QPQ表面處理技術及提高工具耐沖蝕性能試驗研究

孔學云，嚴孟凱，張 亮，左 凱，陳勝宏，劉曉峰，齊海濤，李寶龍(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

QPQ表面處理技術及提高工具耐沖蝕性能試驗研究

孔學云，嚴孟凱，張 亮，左 凱，陳勝宏，劉曉峰，齊海濤，李寶龍
(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

為了提高海洋石油用井下工具的耐磨和耐沖蝕性能，采用理論和試驗方法，開展了4145材質的QPQ表面處理技術的應用研究和耐沖蝕性能試驗研究。結果表明：在模擬現場壓裂作業工況(高砂比、大排量)下，QPQ處理工具的平均沖蝕厚度約3 mm，QPQ處理的工具較磷化處理的工具有較高的耐腐蝕性能和良好的自潤滑性能。QPQ處理后的整套壓裂工具在渤海油田某井成功應用，滿足壓裂作業的要求。

井下工具；表面預處理；沖蝕；試驗

海洋油氣田的作業工況惡劣，井下工具要承受拉力、壓力和扭力矩等復雜交變應力，同時要經受大排量和高流速的鉆完井液、泥漿、砂液等沖蝕。因此，要求井下工具具有高強度、高耐磨和耐沖蝕的綜合性能。鑒于對工具性能的高要求，單憑借優選材料是不夠的，還需采用材料表面處理工藝來提高材料的綜合性能[1-6]。

本文主要針對4145常規井下工具材料，開展表面QPQ鹽浴復合處理工藝的應用研究，并模擬油氣井壓裂作業工況，對QPQ處理的井下工具進行耐沖蝕試驗，評價QPQ工藝對井下工具的耐腐蝕和耐沖蝕性能的提高效果[7-8]。

1 QPQ鹽浴爐復合處理技術介紹

QPQ鹽浴爐復合處理技術包括鹽浴氮化處理、氧化處理、拋光處理和第2次氧化處理4個過程。鹽浴氮化處理技術是核心，主要是將氮化鹽中氰酸根的分解而產生的活性氮原子滲入工件，在工件表面形成耐磨性和抗腐蝕性很高的化合物層和耐疲勞的擴散層。氧化處理主要是徹底分解工件從氮化爐帶出來的氰根(CN-)，同時，在工件表面形成黑色氧化膜，增加防腐能力，對提高耐磨性也有一定好處。拋光處理主要是去除氮化物層外面的疏松層，經2次氧化可以進一步提高工件的抗腐蝕性能和耐磨性能[9]。

2 4145材料的QPQ表面處理工藝分析

對調質態的4145材料進行QPQ處理，工藝參數如圖1。然后對其進行鹽霧試驗、金相檢測和硬度檢測，測試QPQ處理前后材料的表面硬度，并分析有效硬化層厚度及耐腐蝕性能。

圖1 4145材料QPQ表面處理工藝示意

1) 表面硬度及金相組織測試。

圖2 4145材料QPQ處理后微觀組織

表1 4145材料QPQ處理前后性能參數

2) 鹽霧試驗。

按照NaCL質量分數5%、噴射角度20°(與垂直方向)、試驗槽溫度35 ℃的條件進行鹽霧試驗，接受的噴霧量為0.02 mL/(cm2·h)。從圖3可以看出，4145材料經表面QPQ處理后，耐腐蝕性能明顯提高。

