4種鉆采裝備的減磨抗磨損技術研究進展

譚凱文，肖華平，劉書海

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249)

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4種鉆采裝備的減磨抗磨損技術研究進展

譚凱文，肖華平，劉書海

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249)

為提高石油天然氣鉆采裝備的性能和壽命，需對其表界面的摩擦和磨損情況進行研究。在研究過程中，苛刻環境、復雜工況、材料表面特性的耦合效應是必須考慮的重要因素。模擬油氣鉆采裝備和工具工況，并研究其在該條件下的磨損機理和失效規律是減小工具和零部件磨損、提高其性能和壽命的有效方法。針對油氣鉆采裝備磨損快、壽命低的普遍現象，研究人員進行了大量的試驗研究和優化設計。介紹了鉆頭、套管、鉆井絞車剎車、螺桿泵4種常用裝備近年來在減磨、抗磨損方面的國內外研究現狀和進展，并對其未來走向做了探討，為相關學者做進一步研究提供參考。

鉆頭；套管；絞車剎車；螺桿泵；抗磨性

提高石油鉆井和采油的效率是增加經濟效益的有效方法。現階段我國石油鉆采技術已取得長足進步，但與國外先進水平相比仍有較大差距。石油鉆采裝備和工具的性能是影響鉆采效率的重要因素，更關系到系統的安全和整個工作的成敗。國內外對鉆采設備失效進行研究，發現摩擦與磨損現象廣泛存在于工具與巖層、鉆井液、沙粒之間以及工具與工具接觸面之間，設備的壽命和可靠性都與其表界面的摩擦學行為和磨損情況緊密相關。隨著鉆井向深井、超深井方向發展，勘探開發向海洋深處、沙漠腹地轉移，作業環境將越來越復雜，操作難度相應增大，作業施工人員的危險性也越來越大。

因此，加強石油鉆采裝備減磨抗磨損的基礎研究，建立符合實際工況的失效機理和模型，是解決長期制約我國油氣資源安全節能生產的重大裝備失效、診斷分析難題的必要前提，是提高裝備生產效率和安全系數的有效途徑，也是延長設備壽命，保證人員作業安全的重要方法，具有非常重要的現實意義。

1　鉆頭的減磨抗磨損研究

鉆頭是油氣鉆采過程中破碎巖石、穿透巖層的主要工具。鉆頭的性能直接決定著鉆井質量，也是影響鉆井效率和成本的重要因素。在鉆進過程中，隨著井深的增加以及巖層的多樣性，鉆頭的工作環境也不斷變化。巖石強度越大，膠結程度越高，研磨性越強，鉆頭的磨損情況就越嚴重。如果鉆頭不能適應這些變化，輕則會降低鉆頭的工作效率和使用壽命，影響破巖速度，重則可能產生井下事故，造成重大的經濟損失。在鉆井過程中，鉆頭破巖前進的基礎是鉆頭突出部與巖石之間的相互作用。我國石油與天然氣開發特性決定了鉆頭工作環境易凝高黏、高含蠟、高含硫、高含水等復雜介質的特點，這也使得鉆頭突出部與巖石之間的摩擦磨損過程變得更加復雜。因此，對摩擦過程和磨損機理的研究是改善鉆頭設計，提高鉆進效率的理論基礎。

鉆頭與巖石接觸不可避免會產生摩擦。在鉆井作業中，鉆頭的突出部要同時承受動載荷和靜載荷，其磨損情況也和巖層特性、所接觸的流體介質及其本身性質密切相關。目前廣泛使用的鉆頭主要分為PDC(聚晶金剛石復合片)鉆頭和牙輪鉆頭，如圖1所示。這2種類型的鉆頭在鉆進過程中摩擦行為和磨損方式各有其特點。

