鈹青銅在隨鉆測井中的應用研究

季新標，秦才會，丁元皓，朱玉寧，曹云風

（中海油田服務股份有限公司，北京 101149）

在隨鉆測井行業中，由于地質環境復雜多變，環境非常惡劣，鉆探設備及測井設備的使用過程中，外部巖漿夾雜著高氯、二氧化碳、氫和酸等物質[1]。因此，需要一種高強度、耐腐蝕、無磁性、耐磨、耐疲勞等特性的材料來作為鉆探設備的主體或關鍵零部件來滿足這些復雜的環境要求。C17200是一種沉淀硬化鈹銅基合金，具有良好的綜合性能，該合金經固溶時效處理后具有較高的硬度、強度、彈性極限及疲勞極限，它還有較強耐腐蝕性、導電性及無磁性，使其在低溫、高溫、高壓及酸性的惡劣環境下具有較長的使用壽命[2]。因此，其廣泛應用于各種高新技術領域的制造業，特別適用于石油鉆探設備，使隨鉆儀器能滿足在惡劣井下環境中的應用要求。

1 鈹銅合金性能

鈹銅合金也被稱為鈹青銅，是一種既可以鍛造又可以鑄造的合金材料，屬于時效析出強化的銅基合金，經淬火時效處理后，具有耐蝕、耐磨、耐疲勞、耐低溫、無磁性、優異的導電性、導熱性等特點。憑借其優異的性能，鈹青銅合金廣泛應用于海洋工程、航天、新能源等領域[3]。鈹銅合金也是一種典型的沉淀強化合金，銅基體中析出的鈹銅相可提高合金的力學性能[4]。為了能直觀地得到鈹銅合金的性能數據，以目前石油行業常用的美國MATERION公司生產的C17200為對象進行理化性能、拉伸性能分析。取直徑50mm棒材，熱處理狀態：固溶+時效。按照ASTM B196《銅鈹合金棒材和條材標準規范》，ASTM E8《金屬材料拉伸試驗的標準試驗方法》開展材料理化性能及拉伸性能分析。

1.1 鈹銅合金的理化性能

測試鈹銅合金密度8.26g/cm3，采用R547洛氏硬度計測得硬度40.4HRC，采用電感耦合等離子體發射光譜儀ICP-AES對鈹青銅棒材的化學成分進行分析，各項成分見表1。

表1 鈹青銅的化學成分（w），%

1.2 鈹銅合金拉伸性能

取樣位置：縱向（2件），實驗標準：ASTM A370-19e13，實驗設備：Z600雙立柱萬能材料試驗機，測試結果見表2。

表2 鈹青銅的拉伸性能

鈹銅合金（C17200）只有經過熱處理，才能獲得好的性能。它的熱處理分兩步進行，第一步是固溶（淬火）熱處理，第二步是時效熱處理。一般淬火溫度是800℃，時效溫度是310℃左右，沒有淬火這一步，時效是無用的[5]。表2中的樣件均是通過固溶加時效處理的，通過測試性能抗拉強度最高能達到1 360MPa，可見熱處理后鈹銅強度獲得很大提高。下面通過表3的數據對比來體現固溶時效對鈹銅合金性能的影響[6]。

表3 固溶時效對鈹銅合金性能影響

1.3 拉伸斷口分析

實驗的兩個拉伸斷口的斷裂形貌完全一致，均是在實驗段表面沖點處起源開裂，多條放射棱線匯聚于實驗段沖點缺口處，指示出斷裂起源的位置。斷口周圍無明塑性變形，斷口宏觀形貌見圖1。斷口宏觀上明顯分成三個區，即點狀源區、中部快速擴展區、四周剪切唇。在掃描電子顯微鏡下進一步觀察各區形貌。點狀源區的特征是多條放射棱線指向表面沖點缺口處，說明鈹青銅材料的缺口即應力集中敏感程度高，使用時要特別小心。

圖1 鈹銅合金樣件拉伸斷口

2 鈹銅合金在隨鉆測井中的應用

鈹銅合金在石油工業中得到了廣泛的應用，如無磁性的鉆頭卡環、撓性鉆探卡環、MWD/LWD隨鉆測斜儀的抗壓外筒、脈沖器、帶螺紋的各種接頭、在采礦或頁巖氣等碳氫化合物的取樣工具、無磁鉆鋌等。隨著我國石油勘探和鉆井技術的進步，“863”計劃中的鉆探控制系統研究取得了成功，國際上先進的MWD/LWD無線隨鉆測斜儀關鍵技術已被突破，標志著中國的油氣勘探技術跨入與國外石油巨頭同一行列。2012年，湖州興貝克自行研制了高強度等軸晶MWD/LWD鈹銅合金抗壓外筒，對外承壓可達到140MPa，同時能經受巖漿、泥沙的不斷沖刷，使用效果等同于美國進口的產品，在硬度上甚至超過了它[1]。下面通過3個具體案例介紹鈹銅合金在石油工業中的應用。

