一種新型石油鉆具耐磨帶的實(shí)用性研究

杜 平，向 東，魏 剛，龔志軍

·試驗(yàn)研究·

一種新型石油鉆具耐磨帶的實(shí)用性研究

杜 平，向 東，魏 剛，龔志軍

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司管具技術(shù)服務(wù)分公司，河北任丘062550）①

石油鉆具耐磨帶對(duì)鉆具接頭和套管的雙向保護(hù)有重要作用。介紹了鉆具耐磨帶的發(fā)展歷程，通過(guò)干砂膠輪試驗(yàn)和M ohr套管磨損試驗(yàn)，對(duì)比分析了久固邦耐磨帶與其他耐磨帶的耐磨性能，結(jié)合塔里木油田的應(yīng)用實(shí)踐，證明久固邦耐磨帶具有較好的耐磨性能。

石油鉆具；耐磨帶；實(shí)用性

隨著石油勘探開發(fā)不斷向縱深發(fā)展，超深井和大斜度井、大位移井及水平井隨之增多，從而導(dǎo)致單井鉆井周期的延長(zhǎng)。另一方面，鉆具作用在套管內(nèi)壁的側(cè)向力增大，作用時(shí)間更長(zhǎng)。這些因素的影響，使鉆具和套管的雙向磨損越來(lái)越嚴(yán)重，輕則降低鉆具的抗扭和抗彎強(qiáng)度以及套管柱的抗擠毀和抗內(nèi)壓強(qiáng)度，情況嚴(yán)重的會(huì)造成鉆具刺漏、落井和套管柱的擠毀、變形及泄漏，甚至導(dǎo)致全井報(bào)廢，從而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失［1-2］。因此，加強(qiáng)對(duì)石油鉆具接頭和套管的雙向保護(hù)就成為石油鉆井的一項(xiàng)重要任務(wù)，在石油鉆具接頭上堆焊具有雙重保護(hù)性能的耐磨帶是減少鉆具和套管磨損的有效措施之一。

磨料磨損主要有低應(yīng)力磨料磨損和高應(yīng)力磨料磨損2種。低應(yīng)力磨料磨損時(shí)其夾雜的顆粒很少破碎，而高應(yīng)力磨料磨損可造成顆粒破碎。鉆具的裸接頭與套管之間的磨損主要是低應(yīng)力磨料磨損；而耐磨帶與套管之間的磨損主要是高應(yīng)力磨料磨損。性能較差的耐磨帶和套管摩擦?xí)r，不僅自身磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)裂紋和掉塊，對(duì)套管的磨損也較嚴(yán)重，如圖1所示。一種理想的鉆具耐磨帶，首先自身應(yīng)該耐磨、無(wú)裂紋和掉塊，其次是對(duì)套管的磨損程度還要盡量小，最后還要方便補(bǔ)焊。

圖1　裂紋和掉塊的耐磨帶

1　耐磨帶的發(fā)展概況

早期的石油鉆具耐磨帶普遍采用等離子弧噴焊鐵基合金粉末的耐磨帶，雖然這種耐磨帶可有效保護(hù)鉆桿接頭，但是由于等離子弧的敷焊溫度較高（20 000～50 000 K），熱輸入較大，容易造成較高的稀釋率和形成局部粗大的晶粒組織。稀釋率較高表現(xiàn)為基體的熔深增大，耐磨帶的重復(fù)堆焊性變差，敷焊后的耐磨帶開裂、剝落甚至掉塊的傾向增加，與此同時(shí)，耐磨帶堆焊層合金元素的含量也會(huì)下降，使耐磨帶的硬度和耐磨性降低，不能充分發(fā)揮合金粉末的高耐磨性能；局部粗大的晶粒組織結(jié)構(gòu)還會(huì)降低鉆桿接頭的強(qiáng)度和韌性，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐赡湍Ц浇臒嵊绊憛^(qū)開裂，進(jìn)而造成鉆桿接頭發(fā)生斷裂事故。由此可見，用等離子弧噴焊普通鐵基合金粉末的石油鉆具耐磨帶存在著重復(fù)堆焊性差和開裂、剝落、掉塊傾向嚴(yán)重，以及對(duì)鉆具接頭基體傷害大等缺點(diǎn)。另一方面，嚴(yán)重的耐磨帶剝落、掉塊也會(huì)加劇耐磨帶對(duì)套管的磨損，使其不能滿足超深井和大斜度井、大位移井及水平井鉆井技術(shù)的發(fā)展要求。近年來(lái)我國(guó)主要油田出現(xiàn)套管磨損的井?dāng)?shù)逐年上升，其中，塔里木油田由于井況復(fù)雜，鉆具和套管磨損的現(xiàn)象尤其嚴(yán)重，1996年發(fā)生的陽(yáng)霞1井整井報(bào)廢就是因?yàn)樘坠鼙荒ゴ┰斐傻模瑩p失將近￥4000萬(wàn)元［3］。

