李齊富，張曉慧，王顯林

（1.渤海石油裝備制造有限公司渤海能克鉆桿有限公司，河北滄州 062658；2.渤海石油裝備制造有限公司巨龍鋼管有限公司，河北滄州 062658）

0 引言

鉆桿腐蝕是石油天然氣鉆井工程中普遍存在的問題，在深井超深井、定向井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井中表現(xiàn)得更加突出。在我國一些不穩(wěn)定天然氣儲(chǔ)層的鉆井開發(fā)過程中，為了適應(yīng)鉆井工藝的要求，廣泛使用含氯離子的鉆井液體系，并配合添加多種添加劑?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這種含氯離子的鉆井液在井下高溫高壓作用下對(duì)S135 鉆桿具有一定的腐蝕性。目前，國內(nèi)針對(duì)S135 鉆桿在含氯離子鉆井液環(huán)境中腐蝕性的系統(tǒng)研究相對(duì)較少，為了分析鉆桿的腐蝕機(jī)理，取2 種現(xiàn)場(chǎng)使用的典型鉆桿試樣進(jìn)行系統(tǒng)研究[1]。

在石油天然氣鉆井作業(yè)過程中，鉆井液對(duì)于保證鉆井作業(yè)過程的順利完成具有重要作用，但鉆井液對(duì)鉆桿也具有較強(qiáng)的腐蝕性，尤其是S135 高鋼級(jí)鉆桿。

1 試驗(yàn)方案及方法

為了便于表示，將進(jìn)行研究的2種S135 鉆桿材料分別記為1#鉆桿和2#鉆桿。采用全壁厚拉伸試樣檢測(cè)鉆桿材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率，采用7.5 mm×10 mm×55 mm 的縱向夏比V 型缺口沖擊試樣檢測(cè)鉆桿材料的沖擊吸收能，采用硬度圓環(huán)試樣檢測(cè)鉆桿管體截面的洛氏硬度。采用掛片腐蝕的方式測(cè)試材料的腐蝕性能，用水浴加熱的方式對(duì)腐蝕環(huán)境進(jìn)行加熱，腐蝕試驗(yàn)介質(zhì)分別為現(xiàn)場(chǎng)鉆井液、6%KCl 和12%KCl，試驗(yàn)溫度分別為30 ℃和60 ℃，溶液的pH 值分別為8、9 和10，腐蝕試驗(yàn)時(shí)間為168 h。

2 鉆桿材料理化性能分析

1#和2#鉆桿管體試樣拉伸、沖擊及硬度檢測(cè)條件和檢測(cè)結(jié)果見表1、表2。結(jié)果表明，2 件S135 鉆桿試樣材料的拉伸性能、縱向沖擊功和硬度均滿足API Spec 5DP—2010 標(biāo)準(zhǔn)[2]要求，試樣在整個(gè)圓周截面上的硬度檢測(cè)結(jié)果表明，試樣截面硬度無明顯變化[2-3]。

表1 S135 鉆桿力學(xué)性能

表2 S135 鉆桿硬度檢測(cè)結(jié)果HRC

分別從2 種鉆桿試樣上取樣，分析材料中的夾雜物、金相組織和晶粒度。分析結(jié)果表明，2 種鉆桿產(chǎn)品材料的微觀組織和夾雜物含量均符合鉆桿標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5561—2008[2]的要求，2 種材料的微觀組織相同：1#鉆桿材料中的非金屬夾雜物等級(jí)為A0.5，B0.5，D0.5，金相組織為回火索氏體，晶粒度等級(jí)為9.5 級(jí)；2#鉆桿材料中的非金屬夾雜物等級(jí)為A0.5，B1.0，D0.5，金相組織為回火索氏體，晶粒度等級(jí)為10.0 級(jí)。2 種鉆桿試樣腐蝕坑部位組織與其他部位相同，腐蝕坑呈橢圓形特征，腐蝕坑內(nèi)有部分灰色腐蝕物分布。

3 S135 鉆桿腐蝕機(jī)理分析

分別從2 種鉆桿表面腐蝕位置取樣進(jìn)行微觀形貌及微區(qū)成分分析：鉆桿表面腐蝕坑呈片狀分布，面積較大，多數(shù)腐蝕坑底部有腐蝕物覆蓋，腐蝕物較為疏松，呈顆粒狀。清除腐蝕物后觀察發(fā)現(xiàn)，腐蝕坑底部較平，多個(gè)腐蝕坑之間相互連。對(duì)腐蝕坑內(nèi)的填充物進(jìn)行能譜分析表明，腐蝕坑內(nèi)的填充物主要為鐵的氧化物和部分泥漿巖屑?xì)埩粑铩?/p>

從鉆桿腐蝕坑內(nèi)取部分腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行X 射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，鉆桿腐蝕產(chǎn)物的主要組成為Fe3O4、Fe2O3和FeO（OH）。鉆井液在使用過程中，循環(huán)系統(tǒng)是非密閉的，大氣中的氧會(huì)進(jìn)入鉆井液中而成為游離態(tài)的氧。另外，鉆完一口井后的鉆桿一般都沒有清洗內(nèi)外表面的鉆井液及雜物，而是露天堆放在外，這也會(huì)使鉆桿發(fā)生腐蝕。在氧氣分壓為一個(gè)大氣壓的中性水溶液中，氧電極的平衡電位是0.815 V，而氫電極的平衡電位只有-0.413 V，因此，在中性和堿性鉆井液中，鋼質(zhì)鉆桿傾向于發(fā)生氧腐蝕。

