石油钻杆磨损原因及应对措施

石油钻杆磨损原因及应对措施

摘要：：分析了石油钻杆工作原理，耐磨带性能影响因素性能特点与影响因素。分析材料特性是影响耐磨带性能的核心因素,耐磨带特性的改变取决于堆焊材料成分、组织性能的变化以及配套堆焊工艺的严格实施。

关键词：钻杆磨损；耐磨带；性能分析

1、耐磨带工作原理

钻杆接头耐磨带实质上是一个沿接头圆周方向，具有一定宽度和一定厚度的隔离带。通过这个隔离带，使钻杆接头外壁和套管壁或井壁隔离，避免钻杆接头与套管壁或井壁直接接触，以保护钻杆接头和套管免遭强烈磨损。耐磨带的工况条件比较复杂，性能要求比较苛刻，应当具有良好的综合抗磨性能。所谓综合抗磨性能，是指具有较高耐磨性的同时还必须具有适度的减磨性。最佳的耐磨性与减磨性之间存在一定的匹配关系，上述技术指标之间以及与摩擦系数之间的函数关系的量化确立，可能对于耐磨带焊接材料性能的重大突破具有重要参考价值。

2、耐磨带性能影响因素

接头耐磨带性能影响因素较多，总体上有三大因素：

2．1载荷力的影响

在钻井过程中，凡是增大钻杆接头与套管内壁(或井壁)接触力的因素，都会加剧磨损发生。如在“狗腿”度大的井段，接头与套管内壁接触压力相对增大，此时无论是耐磨带还是套管内壁(或井壁)，其磨损现象就会加剧。

2．2摩擦系数的影响

在钻井过程中，凡是增大接头与套管内壁摩擦系数的因素，都会加剧磨损发生。如润滑剂品种或加入量不合适、转盘转速增大以及温度过高或过低时，其磨损现象也会加剧。

2．3耐磨带与套管(或井壁)材料特性的影响

根据摩擦学中的“吸附膜”理论，对于钻杆钢与岩石形成的摩擦副，两者之间

很难形成吸附膜，摩擦系数主要取决于摩擦副材料的表面特性，而摩擦副其表面特性是稳定的，摩擦系数受载荷的影响较小。对于钻杆与套管钢形成的摩擦副，两者之间比较容易形成吸附膜，当施加正压力时，随吸附膜逐渐被破坏，摩擦副表面特性对摩擦系数形成的贡献越来越大，摩擦系数受载荷的影响较大。凡是增大摩擦系数的材料特性，都会加剧磨损发生。

在上述接头耐磨带性能影响因素中，前两个是外在因素，最后一个是内在因素，外因通过内因起作用。也就是说，无论是载荷力的影响，还是摩擦系数的影响，最终要反映到耐磨带与套管(或井壁)材料特性的影响上，材料特性是核心影响因素。在这里，套管(或井壁)材料特性是被预先选定的(如套管的材质)，可以改变材料特性的主要是耐磨带。而耐磨带特性的改变，归根结底取决于堆焊材料成分、组织和性能的变化，以及配套堆焊工艺的严格实施。

3、减少石油钻杆磨损对策

钻杆接头耐磨带以其一定的耐磨性和减磨性，保护钻杆接头和套管免遭强烈的磨损，在深井钻井、大位移井钻井和大斜度井钻井工程中获得了推广应用，而且接头耐磨带技术已经成为国际重大石油工程项目招标中，投标方中标的必备技术条件之一。从机理上讲，钻杆接头耐磨带的作用是利用自身及其耐磨性，将钻杆外壁和套管内壁隔离，使钻杆不与套管壁或井壁直接接触，以保护钻杆接头和套管免遭强烈的磨损。

近年来，在多种可供选用的套管防磨技术之中，操作方便和效果最好者首推接头耐磨带。研究表明，接头耐磨带性能(含与套管材料的匹配性能)的优化与改善，是防止套管强烈磨损的关键技术措施。事实上，自从耐磨带技术问世以来，随着现场应用中出现问题的逐步克服，新型耐磨带专用堆焊材料不断被推出，耐磨带的材料品种已经发生了质的变化。