2.1 鈹銅合金在隨鉆測井系統和旋轉導向鉆井系統中的應用

中海油服的Drilog 隨鉆測井系統（簡稱“Drilog”）井下儀器有多種功能短節，主要包括隨鉆測量儀DIM（MWD 系統）、工程參數測量儀DSM 和隨鉆電阻率伽馬一體化測井儀ACPR 組成，這些短節需要進行機械電氣連接形成測量系統[7]。如圖2所示，MWD短節和DSM參數儀之間的連接屬于插接適配連接，鉆鋌內部機電接口由硬連接和適配頭插入對接實現[8]，硬連接和適配頭的材料均為鈹銅合金（17200）。短節功能獨立，具有故障定位方便，保養維護方便，研發周期上可分階段實施，作業時可根據需要進行組合，接入方便。2 個功能短節連接時，既要保證鉆鋌連接可靠，內部流道合理通暢，還要確保供電和信號上下傳遞可靠，同時還要求較高的耐腐蝕性和高疲勞強度。

圖2 鉆鋌內部插接式示意圖

2.2 鈹銅合金在定向鉆機隨鉆測量裝置中的應用

在定向鉆進過程中，為實現井眼軌跡控制，需在測量探管后端接下無磁鉆桿，利用下無磁鉆桿為測量儀器創造一個無磁環境，這就使得鉆頭與測量探管距離增大，從而影響了定位精度及測量效果。為此，國內外相關科研院所的科研人員從材料入手，選用無磁材料替代普通螺桿鉆具的外管材料，開發了無磁螺桿鉆具，現有無磁螺桿鉆具的外殼材料大部分選用鈹銅。無磁螺桿鉆具的作用：一是避免由于使用普通螺桿鉆具而對測量儀器產生的磁影響；二是避免使用無磁鉆桿或接頭，減小了測量點與鉆頭位置的誤差，提高了測量的準確性；三是可以屏蔽上下鉆具及孔壁周圍的磁場，以保證磁性測量儀器測量結果的準確性[9]。

2.3 鈹銅合金在近鉆頭儀器中的應用

在石油勘探的隨鉆測井過程中，鉆井軌跡需要更精確地按照工程設計的要求進行鉆進，以便于能及時準確地掌握地層信息、識別薄油層，從而提高鉆井效率，并把地層信息實時準確地傳輸到地面，這樣技術人員才能及時地了解井眼軌跡的變化和地層信息的變化。為了實現這種功能，中海油發明了一種隨鉆近鉆頭測量裝置[10]，如圖3所示，其中電池筒和電池筒尾部固定座主要使用鈹青銅材料，主要考慮到鈹青銅材料的抗震性能和耐沖蝕性能比較好，強度較高。

圖3 近鉆頭儀器

中石化鉆井工藝研究院設計近鉆頭儀器時分別選取了無磁鉆鋌材料（N1310B）和鈹銅合金材料（QBe2）作為測量短接進行對比分析，隨著測量壁厚的增加，兩種材料所能夠承受的極限扭矩都在增加，但鈹銅材料所能承受的扭矩范圍與增加的應變范圍均高于無磁鉆鋌材料；相同壁厚情況下，鈹銅材料的測量短接所能承受的扭矩范圍與應變范圍都比較大，同時鈹銅材料對相同扭矩輸入的靈敏度也較無磁鋼高，故實際選用了鈹銅合金材料加工制作測量短接的傳感器部分[11]。利用鈹青銅的彈性系數小、屈服極限大的特點，設計的測量短節既可以增加測量短接的機械應變量，減小轉換電路部分的放大倍數，又可以提高測量系統的抗干擾能力。

2.4 應用中出現的問題

鈹銅合金在隨鉆測井中得到了廣泛應用，但是在應用中也出現了一些問題。鈹銅無磁鉆桿在晉煤寺河礦用ZYWL-6000DS 定向鉆機進行了工業性試驗，一次性成功鉆進孔深1 008m，但在晉煤集團長平礦、汾西雙柳礦進行使用時，總鉆進深度未到2 000m，鈹銅無磁鉆桿發生了斷裂，造成測量探管、下無磁鉆桿和螺桿孔底馬達掉落孔內。無磁鉆桿斷裂都發生在有塌孔現象造成卡鉆事故，在旋轉、拉動或強力起拔鉆具時[12]。2020年12月28日，中海油服深圳作業公司的EP24-2平臺發生一起鉆井工具斷裂故障。具體情況是儀器正常鉆進至664m，接完立柱測斜，MWD三次測斜不成功，嘗試高低排量切換測斜未成功，BCMP在高排量3 300l/m下FID8出測斜（井斜21度）時信號消失。拆開儀器，檢查硬連接情況，發現DIM2下端無硬連接，硬連接已經從探管末端斷開，繼續拆甩DIM2下端NMDC，從馬達上端發現掉落的硬連接堵頭，此時硬連接堵頭一部分斷在硬連接里面。斷裂原因主要是應力集中引起的疲勞斷裂，鈹青銅在時效狀態下抗拉強度達1 000MPa 以上，但伸長率降低至5%以下，韌性變差，在井下復雜應力作用下極易造成脆斷，同時熱處理不當、加工工藝處理不當、表面處理方式不當也容易造成鈹青銅抗拉強度降低而造成 斷裂。

3 結語

鈹青銅具有優異的材料性能，在很多高端領域都得到廣泛應用，在石油隨鉆測井領域中也有著其他材料不可替代的優越性。目前鈹青銅材料在廣泛應用的同時也出現一些隱患，為了能更好地利用鈹青銅材料，就需充分了解鈹銅銅的性能特點，制定出一套完整有效的熱處理、表面處理、加工等標準，依照標準來獲得適合自己使用的合格鈹青銅產品。