أنبوب حفر النفط هو أداة أساسية في حقول النفط، ويُعدّ المكون الرئيسي لسلسلة الحفر. يؤدي دوره في ربط سلسلة الحفر، ونقل الطين، وتوزيع عزم الدوران أثناء الحفر. يتعرض الأنبوب لأحمال معقدة، مثل الضغط والشد والالتواء والانحناء، بالإضافة إلى الاهتزازات والصدمات القوية. في الوقت الحالي، تُصنع أنابيب حفر النفط من وصلات وأجسام الأنابيب الملحومة بالاحتكاك، وتُقسّى منطقة اللحام وتُخفّف من حدّتها بعد اللحام. أظهرت الدراسات أن التصدع الهش الناتج عن الإجهاد المنخفض في منطقة اللحام هو الظاهرة الأكثر شيوعًا، حيث تُصبح هذه المنطقة نقطة ضعف في الأنبوب بأكمله. لذا، يُعدّ التحكم في الخصائص الميكانيكية لمنطقة اللحام أمرًا بالغ الأهمية لضمان جودة أنبوب الحفر، وتُعتبر مقاومة الصدمات مؤشرًا رئيسيًا لتقييم هذه الخصائص.
أولاً، سبب تحليل المتانة في ظروف الصدمات المنخفضة
باستثناء مقاومة الصدمات غير المطابقة للمواصفات، فإن الخصائص الميكانيكية الأخرى لعينات لحام أنابيب الحفر تتوافق مع متطلبات معيار API SPEC 5DP:2009. يتكون التركيب المجهري على جانبي اللحام من تروستيت مُقسّى مع كمية قليلة من الفريت، ولا يوجد مارتنسيت غير مُقسّى أو بنية خشنة ناتجة عن التسخين الزائد. توجد العديد من الشوائب غير المعدنية من الفئة A في منطقة اللحام، ويصل النظام الدقيق إلى المستوى 1.5. محتوى الفوسفور والكبريت في مادة جسم الأنبوب منخفض، وكذلك مستوى الشوائب غير المعدنية، لكن محتوى الكبريت في مادة وصلة أنبوب الحفر يتجاوز المعيار، بنسبة كتلة تبلغ 0.016%، ويصل النظام الخشن للشوائب غير المعدنية من الفئة A إلى المستوى 2.0، ومحتوى هذه الشوائب مرتفع نسبيًا. من خلال التحليل المجهري والعياني لكسر عينة اللحام، تبين وجود العديد من الشوائب غير المعدنية المختلطة من كبريتيد الحديد (FeS) وكبريتيد المنغنيز (MnS) عند الكسر. ونظرًا لارتفاع نسبة الشوائب غير المعدنية من الفئة (أ) عند كسر العينة، فقد تضررت بنية منطقة اللحام. تختلف خصائص اللدونة والمرونة للشوائب غير المعدنية اختلافًا كبيرًا عن خصائص الفولاذ. لا يمكن تشكيل الشوائب غير المعدنية بشكل متزامن مع الفولاذ، مما يؤدي إلى زيادة تركيز الإجهاد حولها، مُشكلاً سطح ربط ضعيف. عند تعرض العينة لقوة الصدم، تظهر الشقوق أولًا عند سطح الربط الضعيف، ثم تمتد لاحقًا إلى سطح ربط اللحام، مما يؤدي إلى كسرها. لذلك، فإن ارتفاع نسبة الشوائب غير المعدنية في منطقة اللحام يقلل بشكل كبير من مقاومة الصدم. يتولد عنصر الكبريت في مادة وصلة أنبوب الحفر أثناء عملية الصهر. تتجمع معظم عناصر الكبريت في مجموعات عند حدود حبيبات التغصنات لتشكيل الكبريتيدات. تكون الكبريتيدات سهلة التشوه أثناء عملية الدرفلة على الساخن، وغالبًا ما تمتد على شكل مغازل رفيعة وتتوزع في بنية شريطية، مما يُسبب تباين الخواص في الفولاذ. أثناء اللحام الاحتكاكي، يتم لحام وصلة أنبوب الحفر وجسم الأنبوب تحت درجة حرارة وضغط مرتفعين. مع التدفق اللدن للمعدن على سطح اللحام، يتغير اتجاه التوزيع الأصلي للكبريتيد من موازٍ لمحور وصلة أنبوب الحفر إلى موازٍ لاتجاه اللحام، أي عموديًا على اتجاه المحور، وبالتالي يتوزع الكبريتيد على طول اللحام.
نظراً لارتفاع نسبة الشوائب غير المعدنية من الفئة (أ) في منطقة اللحام، يختل تماسك البنية، مما يؤدي إلى عدم استيفاء مقاومة الصدمات لمتطلبات معيار API SPEC 5DP:2009، بينما تصل قوة الشد إلى 880 ميجا باسكال. تشير الدراسات ذات الصلة إلى أنه عند تعريض العينة لإجهاد شد، يكون هذا الإجهاد عمودياً على سطح وصلة اللحام وموزعاً بالتساوي على كامل سطحها. لذلك، يكون معدل انتشار الشقوق الناتج عن الشوائب غير المعدنية بطيئاً نسبياً. أما عند تعريض العينة لقوة صدم، فيتعرض سطح وصلة اللحام لإجهاد قص غير متساوٍ، ويكون معدل انتشار الشقوق الناتجة عن الشوائب غير المعدنية سريعاً نسبياً. وبالتالي، فإن عيوب الربط الضعيفة الناتجة عن الشوائب غير المعدنية لا تؤثر بشكل كبير على قوة الشد لعينة اللحام، ولكنها تؤثر بشكل كبير على مقاومتها للصدمات.
ثانيًا، الاستنتاجات والتوصيات
(1) تتميز منطقة لحام أنبوب الحفر بمقاومة منخفضة للصدمات، ولا تفي بمتطلبات معيار API SPEC5DP:2009. ويعود ذلك إلى ارتفاع نسبة الشوائب غير المعدنية من الفئة (أ) في منطقة اللحام، مما يُخلّ بتماسك البنية. عند تعرض الأنبوب لقوة صدمية، تظهر الشقوق أولًا عند سطح الربط الضعيف للعيوب، ثم تتسع هذه الشقوق بسرعة، مما يؤدي في النهاية إلى كسر العينة.
(2) إن ارتفاع نسبة الكبريت في مادة وصلة أنبوب الحفر وارتفاع مستوى ومحتوى الشوائب غير المعدنية من الفئة أ هما السببان الرئيسيان للعدد الكبير من عيوب الشوائب غير المعدنية من الفئة أ في منطقة اللحام.
(3) إن عيوب الترابط الضعيفة التي تشكلها الشوائب غير المعدنية في منطقة اللحام لها تأثير ضئيل على قوة الشد ولكن لها تأثير كبير على صلابة الصدمة لعينة اللحام.
(4) يوصى بزيادة فحص الشوائب غير المعدنية عند دخول وصلة أنبوب الحفر إلى المصنع لضمان أن نقاء مادة وصلة أنبوب الحفر يفي بالمتطلبات، وبالتالي ضمان أن أداء منطقة اللحام الاحتكاكي لأنبوب الحفر يفي بالمتطلبات القياسية.
تاريخ النشر: 15 أكتوبر 2024