聚晶金剛石復合材料在鉆桿接頭表面應用的可行性分析

張 凱，王鎮全，王德國，趙 波（中國石油大學（北京），．機械與儲運工程學院；．石油工程學院，北京102249）

聚晶金剛石復合材料在鉆桿接頭表面應用的可行性分析

張 凱a，王鎮全b，王德國a，趙 波a
（中國石油大學（北京），a．機械與儲運工程學院；b．石油工程學院，北京102249）①

鉆桿接頭防磨材料應具有雙向保護特性，防磨材料的性能是影響其雙向保護性能的關鍵因素。根據聚晶金剛石的物理、化學性質可知，聚晶金剛石材料是理想的鉆桿接頭防磨材料。為分析聚晶金剛石用作鉆桿接頭防磨材料的可行性，采用對比模擬的試驗方法，考察了新型鉆桿接頭防磨材料與其他常規防磨材料的摩擦磨損性能。試驗結果表明：聚晶金剛石復合材料的各項性能指標優于常規耐磨帶材料，復合聚晶金剛石材料在鉆桿接頭表面應用是可行的。

鉆桿接頭；粉末冶金；聚晶金剛石；摩擦磨損

隨著我國石油勘探開發力度的不斷加大，石油鉆井鉆遇強研磨性地層數量急劇增加，水平井、多分支井等復雜結構井的應用也越來越普遍，對鉆桿接頭的防磨與套管友好特性提出了更高的要求［1 3］。鉆桿接頭耐磨帶是減少鉆桿磨損，延長鉆桿使用壽命的重要手段之一。鉆桿接頭耐磨帶應具有雙向防護作用：一方面耐磨帶材料在裸眼井壁中可抵抗地層巖石磨損；另一方面耐磨帶材料可以將其對套管的磨損控制在可以接受的范圍內。耐磨帶的雙向保護效果主要取決于耐磨帶材料的特性，因此對耐磨帶的材料提出了更嚴格的要求［4 5］。目前常見的鉆桿耐磨帶是將噴焊粉末或焊絲直接噴焊在鉆桿接頭上，對接頭材質破壞性大，耐磨性能較差，設備占用場地很大，對設備及供電的要求也很高；同時工序復雜，需要焊前預熱，焊后保溫等。在蘇里格氣田硬地層中使用平均僅為3口井，有的只有1～2口井，給鉆井生產帶來了很大的成本壓力［6 8］。因此，研究新型鉆桿接頭耐磨帶材料，改善鉆桿接頭的防磨性能，是石油鉆井急需解決的技術難題之一。

1 聚晶金剛石可行性分析

耐磨帶材料在復雜的應力條件和惡劣的鉆井作業環境中工作，為了獲得可靠的工作性能，耐磨帶材料必須具有：

1） 足夠的抗壓強度和硬度。

2） 良好的摩擦學性能：磨損率小，摩擦因數低。

3） 與基體有足夠的粘接強度。

4） 性能穩定。

金剛石是目前自然界中最硬的材料，將聚晶金剛石材料用作鉆桿接頭耐磨材料，必然會大幅度提高鉆桿接頭的耐磨性。同時，金剛石和石墨是同素異形體，在高溫下金剛石是不穩定的，有石墨化趨勢［9］。鐵元素及其他黑色金屬是石墨化反應最有效的催化劑。金剛石材料與鐵基合金發生摩擦時，在局部高溫、高壓條件下，再加上鐵的存在，可以將金剛石發生石墨化所需溫度降低到1 000 K左右，促進了石墨化發生的可能性，使摩擦點局部微觀石墨化。石墨的硬度很低，摩擦過程中會被輕易地去除形成磨粒，或是溶進鋼鐵材料中。這種循環反復的化學反應使得聚晶金剛石與鐵基套管直接接觸發生摩擦時，微切削磨損減弱，同時伴有石墨的潤滑作用，不會對套管造成嚴重磨損。

