在石油钻井工程中,钻杆腐蚀和腐蚀疲劳是引发钻具失效的主要因素。近年来,随着钻井向深井、大位移井、水平井等高难度井的发展,钻杆腐蚀和腐蚀疲劳失效问题日趋严重,亟待解决。本文选用S135钻杆钢作为研究对象,进行钻杆钢的氧腐蚀和腐蚀疲劳行为研究。 基于系统的理论分析和现场腐蚀产物的X衍射分析,研究钻杆钢在3%NaCl溶液中的氧腐蚀机理,得出钻杆钢在中性或弱碱性溶液中的腐蚀是氧去极化作用,同时指出氧气在3%NaCl盐水钻井液中的扩散过程控制着整个吸氧腐蚀的速度。通过室内高压釜动态模拟试验,分别研究了钻井液中含氧量、钻井液温度、电机钻速和钻井液盐浓度对钻杆钢的氧腐蚀速率影响规律。结果表明钻井液含氧量和电机钻速的增加会促进钻杆钢的氧腐蚀速率,而钻井液温度和含盐量对钻杆钢的氧腐蚀速率具有双重作用。 本文通过钻杆钢在3.5%NaCl溶液中的三点弯曲腐蚀疲劳实验,结合理论分析,系统深入地研究了BNK钻杆钢和NKK钻杆钢的近门槛区和Paris区的腐蚀疲劳行为。在对钻杆钢在Paris区的腐蚀疲劳裂纹扩展速率曲线分析中采用Origin软件进行线性拟合,建立了两种钻杆钢的腐蚀疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅值之间的关系,为带有缺陷钻杆钢的剩余疲劳寿命预估提供了理论依据。运用金相电子显微镜、图像分析仪等检测仪器揭示了钻杆钢腐蚀疲劳裂纹扩展与钻杆钢的组织之间的关系,结果表明材料的冲击韧性和材料偏析对腐蚀疲劳裂纹扩展速率有较大影响。最后采用数码相机和扫描电子显微镜等设备进行钻杆钢的宏观形貌和微观形貌的特征研究,全面系统地揭示了钻杆钢在3.5%NaCI溶液中的腐蚀疲劳机制,即在近门槛区,钻杆钢的腐蚀以氧去极化为主,但随着应力强度因子幅值的增大,钻杆钢的腐蚀疲劳机制是阳极溶解与氢脆共同作用。