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SY／T 7409-2018 酸性油气井钻柱安全评价方法.pdf

图1碳钢和低合金钢SSC的环境严重程度的区域

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6.1钻柱构件剩余强度评价

6.1钻柱构件剩余强度评价

GB/T 31049-2014 石油钻机顶部驱动钻井装置的耐蚀合金和其他合金SSC的环境严重程度的

在用钻柱构件的表面损伤缺陷包括体积型缺陷和裂纹型缺陷两种类型。本标准按所述体积型缺陷 主要包括均匀腐蚀和磨损减薄导致的金属损失，裂纹型缺陷主要包括尖锐的机械损伤、深腐蚀坑或腐蚀 勾槽、成片的空洞或夹杂、折叠及裂纹等，对于含裂纹型缺陷钻柱构件剩余强度评价可参考SY/T6719 进行。含体积型缺陷钻柱构件剩余强度评价主要针对管体部位和螺纹连接部位进行，推荐采用点测法 对体积型缺陷进行量化，确定缺陷部位的剩余尺寸，进而对其剩余强度进行评价。

6.1.2含体积型缺陷钻柱构件管体剩余强度评价

式中： 拉伸强度，单位为牛顿（N）； Y 材料屈服强度，单位为兆帕（MPa）； 一含缺陷部位的截面积，单位为平方毫米（mm²）。

型缺陷钻柱构件管体剩余扭转强度可依据公式（

O 抗扭强度，单位为牛顿米（N·m）； Ym 材料屈服强度，单位为兆帕（MPa）； 含缺陷部位的极惯性矩，单位为四次方毫米（mm*）； D 含缺陷部位的外径，单位为毫米（mm）。 含体积型缺陷钻柱构件管体剩余拉扭复合强度可依据公式（3）进行计算：

0.001154JY. Q： D

0.001154J D

2一拉伸载荷作用下的最小抗扭强度，单位为牛顿米（N·m）； J一含缺陷部位的极惯性矩，单位为四次方毫米（mm*）； Ym材料屈服强度，单位为兆帕（MPa）； A一一含缺陷部位的截面积，单位为平方毫米（mm²）； D一含缺陷部位的外径，单位为毫米（mm）。 如果钻柱构件管体表面存在多处体积型缺陷，则应分别计算确定各缺陷部位的剩余强度，以不同 缺陷位置的最下剩余强度作为钻柱构件的剩余强度

6.1.3含体积型缺陷钻柱构件螺纹连接结构剩余强度评价

含体积型缺陷钻柱构件API标准螺纹连 抗扭强度可依据公式（4）进行计算

T= 1000（2元c0s R =(OD+Q.) /4

式中： T 抗扭强度，单位为牛顿米（N·m）； Ym 材料屈服强度，单位为兆帕（MPa）； 截面积，取A,和A，中的较小值，单位为平方毫米（mm²）； P 螺距，单位为毫米（mm）； 摩擦系数，取0.08； ? 螺纹牙型半角，单位为度（°）； R一见公式（5），单位为毫米（mm）； Q。—扩锥孔直径，单位为毫米（mm)。 含体积型缺陷钻柱构件API标准螺纹连接结构剩余抗拉强度（有扭矩状态）可依据公式（6）进 行计算：

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1000T (A, + Ap) 0 A(P+R +Rf)

T上紧扭矩，单位为牛顿米（N·m）； P。一螺纹连接台肩分离所需的拉力，单位为牛顿（N）； Ap距扭矩台肩19.05mm处外螺纹截面积，单位为平方毫米（mm²）； 螺距，单位为毫米（mm）； 摩擦系数，取0.08； 一螺纹牙型半角，单位为度（°）； R一见公式（5），单位为毫米（mm）。 对于钻柱构件非API标准螺纹连接结构的剩余强度，可依据供应商提供的方法进行评价。针对钻 柱构件的剩余强度评价，在条件允许的情况下，

工 一上紧扭矩，单位为牛顿米（N·m）； P。一螺纹连接台肩分离所需的拉力，单位为牛顿（N）； A 一距扭矩台肩19.05mm处外螺纹截面积，单位为平方毫米（mm²）； A,—距扭矩台肩9.525mm处内螺纹截面积，单位为平方毫米（mm²）； 螺距，单位为毫米（mm）； 摩擦系数，取0.08； ? 螺纹牙型半角，单位为度（）； R一见公式（5），单位为毫米（mm）。 对于钻柱构件非API标准螺纹连接结构的剩余强度，可依据供应商提供的方法进行评价。针 构件的剩余强度评价，在条件允许的情况下，推荐采用实物模拟试验的方法评价其剩余强度。

6.2钻柱构件腐蚀寿命评价

在含硫化氢酸性环境油气井作业过程中 钻柱构件受到钻井液及地层溢出酸性介质的腐蚀作用， 这种腐蚀作用主要包括普遍性腐蚀（均匀腐蚀或局部腐蚀）和应力作用下的腐蚀两大类，依据腐蚀介 质的不同，两种腐蚀类型在钻柱服役过程中发挥不同的作用