聚晶金剛石（簡稱P C D）具有高硬度、高耐磨性、摩擦因數低、導熱性好、熱膨脹系數低等優點。理論上分析金剛石復合材料具有很好的雙向保護作用，是理想的鉆桿接頭防磨材料。本文著重對聚晶金剛石材料的耐磨性能和套管友好性進行分析，分析聚晶金剛石材料在鉆桿接頭表面應用的可行性，為聚晶金剛石防磨材料的應用奠定基礎。

2 新型鉆桿接頭防磨材料的制備

復合聚晶金剛石材料采用粉末冶金法燒結而成［10 11］。在圓柱形鋼體1的外表面按照一定的排布方式粘敷聚晶金剛石塊，放入如圖1所示的模具中燒結，并取適量W C粉末填充至模具中。在模具頂部設有石墨模具，用于放置粘結合金，粘結合金與W C粉末層之間有導流孔連通，將模具放入具有保護氣體的加熱爐中，加熱至1 333．15 K，保溫3 600 s，使粘結合金熔化，在毛細管力作用下浸入基體和W C表面，然后降至1 173．15 K，取出模具，自然空冷至室溫，將燒結試樣經表面處理、切削加工處理后得到圓環形聚晶金剛石復合材料［12 13］（如圖2所示）。

圖1 鉆桿接頭防磨帶燒結模具

圖2 聚晶金剛石防磨帶

3 試驗

3．1 試驗方法

本文所使用的全尺寸鉆桿／套管摩擦磨損試驗機，可模擬井下鉆桿接頭的工況條件并對耐磨帶材料的摩擦磨損性能進行測試，其中套管外徑273．05mm，壁厚8．89mm；鉆桿外徑127．0m m；鉆桿接頭耐磨帶外徑170．3m m。其摩擦副的接觸方式如圖3所示。摩擦副中的外環試樣為N80套管鋼，內環材料為常用的耐磨帶材料：A1合金、A2合金和A3合金，以及復合聚晶金剛石材料。摩擦試驗的轉速為62．83 rad／s，載荷600 N，試驗時間為4 h。通過試驗機自帶的液體循環系統，模擬井下潤滑工況對摩擦副進行潤滑，潤滑介質為清水。每次試驗測試前、后試件都用石油醚超聲清洗，并烘干。磨痕寬度采用精度為0．01的讀數顯微鏡測量，磨損失重在精度為0．01 g的電子天平上測量。為保證試驗精度，重復試驗3次，試驗結果為3次重復試驗的平均值。如表1。

圖3 摩擦副接觸方式示意

表1 鉆桿接頭耐磨帶材料摩擦因數和套管磨損能耗率及耐磨帶磨損能耗率

3．2 摩擦磨損性能評價方法

理想的鉆桿接頭耐磨帶應具備以下3方面的性能：①良好的耐磨性：保護鉆桿接頭不受磨損。②良好的套管友好性：保護套管，對套管的磨損程度低。③摩擦因數?。簻p小鉆進時的摩擦阻力。

鉆桿接頭防磨帶的耐磨能力用耐磨帶質量磨損能耗率W1表示：

式中：Δ G1為耐磨帶失重，g；Fp為側向加載力，N；r為耐磨帶外圓半徑，m m；v為轉速，r／min；t為接觸滑動時間，min。

鉆桿接頭防磨帶的套管友好能力用套管質量磨損能耗率W2表示：

式中：Δ G2為套管失重，g。

鉆桿接頭防磨帶的摩擦因數μ由式（3）計算：

式中：p為正壓力，N；r為耐磨帶外圓半徑，m m；M為水平方向上的合力，N；α為接觸半角，α＝

4 試驗結果與討論

4．1 耐磨帶耐磨性分析

表1中給出了4種材料與N80套管在清水中對摩時的摩擦因數、套管磨損能耗率和耐磨帶磨損能耗率。從表1中可以看出：常規耐磨帶材料中A3合金磨損能耗率最小，A1合金磨損能耗率最大。這說明常規耐磨帶材料中A3合金耐磨性最強，A1合金耐磨性最差，這與實際中材料的耐磨性能正好相同。在試驗條件下，相對于其他耐磨帶材料，復合聚晶金剛石材料具有最低的耐磨帶磨損能耗率，而且遠低于其他材料的耐磨帶磨損能耗率。這說明復合聚晶金剛石材料具有很強的耐磨性。