a　PDC鉆頭

b　牙輪鉆頭

PDC鉆頭主要用于軟地層和中硬地層，這是因為硬地層會損傷鉆頭上的復合片。在實際工作中PDC鉆頭的主要破壞形式有磨損和崩損[1-2]，如圖2所示。

a　同時具有磨損和崩損特征的破壞形式

b　分別具有磨損和崩損特征破壞形式

c　外肩部磨損破壞性形式

在地層堅硬、研磨性強的區域，鉆進難度大，機械速度低，導致鉆頭突出部被逐漸磨鈍，產生研磨性磨損。在金剛石的摩擦過程中，在壓力和剪切力的作用下表層碳-碳sp3鍵變成了sp2鍵，金剛石發生石墨化[3]，如圖3所示。石墨化后的表面強度和硬度降低，更易發生磨損。由于石墨化只在表層發生，每次的磨損量很低，最終金剛石表面被逐漸研磨平整，如圖4所示。其磨損前后的SEM圖也有很大區別，如圖5所示。另外，金剛石復合片與巖石之間的摩擦產生大量的熱，使得局部溫度升高，使得金剛石復合片的磨損率增加。在軟硬交替的地層中，鉆頭容易發生卡滑現象。頻繁的機械振動和速度突變會造成鉆頭和巖石的劇烈沖擊，鉆頭需要承受巨大的應力，從而引起表面的沖擊破裂[4]。

圖3　金剛石顆粒增強SiC復合材料磨損后表面光學照片[3]

圖4　金剛石顆粒增強SiC復合材料磨損后表面拉曼光譜[3]

a　未磨損區域的SEM圖

b　磨損區域的SEM圖

c　a圖的放大SEM圖

d　b圖的放大SEM圖

為了適應不同地層的具體需要，PDC鉆頭的個性化設計是目前研究的新方向。在大港油田的實際工作中，根據地層溫度高，可鉆性差、研磨性強的特點，研究人員采用減薄金剛石層、優化金剛石顆粒、增強硬質合金基底和復合片膠結形狀等方式，有效降低了磨損，提高鉆進效率[5]。采用仿生耦合方式設計的復合片在實際工作中實現了更大的機械速度，能節省60%的時間，產生了巨大的經濟效益[6]。此外，熱穩定聚晶金剛石鉆頭、水力學優化設計鉆頭、大切削齒PDC鉆頭、硬質合金增加金剛石鉆頭、孕鑲塊加強PDC 鉆頭等針對特殊工況設計的鉆頭也正在蓬勃發展[7-13]。

與PDC鉆頭相比，牙輪鉆頭耐磨性較差，但鉆頭上的切削齒起到沖擊破碎巖石的作用，能夠適應軟、中、硬各類型的巖層。限制牙輪鉆頭發展的一個重要因素是使用壽命。牙輪鉆頭輪齒主要由硬質合金構成，材料科學的發展為提高鉆頭性能帶來了新思路。研究結果表面，納米結構碳化物比傳統的硬質合金具有更高的硬度和抗磨性能[14-16]。除了表面的磨粒磨損以外，摩擦化學效應對碳化物的表面材料去除也發揮了重要作用。圖6顯示了碳化鎢顆粒的磨損情況，B區為突出區，C區是側面區。從圖中可以看出B區的顆粒有大量裂紋，而C區顆粒表面完好。碳化鎢表層會形成一個薄的腐蝕層或氧化層，這個薄層的抗磨性能一般較低，因而會導致更快的磨損[17]。采用電場輔助的快速燒結技術，可以使以碳化鎢或加鎳碳化鎢為基礎材料的的抗腐蝕性能增強[18-19]。

除了在鉆進過程中輪齒的磨損以外，牙輪軸承的磨損是導致鉆頭失效的重要原因[20]。與普通滑動軸承相比，牙輪鉆頭滑動軸承工作在苛刻的環境下，溫度高、壓力大且很難進行潤滑，導致軸承磨損嚴重。現場的實際情況表明，牙輪鉆頭的前期的摩擦損傷是降低鉆進效率，減少鉆頭壽命的主要原因[21]。對牙輪鉆頭軸承的分析表明，軸承在高溫環境中工作，熱效應導致的粘著磨損是軸承損傷的主要形式之一。密封裝置失效導致大量顆粒侵入、大量的沖擊載荷、牙輪與軸承聯接間隙過大都是軸承快速失效的重要原因。最近的研究發現，使用一定空心度的滾子可以有效降低軸承所受的應力，從而減小表面的磨損[22]。空心結構還可以改善軸承的散熱和潤滑條件，是優化設計的一個重要方向[23]。采用新的軸承密封結構也可以改善牙輪軸承工作環境，提升壽命[24]。除了結構設計以外，采用新的減摩材料也是提高軸承壽命的重要方法。謝春雨等[25]在軸承表面生產TiN/TiSiN復合涂層，有效降低了軸承的磨損。由金剛石顆粒和陶瓷構成的復合材料被證明在高接觸壓力條件下仍保持較低的摩擦因數，金剛石的硬度和化學穩定性也保證了其抗磨和耐腐蝕性能，是軸承材料發展的新方向[3]。

