孿晶會促使材料在含氯離子介質(zhì)里更易發(fā)生沿晶腐蝕開裂，因此天線外表面有很多沿晶裂紋[8- 9]。天線中Cr元素的含量相當高，占總元素的19.2%，而在500～580 ℃范圍內(nèi)進行長期加熱或焊接后，Cr的碳化物易從奧氏體中析出，從而弱化晶界的結(jié)合力，易使天線發(fā)生晶界腐蝕。

圖8 天線腐蝕產(chǎn)物微觀形貌及EDS能譜分析圖

天線壁面與端蓋焊接，且壁面很薄，約2 mm，推測天線微觀結(jié)構(gòu)因焊接和熱處理過程中組織轉(zhuǎn)變不完全，易存在較高殘余應(yīng)力，導(dǎo)致天線初始應(yīng)力腐蝕開裂敏感性高，極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂[10]。天線表面裂紋微觀形貌和掃描電鏡能譜分析結(jié)果表明，天線外表面上有明顯的沿晶枝狀裂紋，裂紋具有大量分枝、呈根須狀，不同于純機械應(yīng)力造成的裂紋形態(tài)，裂紋內(nèi)填充有一定量的腐蝕產(chǎn)物，對腐蝕產(chǎn)物進行EDS檢測，結(jié)果顯示腐蝕物元素以C、O、Fe、S為主，還含有一定量的Cl元素，推測天線產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂從而導(dǎo)致失效。

天線中含有一定量的Cr元素，Cr元素形成的鈍化膜及部分氧腐蝕產(chǎn)物形成相對致密的腐蝕產(chǎn)物膜，對基體產(chǎn)生一定保護作用，因此天線具有良好的耐電化學(xué)腐蝕性能。但該井地層水為CaCl2型，地層水中含有大量Cl-，且所使用鉆井液中的CaCl2含量高達25%，一般認為Cl-會阻止金屬基體表面鈍化膜形成或促進鈍化膜的破壞，從而促進局部腐蝕[11- 12]。同時Cl-可以穿過FeCO3產(chǎn)物膜，引起天線的應(yīng)力腐蝕開裂，天線在地層水氯離子溶液中的應(yīng)力腐蝕開裂為陽極溶解型，由于Cl-帶負電荷，基于電價平衡其會吸附到金屬基體上并聚集在陽極溶解區(qū)，與Fe3+發(fā)生水合作用而生成可溶性的FeCl2和FeCl3，形成點蝕孔洞，伴隨陽極溶解過程陽極鈍化，在點蝕孔洞周圍重新鈍化[13]；隨后在應(yīng)力作用下，點蝕坑底部的鈍化膜破壞，形成新的活性陽極區(qū)，繼續(xù)深入陽極溶解腐蝕，在應(yīng)力和腐蝕的交互作用下導(dǎo)致裂紋萌生，且FeCl2會水解生成H+和Cl-，降低該區(qū)域的pH值，進一步加速了天線的腐蝕開裂[14- 15]。

FeCl2+2H2O→Fe(OH)2+2H++2Cl-

隨著FeCl2水解作用的不斷進行，Cl-濃度逐漸增大，更多Cl-滲透進腐蝕產(chǎn)物膜內(nèi)，形成自催化作用，溶解腐蝕產(chǎn)物膜下天線基體的Fe元素，導(dǎo)致裂紋逐漸拓展，多處蝕孔逐漸發(fā)展，最終導(dǎo)致天線失效[16]。

2 結(jié)論與建議

(1)天線化學(xué)成分及金相組織分析表明，天線材質(zhì)本身存在一定缺陷，S元素含量偏高，含有硫化物夾雜，易導(dǎo)致天線抗應(yīng)力腐蝕開裂敏感性降低，建議升級天線材質(zhì)，降低夾雜物含量，選擇耐點蝕性能較強的材質(zhì)。

(2)天線失效的主要原因是Cl-引起的應(yīng)力腐蝕開裂，由于焊接和熱處理過程中組織轉(zhuǎn)變不完全，天線初始應(yīng)力腐蝕開裂敏感性高，導(dǎo)致極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，建議改進天線結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小應(yīng)力集中，盡量避免產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。

(3)溶解氧也是發(fā)生應(yīng)力腐蝕的促進因素，氧氯協(xié)同作用可引起陽極溶解型應(yīng)力腐蝕開裂，形成裂紋并增加裂紋擴展的速度。建議對所用鉆井液適量除氧，并在鉆遇產(chǎn)層時，保持鉆井液pH值在10以上，降低Cl-的含量。