6.2.2普遍性腐蚀寿命评价

365000g or yst

365000g 二 yst

g一失重，单位为克（g）； 一一材料密度，单位为克每立方厘米（g/cm3）； s一试样暴露在腐蚀溶液中的表面积，单位为平方毫米（mm）； t一腐蚀周期，单位为天（d）。 普遍性腐蚀评价主要针对钻杆管体部位，以钻杆下井前状态为初始条件，以2级钻杆为临界状 态，依据腐蚀速率评价钻杆管体发生普遍性腐蚀的剩余寿命。对于其他钻柱构件，可依据其薄弱部位 的初始条件、临界状态和腐蚀速率评价其在满足剩余强度要求条件下的剩余寿命。

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6.2.3应力作用下的腐蚀寿命评价

示准硫化物应力腐蚀寿命

杆的标准硫化物应力腐蚀性能应符合SY/T6857.2的要求。在无其他补充技术要求的情况下，满足标 准硫化物应力腐蚀试验要求的钻柱构件可视为其应力腐蚀寿命满足使用要求。

6.2.3.2非标准硫化物应力腐蚀寿命评价

依据5.4预测的钻柱构件服役载荷和5.5预测的腐蚀环境及NACETM0177的规定选择合适的非 标准硫化物应力腐蚀试验方法，试验周期为720h。试验过程中试样未发生开裂，则可认为其应力腐 蚀寿命满足使用要求。 对于不足720h发生断裂的钻柱构件，试验周期可作为评价钻柱构件非标准硫化物应力腐蚀寿命 的参考依据。另外，也可通过降低试验应力载荷的方式继续试验，获得钻柱构件材料满足720h不发 生开裂的应力载荷，该应力载荷可作为评价钻柱构件最大服役载荷的参考依据。

6.3钻柱构件材料腐蚀疲劳寿命评价

6.3.1腐蚀疲劳裂纹形成寿命评价

依据5.4预测的钻柱构件服役载荷和5.5预测的腐蚀环境设计腐蚀疲劳裂纹形成寿命试验评价方 法，以107周次作为试验终止条件，腐蚀疲劳试验可采用轴向加载方式、弯曲加载方式或其他加载方 式进行。满足107周次未发生疲劳失效的钻柱构件，则可认为其腐蚀疲劳裂纹形成寿命满足使用要 求。对于不足107周次发生疲劳失效的钻柱构件，试验周期可作为评价钻柱构件服役寿命的参考依 据。另外，也可通过降低试验应力载荷的方式继续试验，获得钻柱构件材料满足107周次不发生腐蚀 皮劳的应力载荷值，该应力载荷可作为评价钻柱构件最大服役载荷的参考依据。 轴向加载腐蚀疲劳试验参考GB/T3075进行。 弯曲加载腐蚀疲劳试验参考GB/T4337进行。 也可依据钻柱构件服役载荷设计其他形式的腐蚀疲劳试验方法。

6.3.2腐蚀疲劳裂纹扩展寿命评价

依据5.4预测的钻柱构件服役载荷和5.5预测的腐蚀环境设计腐蚀疲劳裂纹扩展寿命试验评价方 法，腐蚀疲劳试验可采用轴向加载方式、弯曲加载方式或其他加载方式进行。 在试样表面预测裂纹，试验检测裂纹在腐蚀疲劳试验过程中穿透下限壁厚的疲劳寿命，或获得钻 柱构件材料疲劳裂纹的扩展速率方程，进而评价钻柱构件的腐蚀疲劳裂纹扩展寿命。疲劳裂纹扩展速 率试验参考GB/T6398进行，也可以依据钻柱构件服役载荷设计其他形式的腐蚀疲劳试验方法。疲 劳裂纹扩展速率可使用Paris公式表示，见公式（8）

式中： da dN 裂纹扩展速率，单位为毫米每周次（mm/cycle）； AK 应力强度因子范围，单位为兆帕米的平方根（MPa·Vm）

与材料相关的常数； 一与材料相关的常数。 裂纹扩展速率也可使用Forman提出的修正公式进行表示，见公式（9）

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依据腐蚀疲劳裂纹扩展速率公式（8）或公式（9）进行积分，即可得到钻柱构件疲劳裂纹扩展阶 段的寿命N，见公式（10）或公式（11）：

式中： α—裂纹初始尺寸，单位为毫米（mm）； a—裂纹临界尺寸，单位为毫米（mm)。 疲劳裂纹扩展速率也可使用其他形式的计算方法确定。 腐蚀疲劳裂纹扩展寿命可作为评价钻柱构件服役寿命的参考依据。

