鋁合金鉆桿在腐蝕環境下的力學性能

王濟生 陳衛東 孔永平

(1.河南中原重型鍛壓有限公司，河南 濟源 454650；2.河南省豫隆科學技術研究院有限公司，鄭州 450001)

鉆桿是鉆具系統中連接地表鉆探設備和井底鉆磨設備的重要部分，他要求工作時能承受巨大的內外壓、彎曲、扭曲和振動，其性能決定了鉆具系統鉆井的深度。隨著地表淺層資源的開發殆盡，深層資源的開發條件又相對惡劣，對鉆具系統中鉆桿的要求也越來越嚴格，鉆桿成為了制約石油、天然氣等地下資源開采的卡脖子問題[1，2]。實際鉆探中使用較多的是鋼制鉆桿，雖然鋼鉆桿強度較高，但由于密度大、抗彎能力差等問題無法應用于深井、超深井等鉆探工程中，具有密度低、比強度高等性能的輕質鉆桿已經成為鉆探行業的青睞品，如鋁合金鉆桿、鈦合金鉆桿[3，4]。在實際應用中，鈦合金鉆桿成本高、制造工藝難度大使得鋁合金鉆桿應用更加廣泛、使用率更高[5]，鋁合金鉆桿在國外如美國、德國等已經得到了廣泛使用[6]。

在鉆井過程中，鉆井環境的復雜多樣對鉆桿產生了巨大影響。尤其是在井下高溫高壓的環境下，鉆桿極其容易發生腐蝕，而腐蝕因素也是鋁合金鉆桿技術的薄弱點之一[7，8]。鋼鉆桿在富含CO2和H2S的環境中很容易產生應力腐蝕，發生鉆桿斷裂。與鋼鉆桿相比，鋁合金鉆桿具有較好的抗CO2和H2S腐蝕性能[9-11]，在CO2和H2S環境中不會發生氫脆現象，但目前關于鋁合金在腐蝕環境下的力學性能變化的相關研究很少。本文針對不同材料的鋁合金鉆桿，采用不同條件對鉆桿進行腐蝕處理，檢測鉆桿被腐蝕后的力學性能，計算鉆桿的力學性能損失率，分析腐蝕條件對鋁合金鉆桿力學性能的影響，對鋁合金鉆桿材料的選擇提供參考。

1 試驗

首先，將D16T、1953T1及7E04鋁合金鉆桿分別置于3.5% NaCl+NaOH(pH=11)、3.5% NaCl(pH=7)、3.5% NaCl+CH3COOH(pH=3)三種腐蝕環境中進行處理，處理溫度為28 ℃，腐蝕時間為120 h；然后，將樣品取出、晾干，檢測經處理后鋁合金鉆桿的拉伸性能、硬度及沖擊性能；將未進行腐蝕處理的鋁合金設置為對照組，檢測其拉伸性能、硬度及沖擊性能。

室溫拉伸試驗采用DDL電子拉伸試驗機在室溫條件下，按照GB/T 228.1—2010 《金屬材料拉伸試驗方法》要求對試樣進行室溫拉伸試驗檢測，拉伸時采用0.5 mm/min的速度進行慢速拉伸。每組試驗測試3次，結果取平均值。

硬度測試試驗在HB 3000B布氏硬度機上按照GB/T 231.1—2018 《金屬材料布氏硬度試驗》要求對試樣進行硬度檢測。每組試驗選取2個樣片，打磨后每個樣片測試5個點，結果取平均值。

沖擊試驗按GB/T 229—2020 《金屬材料夏比擺錘實驗方法》要求，在擠壓方向切取夏比沖擊試驗標準試樣，在試樣上開“V”型缺口。

通過對比對照組與試驗組的結果數據，分析腐蝕環境對鋁合金的力學性能的影響，計算鋁合金鉆桿的力學性能損失率。

2 試驗結果與分析

2.1 腐蝕處理后D16T鋁合金鉆桿的力學性能

腐蝕處理后D16T鋁合金鉆桿的力學性能檢測結果見表1所示。由圖1及表1可知，經過腐蝕處理后，D16T鋁合金鉆桿的力學性能有不同程度的下降，當腐蝕環境為中性(即3.5% NaCl溶液)時，D16T鋁合金鉆桿的力學性能基本保持不變；當腐蝕環境為酸性(3.5% NaCl+CH3COOH)時，D16T鋁合金鉆桿的力學性能有微小程度的下降，但其各項性能損失率均小于1%；當腐蝕環境為堿性(3.5% NaCl+NaOH溶液)時，D16T鋁合金鉆桿的力學性能下降幅度最大，其中屈服強度損失率為2.61%，伸長率損失率為2.51%，抗拉強度損失率為2.45%，硬度損失率為2.34%，沖擊性能損失率為2.32%。這些結果表明，D16T鋁合金鉆桿具有較強的抗腐蝕能力，不同腐蝕環境下D16T鉆桿的抗腐蝕能力大小依次為：中性環境抗腐蝕能力>酸性環境抗腐蝕能力>堿性環境抗腐蝕能力。