4．2 耐磨帶套管友好性分析

從表1中可以看出：常規耐磨帶材料中A2合金的套管磨損能耗率最大，A1合金和A3合金的套管磨損能耗率相差不大，但都比A2合金的套管磨損能耗率小很多，其中A1合金略小于A3合金。這說明常規耐磨帶材料中A2合金與套管友好性最差，A1合金與A3合金的套管友好性相當，A1合金的套管友好性略優，這也與實際中材料的套管友好性能基本一致。

在相同試驗條件下，相對于其他耐磨帶材料，復合聚晶金剛石材料的套管磨損能耗率最低，約為A1合金的1／3。這說明復合聚晶金剛石材料具有很好的套管友好性，可以很好地降低對套管的磨損。

4．3 耐磨帶摩擦因數分析

摩擦因數的大小反映了耐磨帶材料的摩擦特性和鉆井過程中的摩阻大小。從表1中可以明顯的看出：常規耐磨帶材料中A2合金的摩擦因數最低，A1合金的摩擦因數最高。這說明常規耐磨帶材料中A2合金的摩擦特性優，減摩性好，在鉆井過程中摩擦阻力小，而A1合金的摩擦特性最劣，減摩性差。

在同樣的試驗條件下，相對于其他耐磨帶材料，復合聚晶金剛石材料的摩擦因數最低，而且比其他材料的摩擦因數低很多。這說明復合聚晶金剛石材料摩擦特性最優，減摩性最好。

4．4 耐磨帶綜合性能分析

不同耐磨帶材料的綜合性能可由其耐磨性和減磨性綜合評價。以耐磨帶磨損能耗率和套管磨損能耗率為坐標軸作圖4，點越靠近坐標原點代表其綜合性能越好，反之其綜合性能越差。由圖4可看出：

常規耐磨帶材料中A3合金的綜合性能最優，是目前性能最優的耐磨帶產品。A1合金和A2合金性能各有優劣，A1合金的耐磨性一般，但套管友好性與A3合金相當，A2合金的套管友好型一般，但是其耐磨性比A1合金強，略低于A3合金。這說明常規耐磨帶材料中A2合金的摩擦特性最優，減摩性最好，在鉆井過程中摩擦阻力小，而A1合金的摩擦特性最劣，減摩性差。

與其他耐磨帶材料相比，復合聚晶金剛石耐磨帶材料的綜合性能明顯優于其他3種耐磨帶材料，在試驗過程中表現出了良好的試驗性能。

圖4 不同耐磨帶材料的綜合性能

5 結論

1） 常規耐磨帶材料中A3合金的綜合性能最優，具有高耐磨和套管友好等特性，是目前性能最優的耐磨帶產品。A1合金和A2合金性能各有側重，A1合金的耐磨性一般，但套管友好性與A3合金相當，在套管井段使用可以表現出更出色性能。A2合金的套管友好性一般，但是其耐磨性比A1合金強，略低于A3合金，在研磨性較強的井段可以發揮其性能優勢。