為了更好地解決耐磨帶開裂、剝落、掉塊和重復(fù)堆焊性差的問(wèn)題，加強(qiáng)對(duì)石油鉆具接頭和套管的雙向保護(hù)，我國(guó)在21世紀(jì)初從國(guó)外引進(jìn)了藥芯焊絲，這是一種新型的金屬耐磨帶材料，這種材料具有耐磨減摩的特點(diǎn)，不僅保護(hù)了石油鉆具接頭本身，而且大幅減少了石油鉆具耐磨帶對(duì)套管內(nèi)壁的磨損。藥芯焊絲是采用合金粉末加工精制而成，利用氣體保護(hù)電弧進(jìn)行堆焊，其自由電弧溫度僅為5 000～ 8 000 K，熱輸入也較小，這樣就形成了較低的稀釋率和較小的熔深，因此，用這種方法敷焊的石油鉆具耐磨帶具有重復(fù)堆焊性好和開裂、剝落、掉塊傾向較小，對(duì)石油鉆具基體的傷害也較小等優(yōu)點(diǎn)，較好的耐磨減摩性能和良好的堆焊工藝性使這種金屬耐磨帶材料逐步得到廣泛的應(yīng)用［4-5］。但是，目前所有的藥芯焊絲都是鐵基材料內(nèi)添加不同量的添加物形成碳化物或者硼化物，添加物的種類和添加量的細(xì)微變化都會(huì)使耐磨帶表現(xiàn)出不同的性能，所以，選擇正確的添加物和添加量顯得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的藥芯焊絲有很多，實(shí)際使用中的性能和效果表現(xiàn)也千差萬(wàn)別［6］，特別是耐磨帶開裂、剝落、掉塊等問(wèn)題并沒有完全解決。例如塔里木油田，因?yàn)榈刭|(zhì)情況復(fù)雜，盡管選用比較昂貴的耐磨帶，但耐磨帶的開裂、剝落、掉塊等問(wèn)題仍時(shí)有發(fā)生，因此尋找和嘗試適合高難度井的石油鉆具耐磨帶顯得非常迫切。

2　新型耐磨帶的性能特點(diǎn)及驗(yàn)證

有種誤區(qū)認(rèn)為耐磨帶的硬度是耐磨帶性能的唯一影響因素，而事實(shí)上，耐磨帶耐磨性是由硬度、材料構(gòu)成以及晶體排列綜合決定的［7-8］。新型的久固邦耐磨帶材料的洛氏硬度為57～61 H R C，和其他耐磨帶材料硬度差別不大，但其結(jié)構(gòu)是以鉻合金為骨架的工具鋼，內(nèi)含大量壓實(shí)的耐磨微晶顆粒碳化鈮，這和其他藥芯耐磨帶材料有了本質(zhì)的區(qū)別。該結(jié)構(gòu)保證了耐磨帶不會(huì)開裂和掉塊，在苛刻鉆井條件下具有良好的耐磨性能，并且對(duì)套管的磨損小，同時(shí)，其殘留中完全不存在熔渣，在嚴(yán)格的操作規(guī)程下，久固邦耐磨帶可以翻新于其他耐磨產(chǎn)品上。基于這些優(yōu)良特性，久固邦耐磨帶在北美地區(qū)一直是酸氣井、高溫高壓井和地?zé)峋睦硐肽湍Мa(chǎn)品。2014年初塔里木油田開始試用這種耐磨帶，發(fā)現(xiàn)這種耐磨帶焊后不僅沒有裂紋、殘?jiān)偷魤K，而且焊后外觀光滑平整，如圖2所示。

圖2　久固邦耐磨帶焊后外觀

為進(jìn)一步驗(yàn)證久固邦耐磨帶的耐磨性能，采用ASTm65干砂膠輪耐磨測(cè)試法，對(duì)久固邦耐磨帶的耐磨性和其他耐磨帶及鉆具裸接頭的耐磨性進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，如圖3。

圖3　ASTM 65干砂膠輪耐磨測(cè)試法示意

具體的測(cè)試方法是：將1塊標(biāo)準(zhǔn)尺寸的耐磨帶與1個(gè)旋轉(zhuǎn)的膠輪接觸，接觸面的壓力保持在133 N。待膠輪旋轉(zhuǎn)2 000圈之后，對(duì)磨損掉屑稱重，并與磨前的質(zhì)量對(duì)比。比值越低，說(shuō)明該產(chǎn)品的耐磨特性越好。表1為測(cè)試結(jié)果，可知久固邦耐磨帶的耐磨效果最好。