为了尽快摆脱“进口焊丝价格昂贵，国内油田难以承受”的困难局面，也为了提高中国钻井公司在国际招标运做中的竞争力，国内相继有单位开展高性能耐磨带焊接材料与进口焊材国产化的攻关工作，并且取得了可喜的进展。新型钻杆接头耐磨带堆焊材料D100就是其中一例。为了消除碳化钨、碳化铬堆焊材料的缺陷，同时提高堆焊材料的冲击韧性，D100是焊缝基体组织为低碳马氏体的堆焊材料。对堆焊层进行磨抛、腐蚀后，观察焊缝金相组织。耐磨带焊态组织为低碳

板条马氏体和少量残余奥氏体无预热情况下无明显的裂纹，马氏体束尺寸较小，残余奥氏体较少因而导致基体硬度较高，这是由于马氏体相界面阻碍位错运动而造成。另外，当合金中碳含量低，氮含量<0.64%时，堆焊合金硬度会随氮含量增加急剧上升，主要是因为基体组织会形成含氮渗碳体Fe23（CN）5，因而保证了其具有高的硬度。该焊丝具有价格便宜，工艺简便，可以重复堆焊等优点。对比试验表明，Dl00耐磨带的磨损率低于Fe一50铁基合金粉耐磨带，它的耐磨性能与进口材料相当。

4、石油钻杆接头耐磨带堆焊材料的应用

2000年8月，中原石油勘探局钻井工程处，将新型堆焊材料D100堆焊的和Fe一50合金粉喷焊的耐磨带钻杆，两种各20根提供给钻井一公司45133队使用。9月和10月进行实地检查，耐磨带外观质量完好。测试了两种钻井进尺下的耐磨带磨损率。可以看出,在同等条件下,当钻井进尺值为2100m和4290 m时,PT100耐磨带的磨损率比Fe-50耐磨带的分别低1.8个和 3.4个百分点。在云10井和文古2井,采用铁屑收集法测试了套管的磨损量。发现Fe-50合金粉耐磨带钻杆的铁屑量比PT100耐磨带钻杆的多。

耐磨带磨损测试结果

同时,在可比的情况下,Fe-50耐磨带钻杆钻柱摩扭矩为2.9kN·m,而D100耐磨带钻杆钻柱摩扭矩仅为1.6～1.9kN·m。表明D100耐磨带比Fe-50合金粉耐磨带摩擦系数小。该单位对新型堆焊材料D100的总体评价是:

(1)D100新型耐磨带钻杆与钢质钻杆接头相比,套管的磨损减少了86%。

(2)D100耐磨带钻杆与经过碳化钨处理的钻杆接头相比,套管的磨损降低了76%。

(3)在大斜度井中,由于摩擦系数减小,钻具旋转阻力大大降低,钻具扭矩增大

30%,节省燃料消耗10%。

(4)在裸眼钻井环境下,磨损量减小,有效地保护了钻杆接头。

5结论

(1)钻杆接头耐磨带实质上是一个隔离带,用以保护钻杆接头和套管免遭强烈磨损,应当具有较高的耐磨性和适度的减磨性。材料特性是影响耐磨带性能的核心因素,耐磨带特性的改变取决于堆焊材料成分、组织性能的变化以及配套堆焊工艺的严格实施。

(2)耐磨带堆焊材料的重大突破是我国耐磨带技术发展的必要条件,而引进焊材的国产化则是耐磨带技术发展的充分条件。“材料控制性能”理论,在钻杆接头耐磨带技术发展过程中起到了积极的推动作用。

(3)国产D100耐磨带的主要技术指标超过碳化钨耐磨带,必须加快步伐开发价格合理、性能优良的新型耐磨带堆焊材料。