2） 常規耐磨帶材料中A2合金的摩擦特性最優，減摩性最好，在鉆井過程中摩擦阻力小，而A1合金的摩擦特性最劣，減摩性差。

3） 新研制的復合聚晶金剛石耐磨帶材料的綜合性能明顯優于其他3種耐磨帶材料，在試驗過程中表現出了良好的性能，其耐磨性很強，套管友好性也很好，具有良好的應用前景。

［1］ 姜彬霖．滲硼技術用于鉆桿接頭表面硬化的試驗研究［J］．探礦工程：巖土鉆掘工程，2008，35（3）：28 29．

［2］ 趙金鳳，余世杰，袁鵬斌，等．加重鉆桿接頭刺漏原因分析［J］．石油礦場機械，2014，43（8）：47 51．

［3］ 趙金鳳，余世杰，袁鵬斌，等．定向穿越井中外螺紋接頭粘扣原因分析［J］．石油礦場機械，2014，43（3）：63 66．

［4］ John GM．Current hardbanding techniques project pipe，casing［J］．D RIN G LIN G C O N TA C T O R，2005：21 22．

［5］ 韓秀明，樊建春．鉆桿防磨技術的現狀和發展［J］．石油礦場機械，2007，36（3）：17 22．

［6］ 王永宏，張玉英，巴魯軍，等．鉆桿接頭敷焊耐磨帶技術［J］．石油礦場機械，2004，33（2）：73 74．

［7］ 肖國章，許文妍，韓勇，等．全尺寸套管磨損試驗研究［J］．石油礦場機械，2007，36（10）：65 67．

［8］ 孫咸．鉆桿接頭耐磨帶的使用性能及其堆焊材料［J］．電焊機，2007，37（10）：46 50．

［9］ 王適，孫寶元，王裕昌，等．聚晶金剛石石墨化溫度的研究［J］．超硬材料工程，2005，17（5）：32 35．

［10］ 宋月清，余向明．無壓浸漬擴孔器工藝研究［J］．地質與勘探，1990（5）：58 61．

［11］ 潘奇漢．高彈性Cu20 Ni20 Mn合金［J］．中國有色金屬學報，1996，6（4）：91 95．

［12］ 張長軍，張寶軍．鑄態錳白銅合金時效工藝的研究［J］．熱加工工藝，2005（9）：43 44．

［13］ 馬紅玉，王鎮全，張嗣偉，等．無壓浸漬錳白銅合金W＿2C復合涂層的磨損特性研究［J］．摩擦學學報，2007（4）：387 392．

［14］ 孫咸．石油鉆桿接頭耐磨帶堆焊材料的發展及應用［J］．石油工程建設，2007（4）：55 58．

［15］ 林元華，付建紅，施太和，等．套管磨損機理及其防磨措施研究［J］．天然氣工業，2004（7）：58 61，137．

Feasibiiity Anaiysis of Poiycrystaiiine Diamond Com posite
Materiai Appiied on Driii Pipe Joint

ZHANG Kaia，WANG Zhenquanb，WANG Deguoa，ZHAO Boa
（a．College of Mechanical and Transportation Engineering；b．College of Petroleum Engineering，China Universitu of Petroleu m，Beijing102249，China）

Tooljoint wear materials should have two way protection feature，performance of which is the major factor that affect the two way protection performance．According to the polycrystal line diam ond’s chemical and physical properties，polycrystalline dia mond materialis the ideal tool joint wear materials．In order to validate the feasibility of polycrystalline dia mond used as the tool joint wear material，the friction and wear performance of the polycrystalline dia mond co mposite materialis investigated through the contrast sim ulation test．Test results show that the perform ance index of polycrystalline dia mond co m posite materialis superior to the conventional tooljointwear materials，and polycrystalline dia mond com posite materialis a good tooljoint wear belt ma terial．

tooljoint；pow der metallurgy；polycrystalline dia m ond；frictional wear

T E921．2

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．012

1001 3482（2015）06 0051 04

①2014 12 22

國際科技合作計劃（2012D F R70160）

張 凱（1989 ），男，山東菏澤人，博士研究生，主要從事材料摩擦學及油氣裝備理論研究與設計，Email：zhang kai3475＠yeah．net。