另外，能譜分析同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物中含有相當(dāng)數(shù)量的氯離子，分析認(rèn)為氯離子主要來源于鉆井液介質(zhì)中添加的KCl 組分，氯離子本身對(duì)鉆桿材料不產(chǎn)生腐蝕作用，它的作用主要是加速腐蝕的進(jìn)行。氧腐蝕產(chǎn)生的Fe3O4覆蓋在腐蝕坑表面，從而使得坑內(nèi)的pH 值下降，弱堿性腐蝕介質(zhì)變?yōu)樗嵝愿g介質(zhì)，進(jìn)一步加速Fe 的溶解，使腐蝕坑進(jìn)一步擴(kuò)大加深。另一方面由于腐蝕坑內(nèi)因Fe2+、H+等陽離子過剩形成電場(chǎng)，使得泥漿中的氯離子借助“電泳”作用進(jìn)入腐蝕坑內(nèi)，造成富集。腐蝕坑內(nèi)的這種強(qiáng)酸環(huán)境使得坑內(nèi)壁成為活性小陽極，而坑外大片的金屬仍處于鈍態(tài)為陰極，從而構(gòu)成大陰極/小陽極的腐蝕電池，使腐蝕坑加速生長。

4 氯離子對(duì)鉆桿腐蝕性能的影響

根據(jù)鉆井現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況發(fā)現(xiàn)，鉆井過程中鉆井液pH 值為8～10.5，鉆井液中的KCl 濃度為6%左右，高時(shí)可增至12%，預(yù)計(jì)井底溫度為80～85 ℃。為了系統(tǒng)分析含鉆井液及其中的氯離子成分對(duì)于鉆桿的腐蝕作用，特制訂專門的腐蝕試驗(yàn)方案。腐蝕試驗(yàn)結(jié)果可知（圖1）：①現(xiàn)場(chǎng)取回的鉆井液對(duì)于鉆桿的腐蝕速率略低于KCl 溶液；②隨著pH 值的增加，2 種S135 鉆桿的腐蝕速率均呈下降趨勢(shì)；③隨著溫度的升高，2 種S135 鉆桿的腐蝕速率均顯著增加[4]。

圖1 S135 鉆桿腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

分析認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)的泥漿的腐蝕速率之所以低于KCl 溶液的腐蝕速率主要是由于泥漿中的氯離子含量略低于KCl 溶液，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)取回泥漿中的氯離子含量約為6000 mg/L，略低于6%KCl 溶液中的氯離子含量，另外，鉆井液中除KCl 外還添加了大量的有機(jī)聚合物添加劑和其他改善泥漿性能的添加劑，這些鉆井液添加劑的使用在一定程度上降低了鉆井液對(duì)于鉆桿的腐蝕作用。在不同pH 的KCl 溶液中鉆桿的腐蝕速率測(cè)試結(jié)果可見，隨著pH 值的增加，兩種鉆桿的腐蝕速率均呈下降趨勢(shì)，pH值主要反應(yīng)溶液中自由H+的含量，是影響電化學(xué)腐蝕的重要因素。pH 值對(duì)鋼鐵在含氧水中腐蝕的有顯著影響。高pH 值的鉆井液可以有效地抑制溶解氧等有害成分對(duì)鉆桿的腐蝕，提高鉆桿的腐蝕壽命。由腐蝕試驗(yàn)結(jié)果看出，溫度由30 ℃升至60 ℃時(shí)，在不同pH 值的6%KCl 溶液、12%KCl 溶液及鉆井液介質(zhì)中的鉆桿的腐蝕速率均大幅度升高，分析認(rèn)為主要原因是隨著溫度的上升，鉆桿腐蝕電化學(xué)反應(yīng)的速度加快，從而加速了鉆桿的腐蝕[5]。

從各組腐蝕試樣中取典型試樣，清洗后采用掃描電子顯微鏡分析試樣表面腐蝕形貌特征發(fā)現(xiàn)，兩種鉆桿材料在泥漿中的腐蝕較輕，表面依稀可見腐蝕前的原始形貌，KCl 溶液中的腐蝕膜較為疏松，出現(xiàn)明顯的龜裂和脫落形貌，60 ℃條件下的腐蝕磨厚度明顯較30 ℃條件下的腐蝕膜厚且疏松，12%KCl 溶液中的試樣的點(diǎn)蝕程度最為嚴(yán)重。

5 結(jié)論

（1）S135 鉆桿在含氯離子環(huán)境中發(fā)生的腐蝕主要為氧腐蝕，環(huán)境介質(zhì)中氯離子的存在促進(jìn)了腐蝕的進(jìn)行，2 種S135 鉆桿材料的腐蝕性能相近。

（2）鉆井液中的有機(jī)添加劑在一定程度上減緩了腐蝕的發(fā)生，現(xiàn)場(chǎng)使用的鉆井液對(duì)于鉆桿的腐蝕速率略低于KCl 溶液。

（3）隨著pH 值的增加，鉆桿的腐蝕速率呈下降趨勢(shì)。但隨著溫度、氯離子濃度的升高，鉆桿的腐蝕速率顯著增加。