7钻柱的现场监测与评价

7.1含硫化氢油气井作业过程中，应对钻柱构件服役环境和服役载荷相关参数进行现场监测，及时 判断是否超出各种预测参数值，从而对钻柱的安全性进行评价。 7.2当钻柱构件服役环境或服役载荷相关参数超出安全评价允许范围时，应通过调整钻井参数、钻 并液性能或其他措施，使钻柱服役环境和服役载荷相关参数回归到预测的安全范围。 7.3对于无法采用现场措施使钻柱服役环境和服役载荷相关参数回归到安全范围内的情况，应结合 钻柱构件作业现场的具体环境工况参数，按第6章的评价程序，重新评价钻柱构件的剩余强度和剩余 寿命，并及时采取相应的控制措施。 7.4在条件允许的情况下，可以随钻检测钻柱构件的腐蚀情况，并对钻柱构件的剩余强度和剩余寿 命进行评价。 7.5在条件允许的情况下，可以随钻检测钻柱构件的疲劳损伤情况，并对钻柱构件的剩余强度和剩 余寿命进行评价。

8钻柱失效预防及控制措施

8.1人井使用前，现场检测人员应依据钻柱构件检测管理规范对每支钻柱构件的外径、壁厚、表面 状态、涂层状况、损伤及其他缺陷情况等进行细致的检查，确保钻柱构件满足使用要求。 8.2钻井过程中，检测人员应对井下起出钻柱构件的外表面腐蚀、损伤、磨损和裂纹情况进行检查 必要时做定量检测，并对钻柱构件进行缺陷判定和分级，及时发现并替换不符合作业要求的钻柱构件。 8.3钻井过程中若发生钻柱构件裂纹型失效（如刺穿和断裂），应及时观察和分析裂纹面形貌，对钻

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柱构件材料的性能和裂纹面的腐蚀产物进行分析，以确定裂纹形成原因，进而为评估入井钻 安全性提供依据。

4含硫化氢油气井进行钻井作业时，除根据腐蚀环境等级选择相应的钻柱构件材料、 作业规范、强化钻柱构件现场检测外，还应加强以下几方面的控制，以减少钻柱失效事 a）钻柱最大许可拉力、压力和扭矩的控制。 b）钻柱构件井下振动的控制。 c）钻柱与套管或井壁磨阻的控制。 5推荐采用下列环境控制方法中的一种或几种，以降低硫化氢等腐蚀介质的危害： a）保持足够高的钻井液密度。 b）推荐采用油基钻井液。 c）当采用水基钻井液时，钻井液的pH值不宜低于10。 d）加人脱硫剂，以中和硫化氢。 e）使用缓蚀剂，保护钻柱在短期接触硫化氢的情况下不发生损伤。 f）钻柱构件使用后应将内 干净，并存放在干燥的环境中

A.1计算气相系统的硫化氢分压

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硫化氢分压可用系统总压乘以硫化氢在气相中的摩尔分数进行计算，见公式（A.1），质量浓度的 计算见公式（A.2）。

PH,SH2S硫化氢分压，单位为兆帕（MPa）； p—系统总压，单位为兆帕（MPa）； XH,S—H,S在气体中的摩尔分数，用百分数表示。

式中： CH,s—H,S在气体中的质量浓度，单位为毫克每立方米（mg/m"）； M一摩尔质量，单位为毫克每摩尔（mg/mol）； T—系统温度，单位为摄氏度（℃)。

JB/T 11760-2013 直齿锥齿轮精密冷锻件 技术条件A.2计算不含气的液体系统的有效硫化氢分压

273 P 22.4273±T 101325 .

对于液体系统（不存在平衡气体组分），有效的硫化氢热力学活度可用下列方法测定的硫化氢真 实分压确定： a）用任何适当的方法测定液体在操作温度下的泡点压力（ps）。 b）用适当的方法测定泡点条件下气相中硫化氢的摩尔分数。 c）按公式（A.3）计算泡点气相中的硫化氢分压：

式中： PHs——H2S硫化氢分压，单位为兆帕（MPa）； PB——泡点压力，单位为兆帕（MPa）； Xi.s—H,S 在气体中的魔尔分数，用百分数表示。

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SN/T 2763.2-2012 红土镍矿化学分析方法 第1部分：镍、钴含量的测定 火焰原子吸收光谱法[1] GB/T 3075 金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法 [2] GB/T 4337 金属材料 疲劳试验 旋转弯曲方法 [3] GB/T 6398 金属材料 疲劳试验 疲劳裂纹扩展方法 [4] SY/T 6719 含缺陷钻杆适用性评价方法

[1] GB/T 3075 金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法 [2] GB/T 4337 金属材料 疲劳试验 旋转弯曲方法 [3] GB/T 6398 金属材料 疲劳试验 疲劳裂纹扩展方法 [4]SY/T 6719 含缺陷钻杆适用性评价方法

中华人民共和国 石油天然气行业标准 酸性油气井钻柱安全评价方法 SY/T 7409—2018 石油工业出版社出版 （北京安定门外安华里二区一号楼） 北京中石油彩色印刷有限责任公司排版印刷 新华书店北京发行所发行 880×1230毫米16开本1.25印张30千字印1—500 2019年2月北京第1版2019年2月北京第1次印刷 书号：155021·7821定价：25.00元 版权专有不得翻印