圖1 腐蝕處理后D16T鋁合金鉆桿的力學性能損失率Fig.1 Loss rate of mechanical properties of D16T aluminum alloy drill pipe after corrosion treatment

表1 腐蝕前后D16T鋁合金鉆桿的力學性能Table 1 Mechanical properties of D16T aluminum alloy drill pipe before and after corrosion

2.2 腐蝕處理后1953T1鋁合金鉆桿的力學性能

腐蝕處理后1953T1鋁合金鉆桿的力學性能檢測結果見表2，其力學性能損失率變化情況見圖2。由表2及圖2可知，在中性腐蝕環境(3.5% NaCl溶液)中，1953T1鋁合金鉆桿的力學性能基本不發生變化，僅屈服強度下降了0.2%；在酸性環境(3.5% NaCl+CH3COOH溶液)中，1953T1鋁合金鉆桿的力學性能稍有下降，其中屈服強度下降0.99%，伸長率下降0.82%，硬度下降0.77%，抗拉強度下降0.72%，沖擊吸收能量下降0.34%；而在堿性環境(3.5% NaCl+NaOH溶液)中，1953T1鋁合金鉆桿的力學性能下降幅度較為明顯，其中屈服強度損失率達到了4.15%，抗拉強度損失率達到了4.11%，伸長率損失率為3.71%，沖擊吸收能量損失率為3.2%，硬度損失率為3.08%。結果表明，1953T1鋁合金鉆桿具有較強的抗腐蝕能力，其抗腐蝕能力大小依次為中性環境抗腐蝕能力>酸性環境抗腐蝕能力>堿性環境抗腐蝕能力。

表2 腐蝕前后1953T1鋁合金鉆桿的力學性能Table 2 Mechanical properties of 1953T1 aluminum alloy drill pipe before and after corrosion

圖2 腐蝕處理后1953T1鋁合金鉆桿的力學性能損失率Fig.2 Loss rate of mechanical properties of 1953T1 aluminum alloy drill pipe after corrosion treatment

2.3 腐蝕處理后7E04鋁合金鉆桿的力學性能

腐蝕處理后7E04鋁合金鉆桿的力學性能檢測結果見表3，其力學性能損失率變化情況見圖3。由表3及圖3可知，在中性環境(3.5% NaCl溶液)中，7E04鋁合金鉆桿的力學性能基本不發生變化，僅抗拉強度損失率達到0.14%；在酸性環境(3.5% NaCl+CH3COOH溶液)中，7E04鋁合金鉆桿的力學性能有輕微程度的下降，其中屈服強度下降0.98%，抗拉強度下降0.89%，硬度下降0.77%，伸長率下降0.57%，沖擊吸收能量下降0.46%；在堿性環境(3.5%NaCl+NaOH溶液)中，7E04鋁合金鉆桿的力學性能有明顯程度的下降，其中抗拉強度的損失率達到4.90%，屈服強度損失率達到了4.73%，硬度損失率為4.62%，沖擊吸收能量損失率為3.96%，伸長率損失率為3.88%。結果表明，7E04鋁合金鉆桿具有一定的抗腐蝕能力，在中性環境和酸性環境中抗腐蝕能力較強，堿性環境下抗腐蝕能力較弱。

表3 腐蝕前后7E04鋁合金鉆桿的力學性能Table 3 Mechanical properties of 7E04 aluminum alloy drill pipe before and after corrosion

圖3 腐蝕處理后7E04鋁合金鉆桿的力學性能損失率Fig.3 Loss rate of mechanical properties of 7E04 aluminum alloy drill pipe after corrosion treatment

由以上結果可知，D16T、1953T1及7E04三種鋁合金鉆桿在中性環境(3.5% NaCl溶液)中的力學性能基本不發生變化在酸性環境(3.5% NaCl+CH3COOH溶液)中力學性能有較小程度的下降，在堿性環境(3.5% NaCl+NaOH溶液)中有明顯的下降，可見這三種鋁合金鉆桿在堿性和中性環境中發生了明顯的腐蝕現象，在堿性環境中的抗腐蝕性能比酸性和中性環境中的抗腐蝕性能差。D16T、1953T1及7E04三種鋁合金鉆桿的材料相比，D16T鋁合金鉆桿的力學性能損失率較小，說明D16T鋁合金鉆桿的抗腐蝕能力比其他兩種鋁合金鉆桿的更強。

