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石油钻具耐磨材料的发展与应用

石油钻具耐磨材料的发展与应用 摘要:分析了石油钻具耐磨带的工作原理、性能特点与影响因素,评述了石 油钻杆接头耐磨带堆焊材料的发展,介绍了石油钻具耐磨带堆焊材料的应用。材 料特性是影响耐磨带性能的核心影响因素。“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积极的推动作用。 关键词:耐磨带焊材;钻杆耐磨;发展 引言 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。然而,实际情况并不简单,耐磨带的出现,将钻杆接头与 套管内壁接触摩擦,转换为耐磨带与套管内壁的接触摩擦。它们之间的摩擦磨损, 不仅取决于两个接触体材料的特性及其匹配行为,同时还受到钻井过程中诸多因 素的影响。 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。应当看到,是堆焊材料的创新推动了耐磨 带技术的进步与发展,而耐磨带技术的进步,则促进了钻井工程及其应用的稳步 发展。那么,这些堆焊材料的创新点及其关键技术在哪里?堆焊材料控制接头耐 磨带性能的机理又是怎样的?为此,本文特意将典型堆焊材料与接头耐磨带磨损 特性相联系,综合评述耐磨带堆焊材料的发展及其应用。该项工作对推动钻杆接 头耐磨带技术的进一步完善,提高钻具使用寿命,具有积极意义和参考价值。 1 1 11、石油钻杆接头耐磨带工作原理与性能影响因素 1 1 1 1 11.11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。 1 2 1 2 11.22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: 1 2 1 1 2 1 11.22.11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。 1 2 2 1 2 2 11.22.22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。 1 2 3 ( ) 1 2 3 ( ) 11.22.33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

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