表1　不同耐磨帶和鉆具裸接頭掉屑比測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證久固邦耐磨帶對(duì)套管的友好性，對(duì)幾種耐磨帶和鉆具裸接頭進(jìn)行了Mohr套管磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備如圖4所示，在套管材質(zhì)、側(cè)壓、轉(zhuǎn)速和測(cè)試時(shí)間均相同的條件下，對(duì)比分析不同耐磨帶或裸接頭時(shí)套管的磨損情況，試驗(yàn)結(jié)果如表2。可知有耐磨帶的套管比裸接頭套管的耐磨性能要好，使用久固邦耐磨帶的套管比用其他耐磨帶套管的耐磨性能更好，這表明久固邦耐磨帶對(duì)套管性能友好。

圖4　M ohr套管磨損比較試驗(yàn)

表2　不同耐磨帶和裸接頭對(duì)套管的磨損結(jié)果

為了考察不同耐磨帶在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)的耐磨性能，又做了入井試驗(yàn)。入井試驗(yàn)的具體做法是：在入井的下部鉆具接頭上敷焊不同的耐磨帶，然后交錯(cuò)下入，從上到下的耐磨帶依次是國(guó)產(chǎn)耐磨帶A1、國(guó)產(chǎn)耐磨帶B1、久固邦耐磨帶1、進(jìn)口耐磨帶1、裸接頭、進(jìn)口耐磨帶2、久固邦耐磨帶2、國(guó)產(chǎn)耐磨帶B2、國(guó)產(chǎn)耐磨帶A2，最后觀察不同耐磨帶和鉆具裸接頭的磨損情況，結(jié)果如表3。結(jié)果進(jìn)一步證明了久固邦耐磨帶在井下實(shí)際使用中具有良好的耐磨性能。

表3　不同耐磨帶和鉆具裸接頭的磨損情況

3　結(jié)論

久固邦新型石油鉆具耐磨帶基本能夠適應(yīng)目前高難度鉆井的生產(chǎn)需要，其抗裂性、重復(fù)堆焊性、耐磨性和對(duì)套管的磨損等方面都有了明顯改善。在塔里木油田的使用實(shí)踐也證明，使用久固邦耐磨帶以后，鉆具的耐磨帶開裂、掉塊現(xiàn)象基本杜絕，耐磨帶的使用壽命也明顯延長(zhǎng)，從以前使用200 d左右需要堆焊，延長(zhǎng)至現(xiàn)在使用240 d左右才需要堆焊，不僅減少了鉆井過(guò)程中復(fù)雜情況的發(fā)生，也使耐磨帶費(fèi)用大幅減少。因此，久固邦耐磨帶是目前條件下鉆具耐磨帶的較好選擇，不僅能起到對(duì)鉆具和套管雙向保護(hù)的作用，而且可以有效避免施工過(guò)程的復(fù)雜情況，并節(jié)約費(fèi)用。

［1］ 梁爾國(guó)．深井和大位移井套管磨損規(guī)律試驗(yàn)及磨損程度預(yù)測(cè)［D］．秦皇島：燕山大學(xué)，2012．

［2］ 曾德智，龔龍祥，付建紅，等．全井段套管磨損量預(yù)測(cè)與磨損后抗擠強(qiáng)度計(jì)算方法研究［J］．鋼管，2010，39（z）：11-16．

［3］ 蘇建文．新型耐磨材料特性在塔里木油田的推廣應(yīng)用［J］．天然氣工業(yè)，2003，23（2）：56-58．

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

［5］ 谷振乾，李武，張瑟，等．一種高抗裂型鉆桿耐磨帶藥芯焊絲［J］．鋼管，2010，39（z）：46-49．

［6］ 顏昌茂，李武．一種非晶態(tài)合金型鉆桿耐磨帶藥芯焊絲［J］．熱加工工藝，2012，41（15）：168-173．

［7］ 衛(wèi)優(yōu)麗．鉆桿接頭表面耐磨帶堆焊工藝研究與應(yīng)用［D］．西安：西安石油大學(xué)，2010．

［8］ 孫咸．石油鉆桿接頭耐磨帶堆焊材料的發(fā)展及應(yīng)用［J］．石油工程建設(shè)，2007，33（4）：55-58．

Application Study of New Type Hardband

DU Ping，XIANG Dong，WEI Gang，GONG Zhijun
（Drill Pipe Technical Seruices Branch，CNPC Bohai Drilling Engineering Com pany Ltd．，Renqiu062550，China）

Oilfield hardbanding products play an im portant role in the protection of both tooljoints and casing．In this article，the development process of drilling hardbanding products is introduced．Through dry sand rubber w heel abrasion test andmohr casing wear testing，with the application test in the field in Tarim oilfield，it showed thaThardbanding product is great at abrasion resistance practice．

drill toll；hardband；applicability

TE931．1

B

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．012

10013482（2015）03005204

①2014-10-22

杜 平（1967-），男，陜西涇陽(yáng)人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事石油鉆具技術(shù)管理工作。