圖3 4145材料QPQ處理后煙霧試驗

3 QPQ表面處理工具的沖蝕試驗

3.1 試驗目的

選擇4145基材經過磷化處理和QPQ處理的2種井下工具，模擬壓裂充填完井作業工況(高砂比、大排量)進行試驗，檢驗和評價該工具的耐腐蝕和耐沖蝕性能[10]。

3.2 試驗方案

由批混撬出來的攜砂液，經過2臺泵泵入沖蝕管柱，然后再回到批混撬，對管柱進行連續循環沖蝕。沖蝕試驗流程如圖4所示。沖蝕試驗管柱結構如圖5所示。

圖4 沖蝕試驗流程

圖5 沖蝕試驗管柱結構

3.3 試驗要求及參數

1) 試驗工況參數。

翌日上午取回采樣紙，用工業顯微鏡把附著藥液的1.2mm2試紙放大160倍，讀入計算機中，利用圖像處理技術統計上面的霧滴的粒數和當量粒徑；再利用Excel軟件統計和計算平均粒徑的大小及粒數[3]。由于霧滴在采樣紙上的痕跡大致為圓形，應校正為球體直徑，按下列公式計算，即

本試驗模擬壓裂充填實際工況進行試驗參數設計。介質為水和石英砂，石英砂顆粒直徑0.25～0.83 mm(40～60目)，砂泵排量0.058 m3/s(22 bpm)，砂比239 kg/m3(2 ppg)，累計泵入石英砂約22 679 kg(500 000 lbs)。

2) 試驗管柱參數。

沖蝕管柱分為2種：①被沖蝕管柱工具表面進行磷化處理；②被沖蝕管柱工具表面進行QPQ處理。管柱工具清單如表2所示。

表2 管柱工具清單

3.4 試驗過程

2016-06，在中海油鉆采試驗培訓基地進行壓裂充填完井管柱沖蝕試驗。試驗現場如圖6所示。

a 沖蝕試驗管柱

b 砂泵

將試驗管柱工具與設備連接，并進行管柱試壓(35 MPa，穩壓10 min)。先用清水逐漸開泵至0.058 m3/s，進行管線及工具試運行，然后將批混撬逐步加砂至約136 kg(混砂撬體積已知，由砂比239 kg/m3計算得知)，累計泵入石英砂約22 679 kg，試驗結束，停泵。

拆卸設備、管柱及工具，并將工具運回試驗室進行沖蝕結果分析。

4 試驗結果分析

4.1 沖蝕情況宏觀分析

充填短節、充填孔、延伸筒表面沖蝕宏觀形貌如圖7所示。

a 左邊磷化處理充填孔和右邊QPQ處理充填孔

b 充填孔正對的延伸筒

由圖7可見，充填短節上的充填孔下端、以及充填孔正對延伸筒是整個管柱沖蝕最嚴重的部位，有明顯的變形和沖蝕缺口。表面進行QPQ處理的充填短節，其充填孔下端的表面硬化層已經被沖蝕脫落。表面進行磷化處理的工具有明顯銹蝕，而表面進行QPQ處理的工具表面基本沒有銹蝕，表明QPQ處理表面具有很好的耐腐蝕性。

4.2 沖蝕情況實測數據對比分析

磷化處理和QPQ表面處理的2種充填短節，其沖蝕試驗數據如表3。2種工藝下，充填孔的長度平均增加2.7～3.1 mm，充填孔的上端尺寸沒有明顯變化，而下端肉眼可見變形部位尺寸平均增加6.63～7.10 mm。局部沖蝕比較嚴重。測量延伸筒的沖蝕厚度，其平均沖蝕厚度約3 mm。

表3 充填孔沖蝕前后尺寸變化

4.3 滑套沖蝕后密封性能測試

由圖8可知，表面QPQ處理的滑套較表面磷化處理的滑套掛攜砂液少，說明QPQ處理后工具表面具有很好的自潤滑性。沖蝕后滑套表面及滑套孔宏觀上沒有明顯變化。但是，對沖蝕后的滑套進行密封測試(35 MPa，穩壓10 min)，表面磷化處理的滑套不能密封，而表面QPQ處理的滑套能夠密封。

a 表面磷化處理滑套

b 表面QPQ處理滑套

5 現場應用

借鑒工具沖蝕試驗結果，對壓裂充填完井關鍵工具進行QPQ表面處理。整套工具于2016-08在渤海CFD12-1區塊某井進行壓裂充填防砂作業，現場作業期間，自主化壓裂充填工具性能穩定可靠，壓裂充填作業累計泵入砂量816 kg，充填系數89.2 kg/m(600 lbs/ft)，盲管埋高5.5 m，充填效果良好。

