含硫井钻具失效与防护技术浅析
2005-8-25中国石油网
    自1958年我国首次在四川盆地发现含硫天然气以来,硫化氢含量从微含硫(刚能检测到)上升到含硫92%左右。硫化氢是剧毒气体,同时对钻具具有极强的腐蚀作用,形成氢脆破裂事故。对含硫天然气的安全高效开发,是一项系统工程,具有相对的独立性与特殊性要求,必须具备完备的地质、勘探与开发方案,完善的泥浆、钻具、井控设备与监测预报系统,科学的钻井、完井、射孔、试气、试采、采气生产以及作业工艺措施。而近些年,如何在含硫井中安全使用钻具、防止钻具失效的问题愈来愈引起钻井工作者的重视。
    含硫井钻具氢脆失效
    硫化氢能使原子氢形成分子氢的速度减低到能让原子氢有足够的时间进入钻杆内部,引起金属晶格畸变、在晶格空隙处形成氢分子而产生很大的内应力,并且聚集在应力最大处,造成局部应力集中,引起力学性能和物理性能下降。由于氢对钻杆的“应力损伤”,钻井过程中,尽管在较低的外应力作用下,也会发生钻杆氢致脆化或破裂。
    氢脆的影响因素
    一般地,含硫井中钻具氢脆发生与下列因素有关:
    1.水基泥浆酸性环境、相对较低温度、钻柱上部工况最易发生氢脆。
    2.材料的强度、硬度越高,氢脆腐蚀敏感性越大。
    3.所受载荷越大,应力越高时,破坏所需的硫化氢减小到极小数量。只需千万分之一的硫化氢,就足以使产生氢脆。
  4.氢的数量介质中原子氢浓度越高,氢脆速度越快。
    5.合金钢成分对硫化氢腐蚀有影响,如镍、锰、钼、铜、硫、碳会产生不良影响,而铬、铝对抗硫有效,钛、钒、硅稍有影响。
    6.钢的微晶组织结构对氢脆有影响,淬火和回火材料要比正火和退火的材料有更好的抗氢脆性。
    氢脆预防措施
    一般情况下,预防含硫井钻具氢脆失效问题,最直接有效的办法是采用防硫钻杆技术。此外,还应在以下几方面开展工作:
    1.保持洗井液高PH值,使硫化物具有非活性的较小腐蚀性能。
    2.选用除硫剂,用化学处理方法使硫化物沉淀。
    3.必要时考虑油基泥浆钻井。
    4.钻具内涂层加工,用塑料涂层保护钻柱内表面。
    5.考虑配用双台阶高强抗扭钻杆接头,提高防硫钻杆接头对管体的抗扭强度比。
    防硫钻杆技术
    在含硫井中直接采用抗硫钻杆技术,已为全球愈来愈多的钻井商们所接受。虽然在防硫管材制造方面,国内外油井管制造商都先后推出了各具特色的防硫管材产品,但在防硫钻杆技术上,由于受制造技术和管体原材料限制,国内还没有生产出成熟的防硫钻杆产品,这方面主要依赖进口,如美国格兰特公司、德国曼林斯曼公司的防硫钻杆。但国内几家合资公司已经开始研发防硫钻杆,如江苏曙光格兰特钻杆有限公司、渤海能克钻杆有限公司。
    防硫钻杆管体技术
    防硫钻杆管体的研究,一方面开发或选用新型抗硫材料,降低或去除材料中有害元素,添加抗硫成分;一方面还要对氢脆机理展开金属断裂力学、断裂物理、断裂化学、断裂和环境断裂的宏观理论、微观机理及影响因素的深入研究。从氢在金属中的行为、氢的扩散和富集、氢促进局部塑性变形、应力腐蚀开裂、晶界能和晶间结合强度等方面综合考虑。另外,钻杆管体屈服极限大于650MPa,硬度大于HRC22的钢材,必须经适当的热处理,改善微晶组织,并在含硫介质环境中试验,证实其具有抗硫性能后,方可采用。
    防硫钻杆接头技术
    由于API标准钻杆接头和所有钢级管体组合时,均采用相同的扣型。但相同的扣型,高钢级钻杆(如S135)接头的抗扭强度总低于钻杆管体的抗扭强度。在钻井作业中,这种抗扭强度配合不当,使接头应力急剧增加,含硫井中会使钻具在接头处提前失效。
    近几年,防硫钻杆配合双台阶高抗扭钻杆接头,即在母接头内部增加一内台阶,很大程度地降低防硫钻杆在接头处的应力。
    防硫钻杆摩擦焊接部位热处理技术
    防硫钻杆管体与接头摩擦对焊后,在焊缝处的组织可能不均匀,热影响区具有过热组织和魏氏组织,造成很大的内应力。必须对其进行热处理来改善其性能,以达要求。目前世界上对钻杆焊缝热处理的成熟工艺为完全退火、调质处理。为了得到优良的综合机械性能,还需要对焊接区进行调质处理。
    淬火后进行高温回火处理,减少或消除淬火应力,保证相应的组织转变,最终得到回火组织为回火索氏体。在焊接过程中绝对不允许出现气孔、偏析和夹渣等缺陷,而且焊缝的热影响区要小。钻杆对焊后,经磁粉和超声波严格探伤检测,确保质量。
    综上所述,含硫天然气的安全高效开发,是一项系统工程,具有相对的独立性与特殊性。正确认识含硫井钻具氢脆失效机理、影响因素,针对性地采取预防措施,选用防硫钻杆或高抗扭双台阶防硫钻杆,可有效避免或减轻硫化氢对钻具的伤害。
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