a　碳化物牙齒磨損表面的整體SEM圖

b　圖a中B位置的放大圖

c　圖a中C位置的放大圖

d　相鄰兩個碳化物晶粒之間的放大圖

2　套管的減磨抗磨損研究

套管是油氣鉆采過程中必需的重要裝備，套管的消耗是整個油氣井成本的重要組成部分[26]。據統計，全球每年由于套管磨損造成高達數十億美元的經濟損失[27]。磨損會造成隔離井壁和巖層的套管壁厚度減小甚至破裂，由于強度的降低可能會導致井下事故，威脅到油井的安全。因此套管的安全性和可靠性是油氣井安全的重要保障。

在鉆進和油氣采集過程中，套管會和鉆桿、油管發生接觸。在壓力作用下，這種相互接觸和相對移動會不可避免的產生摩擦和磨損。除此之外，含油含氣地層中存在著大量腐蝕性物質，在長期化學、力學作用下，套管也會產生腐蝕磨損。根據對實際工作中的失效套管研究表明，鉆桿的旋轉和橫向往復移動是造成套管機械性磨損的兩大原因。由于井下工況的復雜性，套管與鉆桿、鉆井液及井下液體介質都有接觸，形成“多相流體介質-沖擊-滑動耦合系統”[28]。機械磨損(包括粘著磨損和磨粒磨損)和化學腐蝕同時作用導致套管的失效。王德國等人通過在胎體表面增加金剛石耐磨層(如圖7所示)對套管的磨損問題進行改善[29]。金剛石不但力學性能強，抗腐蝕性能也很突出，圖8～9的試驗結果表明磨損試驗后金剛石耐磨層比胎體要高132 μm，能有效降低胎表面的磨損。

實際工作情況的不同，各種磨損機制發揮的作用也不一樣，所以需要針對油井的具體狀況進行分析。影響套管磨損的主要因素有：

圖7　復合聚晶金剛石耐磨帶及胎體表面形貌[29]

圖8　磨損后復合聚晶金剛石試樣三維形貌

圖9　磨損后復合聚晶金剛石試樣截面形貌[29]

1)狗腿度。實際工作中的井壁都有一定的彎曲度。狗腿度越大，套管的彎曲就越嚴重，套管與鉆桿的相互作用力就越大，在位移相同的情況下，磨損就越嚴重。

2)起鉆和下鉆。正常的起鉆和下鉆作業都會使套管受到軸向壓力，造成套管的磨損。

3)鉆井液。鉆井液起到潤滑劑的作用，鉆井液的成分對套管的磨損產生重要影響。水基鉆井液中的重晶石和膨潤土可以進行有效潤滑，而油基鉆井液的潤滑效果更為出色[28]。

4)鉆桿接頭。接頭處的直徑要大于鉆桿本身，因此鉆桿接頭與套管的接觸概率大大增加，在旋轉和擠壓的作用下，磨損就更明顯。

近幾年，研究人員把研究重點放在了套管磨損的檢測和預防方面。中國石油大學(北京)開發了基于鉆桿檢測的套管磨損監測技術[30]。該技術通過測量鉆桿接頭外徑來計算套管在任意井深的磨損量，并建立了數學模型，開發了研究軟件，在現場測試中取得了良好的效果。通過有限元分析可以確定套管的應力集中區域，從而可以有針對性的采取預防措施[31]。基于有限元分析還可以建立套管磨損量和剩余強度的檢測模型，從而對套管可靠性和失效時間進行預測。石油工程技術研究院等單位通過對下套管過程的摩阻測量發現，在井下水平段，不同扶正器產生的摩阻不一樣，彈性扶正器摩阻最大，剛性扶正器較小，而滾珠扶正器最小[32]。另外，采用防磨接頭和減摩劑等措施可以有效地降低磨損量，起到對套管的保護作用[33]。陶瑞東等[34]的研究表明，使用減阻防磨套可以起到類似軸承的作用，能降低鉆具與套管的摩擦轉矩，同時保護了鉆桿和套管。

3　鉆井絞車的剎車系統減磨抗磨損研究

剎車系統是石油鉆井絞車的關鍵部件，也是整個鉆機的重要組成部分。正是在剎車系統的控制下，大鉤載荷的升起、下放和制動才能順利進行。大鉤載荷運動速度的調節也是通過剎車系統來實現的。剎車系統的制動能力決定著整個鉆機的性能。若剎車系統出現故障產生制動不穩，輕則會造成技術故障帶來經濟損失。嚴重情況下可能會引起重大的安全事故，造成人身傷害。因此，加強鉆井絞車剎車系統的摩擦學行為基礎研究，建立符合實際條件的數學或物理模型，既可以對評價剎車系統的制動性能，預測其失效方式和時間提供可靠數據，也能確保鉆機系統能安全有效的運行，對整個鉆井工作順利開展具有重要意義。

