不同热处理对V150钻杆材料组织及性能的影响

采用材料组织分析法以及力学性能测试对不同热处理后V150钻杆材料的组织与性能进行研究。结果表明,热处理可提高V150钻杆材料的抗氢致开裂(HIC)性能;经900℃×90 min+水淬+735℃×120 min+空冷热处理的试样比经过其他热处理及不进行热处理的试样具有更加优异的综合性能。随氢致开裂试验时间延长,V150钻杆材料的抗HIC性能减弱,主要腐蚀产物为Fe和Mn的硫化物。带状组织及夹杂是导致材料发生氢致开裂的主要原因,Cu,Ni等元素可以提高材料的抗HIC性能。

不同热处理对V150钻杆材料性能的影响

随着酸性油气田的陆续出现,钻杆在酸性环境下腐蚀性能的研究显得尤为重要。采用金相显微镜、万能试验机、冲击试验机、扫描电镜、能谱仪等对不同热处理后V150钻杆材料的性能进行了研究。结果表明:热处理可以提高V150钻杆材料的抗硫化氢应力腐蚀(SSC)性能及氢致开裂(HIC)性能;二次回火对V150钻杆材料的力学性能及腐蚀性能影响不大。夹杂和缺陷是导致V150钻杆材料抗SSC性能降低的主要原因。HIC试验后试样的主要腐蚀产物为Fe和Mn的硫化物,Cu,Ni等元素有利于提高G105钻杆材料的抗HIC敏感性。

CO_2腐蚀对钻杆材料多冲疲劳性能的影响

目的探究CO_2腐蚀对钻杆材料多冲疲劳性能的影响规律,分析表面腐蚀产物对多冲性能是否有严重影响。方法利用自主研发的多冲疲劳断裂试验机,测试V150和S135钻杆材料在常温常压下饱和CO_2溶液中浸泡腐蚀不同时间后的冲断累积能量,利用失重法计算各试样的腐蚀速率,并用扫描电子显微镜(SEM)观察腐蚀后的表面形貌及冲断后的断口形貌,用XRD测试了腐蚀产物的主要成分。结果两种材料在CO_2腐蚀环境中的腐蚀速率均达到了0.05 mm/a以上,属于中度腐蚀,但S135材料的腐蚀速率略低于V150。随着腐蚀时间的增加,两种材料的冲断累积能量均不断下降,但腐蚀速率稍低的S135材料的冲断累积能量下降率(19.68%)低于V150(22.54%)。CO_2腐蚀使钻杆材料表面产生了龟裂状形貌和结晶状腐蚀产物,其主要成分为Fe(HCO_3)_2。CO_2腐蚀并未对内部组织结构造成较大影响,未造成钻杆材料的脆断。结论在CO_2腐蚀环境下的钻杆材料,尽管腐蚀速率较高,但CO_2腐蚀对材料多冲疲劳性能的影响小于H2S腐蚀,腐蚀速率不是影响材料多冲性能的关键因素。

S135钻杆材料等离子喷涂Al2O3-TiO2涂层组织与性能

目的选用石油钻井工程中常用的S135钻杆钢作为研究对象,在不破坏S135钢优异力学性能基础上,在S135钢基体上等离子喷涂Al2O3-TiO2涂层,研究喷涂功率对涂层的组织与性能的影响。方法在25、30、42 kW三种喷涂功率下,于S135钻杆材料基体表面制备Al2O3+TiO2涂层,对涂层表面进行SEM形貌观察及XRD物相分析,对端面进行金相组织观察,并测定不同位置的显微硬度,借助于材料表面性能试验仪进行涂层与基体结合强度测定,对不同功率下的喷涂涂层的组织、形貌及性能进行比较。结果在三种功率条件下,涂层由α-Al2O3、γ-Al2O3、Al2TiO5及TiO2组成。随着喷涂功率的增加,涂层中γ-Al2O3、Al2TiO5的含量增加;粘结层中气孔、裂纹等缺陷减少,孔隙率下降。在42 kW喷涂功率下,涂层与基体的结合强度达到92 N。在热喷涂过程中,由于正火作用,靠近喷涂界面的S135基体的晶粒得到细化。涂层表面的硬度都高于粘结层及基体,在喷涂功率为30 kW时,涂层表面的硬度达到1419.6 HV。结论通过改变喷涂功率,可在S135钻杆材料上得到具有较高硬度、与基体结合强度较高的Al2O3-TiO2涂层。

不同热处理对钻杆材料硫化氢应力腐蚀性能的影响

随着酸性油气田的陆续出现,钻杆在酸性环境下腐蚀性能的研究显得尤为重要。通过拉伸试验、冲击试验、硬度测试及硫化氢应力腐蚀试验(SSC)等对不同热处理后V150钻杆材料的硫化氢应力腐蚀性能进行了研究。结果表明:热处理可以提高V150钻杆材料的抗硫化氢应力腐蚀性能;在淬火温度一定的情况下,抗拉强度、屈服强度及硬度随回火温度的升高呈逐渐降低的趋势,冲击韧性呈逐渐升高的趋势;抗SSC性能随着回火温度的升高逐渐提高;夹杂和缺陷是导致V150钻杆材料抗SSC性能降低的主要原因。