3 討論

由于鋁的性質比較活潑，易與空氣中的氧氣發生反應鈍化形成氧化膜，且氧化膜的穩定性較強，能夠阻止鋁合金鉆桿在酸性環境中發生腐蝕[12-14]，鋁合金鉆桿具有較強的抗酸性環境腐蝕能力。在實際的使用過程中，由于鋁合金鉆桿具有更高的比強度，并且在H2S環境中完全不發生腐蝕，使用鋁合金鉆桿替代鋼鉆桿不僅可以增加鉆探的深度，還可以減少腐蝕斷裂現象的發生、降低鉆井中的事故發生率，縮短事故處理的時間[15-17]。

D16T、1953T1及7E04三種鋁合金鉆桿在不同的環境中腐蝕處理后，其力學性能指標變化也不相同。中性環境腐蝕后，三種鋁合金鉆桿的力學性能基本不發生變化，說明D16T、1953T1及7E04鋁合金鉆桿在中性環境中具有很強的抗腐蝕能力。在酸性環境中腐蝕處理后，D16T、1953T1及7E04鋁合金鉆桿的力學性能有輕微程度的下降，但與堿性環境腐蝕處理后的力學性能相比，在酸性腐蝕后的力學性能指標更高，堿性腐蝕后力學性能損失率更大，說明D16T、1953T1及7E04鋁合金鉆桿具有較強的抗酸性腐蝕能力，而抗堿性腐蝕能力相對較弱。這是因為，堿性環境能使氧化膜溶解，鋁合金表面的氧化膜遭到了破壞，并有析氫現象的發生，加速了鋁合金的腐蝕[6]；氧化膜在中性環境中較為穩定，在酸性條件下阻止了鋁合金的腐蝕。這與文獻[18，19]報道的研究結果一致。

經過腐蝕處理后，D16T鋁合金鉆桿的力學性能下降幅度相對較低，其抗腐蝕能力相比1953T1及7E04兩種鋁合金鉆桿更強。但是，在實際應用于鉆探工程中時，不僅需要考慮鉆桿的耐腐蝕性能，還要結合鉆探的環境，考慮服役環境對鉆桿的力學性能要求[20-22]。由于D16T的屈服強度和抗拉強度較低，不能滿足深井環境對鉆桿的強度要求。1953T1及7E04兩種鋁合金鉆桿比D16T鋁合金鉆桿具有更高的屈服強度和抗拉強度，因此1953T1及7E04這兩種鋁合金鉆桿具有更好的市場應用前景。

D16T、1953T1及7E04鋁合金鉆桿分別經過強堿性腐蝕處理后，7E04的力學性能及沖擊性能損失率相對較高，其屈服強度、抗拉強度、伸長率及硬度損失率分別為4.73%、4.90%、3.88%、4.62%，沖擊性能損失率為3.96%，但是均不超過5%。腐蝕后，7E04、D16T、1953T1的力學性能仍滿足GB/T 20659—2017《石油天然氣工業鋁合金鉆桿》對鋁合金鉆桿規定的性能要求。因此，根據不同的鋁合金鉆桿腐蝕后的力學性能變化，可以根據鉆探的環境及對鉆桿的性能要求，選擇符合要求的鋁合金鉆桿。

4 結論

D16T、1953T1及7E04三種鋁合金鉆桿具有很強的抗中性環境腐蝕和抗酸性環境腐蝕的能力。但三種鋁合金鉆桿經過強堿性腐蝕處理后，其力學性能均有明顯下降，其中7E04的力學性能損失率相對較高，其屈服強度、抗拉強度、伸長率及硬度損失率分別為4.73%、4.90%、3.88%、4.62%，沖擊吸收能量損失率為3.96%，但是均不超過5%。與D16T及1953T1鋁合金鉆桿相比，7E04鋁合金鉆桿抗堿性腐蝕能力最低。D16T的力學性能損失率最低，其屈服強度、抗拉強度、伸長率及硬度損失率分別為2.61%、2.45%、2.51、2.34%，沖擊吸收能量損失率為2.32%，與1953T1及7E04鋁合金鉆桿相比，抗堿性腐蝕能力最強。經腐蝕后，7E04、D16T、1953T1的力學性能仍滿足GB/T 20659—2017 《石油天然氣工業鋁合金鉆桿》對鋁合金鉆桿規定的性能要求。因此，根據不同的鋁合金鉆桿腐蝕后的力學性能變化情況，可結合鉆探的環境及對鉆桿的性能要求選擇符合要求的鋁合金鉆桿。