目前的剎車系統多采用盤式剎車，與之前使用的帶式剎車相比，盤式剎車的剎車力矩更大、制動性能更好且可靠性增加，在深井、超深井作業中廣泛使用[35]。目前剎車塊的材料主要采用有機石棉，而剎車盤的常用材料為45鋼、35CrMo、30CrMo等中碳調質鋼。石油鉆井絞車的剎車系統是使用頻率很高的重載制動系統，因而會導致快速磨損。由于需要快速制動，摩擦功會在短時間內轉化為熱量，導致摩擦副的溫度迅速升高，閃點溫度可高達1 280 ℃[36]。所以在研究摩擦副材料抗磨性能的同時，高溫下的穩定性和熱衰退性能也是必須考慮的重要指標。有機石棉在高溫下會發生熱衰退現象并導致剎車塊的磨損量迅速增加，是剎車塊磨損的主要形式。剎車系統的工作環境惡劣，剎車盤需要承受大載荷、高溫和劇烈摩擦運動，研究表明剎車盤的失效形式主要有3種[37]。

1)制動過程中產生的高溫使得剎車盤表面材料在空氣中迅速氧化。

2)大載荷制動時產生的劇烈摩擦會引起剎車盤的摩擦損傷。

3)頻繁制動造成的疲勞及熱疲勞。

針對剎車系統存在的問題，在過去幾年里研究人員把重點放在了開發新型的耐高溫抗磨材料方面。針對有機石棉的熱衰退效應，中國石油大學開發了新型無石棉摩擦材料[39-40]。研制得到的新材料表現出了良好的變溫摩擦特性和高溫抗熱衰退性能，在高溫條件下仍能保持較穩定的摩擦因數。另一種摩擦塊設計方法是含丁腈橡膠的復合材料[41]。這種材料具有穩定的摩擦因素且磨損率低，在降低成本的同時延長了使用壽命。對于剎車盤快速磨損的問題，張顯量等[38]對熱處理工藝進行改進，采用了感應淬火的方法，淬火后試樣的表層淬硬層中馬氏體更為細小且殘余奧氏體含量相對也較少(如圖10)，降低了材料的磨損率。采用表面堆焊工藝，使用多種元素對基底材料進行強化，可有效提高堆焊金屬的抗氧化能力、硬度及抗磨損性能[40，42]。激光熔覆技術可以在鋼表面產生Fe基涂層和含 Cr3C2的Fe基合金復合涂層(如圖11)，試驗結果表面所得的涂層具有高硬度，可有效抵抗磨損[37]。新材料有效地提高了剎車塊和剎車盤的抗磨和熱穩定性能，使得制動更為可靠，延長了剎車系統的使用壽命。

a　常規淬火

b　感應淬火的淬硬層

c　感應淬火的過渡層

d　感應淬火的芯部

a　低倍組織

b　界面組織

c　中部組織

d　近表層組織

4　螺桿泵的減磨抗磨損研究

螺桿泵采油法是目前油氣田中普遍應用的油氣采集方法。螺桿泵是一種容積式泵，主體由金屬轉子和橡膠定子兩部分組成。轉子與定子內表面接觸并形成密封腔，轉子轉動時沿著定子內表面滾動并驅使腔內油氣介質向前移動，起到油氣輸送的作用。螺桿泵可以實現氣液、固液混輸，因此在油氣采集中廣泛使用。由于定子與轉子之間是過盈配合，接觸面存在較大的接觸壓力，相對運動過程中會造成摩擦副的磨損。實際工作中，由于橡膠和金屬的強度差距較大，橡膠的磨損是螺桿泵失效的主要原因，圖12表示了橡膠的主要磨損形式。因此，加強定子與轉子間的摩擦學行為研究，建立定子的磨損失效機制，可以為改善摩擦副設計提供必要信息。也是提升螺桿泵工作效率和壽命，提高經濟效益的理論基礎。