钻杆接头材料激光相变硬化层的组织和硬度研究

采用功率为 2kW、扫描速度为 10 0mm/min的工艺参数对钻杆接头材料 30CrMnSiA钢进行了表面相变硬化处理 ,研究了相变层的组织和硬度特征。实验结果表明 ,30CrMnSiA钢表面相变硬化层分为完全淬硬层、过渡层和受热影响的基体组织 ,硬化层的显微组织明显细化 ,其表面层的硬度比高频淬火的硬度提高了 30 % ,淬硬层深度达 1 7mm ,比高频淬火深度提高近 1倍。

硫化氢环境下G-105和S-135钻杆的低载多冲疲劳性能测试

针对钻杆材料在钻井工程中因承受小能量多次冲击载荷作用而出现的刺穿、断裂等失效情况,提出了对钻杆材料进行评价的一种低载多冲实验方法,应用该方法对G-105和S-135钻杆材料进行了测试。在没有腐蚀介质的环境中,改变单次冲击能量的测试结果表明,随着单次冲击能量的增大,G-105和S-135钻杆材料的低载多冲抗力下降到了原来的22.2%和28.7%,钻杆的低载多冲抗力下降显著。在硫化氢环境中,采用NACE TM 0177-96标准A溶液分别对G-105和S-135钻杆试片浸泡不同的时间,并在2.21 J的单次冲击功作用下开展了低载多冲测试,结果表明两种钻杆材料的低载多冲抗力随着硫化氢腐蚀时间的延长分别下降到了原来的49.8%和46.9%,且钢级更高的S-135对腐蚀环境更为敏感。另外,选取典型的冲断断口进行了微观形貌观察与分析,发现了导致破断的脆化相。以上实验结果均表明这种低载多冲实验方法能够较明显地还原钻杆在工作过程中的实际失效情况,尤其是在含有硫化氢腐蚀介质中的失效规律。

S135钻杆钢预腐蚀后的弯曲疲劳性能

目的考察有机盐钻井液对S135钻杆材料腐蚀及疲劳性能的影响。方法首先利用高温高压釜模拟有机盐钻井液井筒的工况环境,对疲劳试样进行预腐蚀,通过点蚀仪测定试样表面的腐蚀状况;然后利用旋转弯曲疲劳试验机在不同弯曲应力条件下对预腐蚀试样和未腐蚀试样的疲劳性能进行测试,算得不同存活率下的疲劳强度,并绘制不同存活率下的S-N曲线。用体视显微镜和扫描电镜观察预腐蚀试样和未腐蚀试样的疲劳断口形貌,进而得出S135钻杆材料表面腐蚀对其疲劳寿命的影响程度和影响机制。结果经过腐蚀的试样表面有较多腐蚀坑,腐蚀坑深度在0.4~0.7 mm之间。未腐蚀试样的疲劳强度为553 MPa,其疲劳断口只观察到单个疲劳裂纹源;腐蚀试样的疲劳强度为409 MPa,其疲劳断口观察到多个疲劳裂纹源。S135钻杆材料腐蚀疲劳开裂敏感性指数为26%。结论经过高温高压有机盐钻井液环境腐蚀后,试样表面点蚀严重,腐蚀坑底部存在应力集中并导致裂纹源的形成,多个裂纹源的同时生长加快了裂纹的扩展,最终降低S135钻杆钢的疲劳强度。

国外轻质高强度钻杆研究与应用

为提高超深井钻井能力,提出了轻质高强度钢钻杆和非钢材料钻杆的新思路。介绍了国外复合材料钻杆、铝合金钻杆和轻质超高强度钢钻杆的性能特点、技术指标及现场应用情况,为国内相关单位解决超深井钻井难题提供以下建议:超高强度钢钻杆可以成为克服深井钻井中拉伸应力阻碍的手段;非金属钻杆可以成为一种远期的克服深井钻井难题的选择,但是需要持久的投入与攻关;轻质高强度钻杆可以为我国川东北和塔里木等地区复杂超深井钻井提供保障。

焦炭塔钻杆的焊接

详细分析了钻杆材料的焊接性，进行了最佳工艺参数选择，制定了一套实用的焊接工艺，并应用于实际，取得了良好的效果。

新型复频超声钻杆的研究

复频超声加工是加工硬脆材料的有效方法之一,现有的超声加工机床中,钻杆和变幅杆多为同种材料采用螺纹结构连结,不同种材料,因其弹性模量不一致而限制了以多种材料螺纹连接制造超声钻杆的可能。针对该问题,以YT15硬质合金制作超声钻杆,运用ANSYS软件的模态与谐响应分析,分析了其在工作中的动态性能,以复频超声加工机床的实验为基础,并选用合适的制造工艺,设计了一种多材料复频超声钻杆,以实验验证硬质合金钎焊工艺在超声中的可能性。结果表明;新型超声钻杆可以在现有的超声机床上实现稳定、高效的超声加工,且验证了钎焊工艺是超声加工机床部件连接的一种有效方法。

超深井钻井推动钻具技术的革新

超深井钻井对钻具有严格的要求。过长的钻柱产生过高的拉伸载荷,这可能导致卡瓦挤坏;产生提升能力问题;以及与防喷器相邻的钻杆的抗破坏能力问题。同时,防喷器剪切闸板可能难以切断现今的高强度、高韧性的钻杆。在钻超深井时底部钻具组合连接的失效会产生更大的风险和代价。本文分析了超深井钻井钻柱设计的一些难点,介绍了目前在超深井钻井技术中有助于提高钻深能力的新型钻柱技术。