6 結論

1) 調質處理的4145材料進行QPQ處理后，硬度、耐腐蝕性能、耐沖蝕性能和自潤滑性能均顯著提高。

2) 沖蝕最嚴重的充填短節不會影響壓裂作業。建議對延伸筒進行表面處理，防止沖蝕腐蝕漏損。 QPQ處理后的完井工具能滿足壓裂充填作業要求。

3) QPQ鹽浴復合處理技術包含滲氮、氧化、拋光等工藝，可在工件表面形成高硬度滲氮層和氧化層。處理后工件表面的粗糙度高。因此，QPQ表面處理工藝不僅可以提高井下工具的耐腐蝕和沖蝕性能，還可應用在粗糙度高的金屬密封面處理、不銹鋼和鎳基合金等材料螺紋表面處理。

[1] 馬穎，任峻，李元東，等.沖蝕磨損研究的進展[J].蘭州理工大學學報，2005，31(1)：22-25．

[2] 劉家俊，李詩卓，周平安，等.材料磨損原理及其耐磨性[M].北京：清華大學出版社，1993：172-193．

[3] 潘牧，羅志平.材料的沖蝕問題[J].材料科學與工程，1999，3(17)：92-96.

[4] 答建成，周細應，周濤，等.汽車零部件表面強化技術研究現狀及展望[J].表面技術，2015(7)：68-72.

[5] 蒲洪春，黃志強，李琴，等.泥漿泵滑塊、滑套表面處理技術研究[J].西南石油學院學報，2002，24(3)：74-78.

[6] 趙會友，陳華輝，邵荷生.幾種鋼的腐蝕沖蝕磨損行為與機理研究[J].摩擦學學報，1996，4(16)：112-119.

[7] Finnie I.Erosion of surfaces by solid particles[J].Wear，1960，3(2)：87-103.

[8] Finnie I，Stevick G R，Ridgely J R.The influence of impingement angle on the erosion of ductile metals by angular abrasive particles[J].Wear，1992(152)：91-98.

[9] 李惠友，羅德福，吳少旭，等.QPQ技術的原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2008：95，185.

[10] 孔學云，楊志國，鞠少棟，等.礫石充填滑套沖蝕性能研究與試驗分析[J].中國海上油氣，2015，27(5)：98-101.

QPQ Surface Treatment Technology and Test Research for Improving Erosion Resistance Property of Tools

KONG Xueyun，YAN Mengkai，ZHANG Liang，ZUO Kai，CHEN Shenghong，LIU Xiaofeng，QI Haitao，LI Baolong
(CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCo.，Tianjin300452，China)

In order to improve the offshore oil downhole tool wear and erosion resistance property，the application research of QPQ surface treatment technology and erosion resistance property for 4 145 was studied with the theory and test method.The results show that under the simulated condition of field fracturing operation，the mean erosion thickness of QPQ treatment tool is about 3 mm；QPQ treatment tools have higher corrosion resistance and self-lubricating properties than phosphate treatment tools.A set of fracturing tools through QPQ treatment was successfully applied in a well of Bohai Oilfield，and fully prove that the tools meet the requirements of the fracturing field operation.

downhole tool；surface preparation；erosion；testing

2016-12-14

中國海洋石油總公司項目“完井防砂系列工具研制III期”(CNOOC-KJ 135 KJXM NFGJ2016-01)

孔學云(1980-)，女，內蒙古烏盟人，高級工程師，2007年畢業于內蒙古科技大學材料加工工程專業，現從事石油工具研發工作，E-mail：kongxy@cnooc.com.cn。

1001-3482(2017)03-0041-05

TE934.207

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.009