a　化學磨損

b　固形物引起的磨損

c　彈性體裂紋

d　粘著磨損

大量的研究證明，定子的磨損是多種機制耦合的結果[44]。轉子的連續轉動使橡膠表面不停地受到擠壓，長期的收縮和反彈會導致橡膠的疲勞磨損。原油中一般都含有一定量的砂粒，在轉動過程中砂粒將不可避免地進入橡膠和金屬間的接觸區，高硬度的砂粒會導致橡膠的磨粒磨損[45]。當油量不足時，定子與轉子之間的摩擦可能會由于缺少潤滑劑而變為干摩擦。干摩擦會產生大量的熱，局部的高溫會將橡膠表面和金屬熔焊在一起，誘發粘著磨損。除了這些常規的磨損機制以外，原油內可能包含腐蝕性的化學物質，長期作用下可能會導致橡膠或者金屬性質發生變化，使磨損形式發生轉變[43]。

針對定子橡膠磨損嚴重的問題，研究人員從多個角度入手進行分析，為改進定子橡膠和轉子金屬摩擦副設計提供了大量信息。林浩等[46]發現當油的含蠟量不同時，不同類型的橡膠的磨損量差異巨大。同樣，原油中的含水量也對磨損機制產生重大影響。霍緒堯等[47]研究了石油中不同含水、含蠟量條件下橡膠(NBR丁晴橡膠，FKM氟橡膠)的磨損情況。結果表明隨著石油中水和蠟的含量增加，橡膠的摩擦也隨之增加，如圖13～14所示。當含水量大于26%時，摩擦副之間的介質以水包油為主，潤滑膜主要是水膜，橡膠磨損形式是磨粒磨損和侵蝕磨損；若含水量小于26%，介質以油包水為主，潤滑膜是油膜，橡膠的磨損主要是疲勞磨損[47]。因此，針對原油本身性質采用合適的橡膠材料是降低磨損的有效方法。通過流體力學理論計算，以介質黏度、壓力和轉子轉速為參數，可以對轉子與定子間的間隙進行優化設計，使得功耗最小，提高經濟效益[48]。

圖13　不同含水量條件下橡膠的摩擦因數[47]

圖14　不同含蠟量條件下橡膠的摩擦因數[47]

5　結論

1)隨著工作環境日益惡劣，大量鉆采裝備受到磨損快、壽命短的問題困擾，需對其磨損原理進行研究并進行優化設計，以提高設備的可靠性和壽命。本文綜述了相關研究內容，以幫助相關學者做進一步研究。

2)井下工況復雜，多種要素共同作用造成了裝備的磨損和失效。研究者們對多個要素的協同作用認識不夠全面，對摩擦過程中材料表面發生的變化缺乏認識，對完整磨損過程的理解尚不充分，無法建立符合實際情況的物理模型。

3)由于石油行業的工程性比較強，加上具體問題的復雜性和多樣性，通常只針對一個具體問題進行研究，導致研究的連續性和系統性不夠完善。

4)鉆采裝備在石油天然氣勘探開發中的作用日益明顯，有必要更深入了解油氣鉆采裝備的磨損機理和失效規律，增加可靠性和延長壽命。

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[48]單玉霞，王兆伍，鄭梅生，等.三螺桿泵螺桿與襯套最優間隙的理論研究[J].流體機械，2012，39(11)：28-31.

Recent Advances in Friction Reduction and Anti-wear Technology of Four Kinds of Equipment in Oil and Gas Exploration

TAN Kaiwen，XIAO Huaping，LIU Shuhai

(College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum (Beijing)，Beijing 102249，China)

In order to improve performance and increase service life of equipment in oil and gas exploration，to study their friction and wear is necessary.In the investigation of tribological behavior of the equipments and tools，the synergic effect of harsh environment，complex conditions and properties of the material have to be considered.Study of the wear mechanism by simulating the featured conditions during oil and gas exploration establishes the theoretical foundation to reduce wear and increase service life of those equipments.In this review，recent advances in tribological study of four key equipments，namely，drilling bit，casing pipeline，drilling winch brake and screw pump，are summarized.Current problems and potential solutions are discussed，as well.

bit；casing；drawworks brake；screw pump；abrasion resistance

1001-3482(2016)05-0102-09

2015-11-18

國家國際科技合作專項項目(2012DFR70160)；中國石油大學(北京)科研基金資助(2462014YJRC049，2462015YQ0401，2462015YQ0403)

譚凱文(1992-)，男，四川瀘州人，碩士研究生，主要從事石油與天然氣裝備設計研究，E-mail：349461391@qq.com。

TE9

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.022