深井钻杆接头耐磨防护技术研究综述与展望

在深井、特深井钻探过程中,井下钻具处于高温、高压、高腐蚀环境,钻杆与外部岩层以及套管发生激烈的碰撞和磨损,钻具耐磨防护是需重点关注的问题。目前在钻杆接头上敷焊耐磨带是深井钻具防护的主要方法,对减少钻具磨损、延长钻具寿命起着重要作用。本文综述了国内外耐磨带技术发展研究现状,阐述了耐磨带失效原因以及关键性能评价测试方法,分析目前耐磨带技术发展的关键为耐磨带防脱落、耐磨带修复技术和套管友好型耐磨带材料研究。最后对耐磨带技术在深井、特深井应用发展趋势进行展望。

主动钻杆公接头加工工艺技术研究

主动钻杆是自动钻机的关键零部件之一,在自动钻机钻进过程中起至关重要的作用,而主动钻杆公接头螺纹使用寿命的高低直接决定自动钻机的钻进效率,其质量优劣主要取决于公接头热处理加工工艺。原公接头渗碳、淬火后的防渗部位依然硬度过高、渗层过深,摩擦焊接端及外螺纹表面被淬透,螺纹表面抗冲击韧性较差,使用过程中主动钻杆摩擦焊缝及公接头螺纹易脆断,进尺较浅。为解决该问题,研究采用了新型的加工工艺方法,提升了主动钻杆公接头螺纹耐磨性及摩擦焊缝接头的综合力学性能,避免渗碳、淬火后涂抹防渗剂的各种弊端及质量问题,其适应性增强,质量可靠,提高了主动钻杆的使用寿命。

钻杆接头材料表面陶瓷复膜摩擦磨损行为

为了提高钻杆接头的耐磨损性能,选用由Ti、Cr、Al的氮化物、碳化物和氧化物所构成的金属陶瓷在钻杆接头材料(37CrMnMo)表面制备了多层陶瓷膜层。采用金相显微镜和扫描电子显微镜对金属陶瓷膜层的表面形貌及组织结构进行了分析。用MST3000摩擦磨损试验仪对钻杆接头材料进行旋转摩擦试验,得到表面陶瓷涂层摩擦系数的变化规律,结合摩擦副表面形貌观察和磨屑成分分析,分析了表面陶瓷涂层的耐磨性,探讨了表面陶瓷涂层的动态摩擦磨损机理。结果表明,在摩擦的初始阶段,表面陶瓷涂层摩擦系数急剧增加,随后稳定于某一定值,并在该值附近波动,波动范围逐渐增大。随着磨球被磨平,磨损形式由点面接触磨损,逐渐转换为面面接触磨损,磨斑面积不断增大。摩擦磨损开始以磨粒磨损为主,随着摩擦过程中挤压的加剧和温度的升高,磨屑发生塑性变形,形成不断增厚的转移层,覆盖于对磨面上,阻碍陶瓷涂层与对磨件的直接接触,从而减轻陶瓷涂层的摩擦磨损。

超声表面加工和硫氮共渗复合处理对35CrMo钢表面性能的影响

为了同时减少钻杆接头和对磨套管的磨损,采用超声表面加工技术和硫氮共渗技术对钻杆接头材料35CrMo钢进行复合处理。利用光学三维形貌仪、扫描电子显微镜、EDS能谱仪、显微硬度计和X射线衍射仪分别研究了试样的表面形貌、粗糙度、成分、硬度和相结构,并在水基钻井液润滑条件下采用环块磨损试验机考察了35CrMo钢和套管对磨副的磨损性能。结果表明,超声表面加工可以使35CrMo钢和硫氮共渗复合处理改性层的表面粗糙度均显著降低,进一步提高硫氮共渗改性层硬度,显著改善35CrMo钢的耐磨性能,并使对磨副套管的磨损率明显降低,钻杆接头和套管的磨损表面形貌也得到显著改善。

钻杆接头耐磨带材料研究进展

随着钻井技术的不断发展,对钻杆接头的防磨、减摩特性提出了更高的要求。在众多钻杆接头防磨技术中,钻杆接头耐磨带操作方便,效果最好,是减少钻杆、套管磨损的最有效措施。分析了钻杆接头耐磨带的工作原理及其对材料性能的要求,综述了国内外钻杆接头耐磨带材料研究的历史和现状,并介绍了国内外各类钻杆接头耐磨带材料的优缺点,指出了我国钻杆接头耐磨带材料研究的不足和发展方向。

表面预处理和润滑条件对硫氮共渗35CrMo磨损性能的影响

目的提高35CrMo钻杆接头和对磨套管的耐磨性能。方法采用超声表面加工处理和硫氮共渗处理技术对钻杆接头常用的35CrMo钢进行处理,研究了超声表面预处理和润滑条件对其耐磨性能的影响。利用光学三维形貌仪、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分别研究了试样的表面形貌、粗糙度、成分和相结构,采用环块磨损试验机在油基钻井液润滑和无钻井液润滑的条件下,考察了经过不同载荷超声表面加工预处理的35CrMo钻杆接头及其对磨套管的磨损性能。结果超声表面加工预处理可使35CrMo钢及其硫氮共渗处理后的表面粗糙度显著降低约80%以上。经超声表面加工预处理后,35CrMo钢硫氮共渗钻杆接头在油基钻井液润滑和干摩擦条件下的磨损率均进一步降低。在无钻井液润滑的条件下,500 N载荷超声表面加工预处理后,硫氮共渗35CrMo钢钻杆接头对磨油管磨损表面形貌的改善更显著,表面粘着和犁沟均减少。结论 35CrMo钢钻杆接头在硫氮共渗前采用超声表面加工进行预处理,可以获得更低的表面粗糙度和更高的表面硬度,在有无钻井液润滑条件下均可提高钻杆接头和套管的耐磨性能。

钻杆接头耐磨带的使用性能及其堆焊材料

分析了钻杆接头耐磨带的用途、耐磨带的性能特点及其影响因素,讨论了耐磨带堆焊材料的进展及特点,介绍了钻杆接头耐磨带堆焊材料的实际应用。结果表明,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,接头耐磨带性能的优化与改善是防止套管强烈磨损的关键技术措施。耐磨带应具有良好的耐磨性和减磨性等综合抗磨性能,材料特性是影响耐磨带性能的核心影响因素。美国ARNCO耐磨带药芯焊丝性能最好,但价格偏高;国产PT100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。

石油钻杆接头耐磨带堆焊材料的发展及应用

分析了石油钻杆接头耐磨带的工作原理、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,介绍了石油钻杆接头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。ARNCO耐磨带的优越性被应用所验证,国产PT100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。

径向振动对旋转钻柱摩阻扭矩的影响

大位移井已被广泛应用于非常规油气资源的勘探开发当中,但在大位移井大斜度稳斜段钻进过程中,如果扭矩过大易造成钻柱失效,而目前关于水平段径向振动对于旋转钻柱摩阻扭矩影响规律的研究则较少,并且多集中于产生径向振动工具研制和摩擦系数测量等方面。为此,在分析径向振动对于旋转钻柱摩阻扭矩影响原理的基础上,设计了不同型号截面外形为椭圆形的钻杆减磨接头模型;采用自行研制的减摩降扭工具性能试验装置,对不同钻速、转速条件下安装有不同钻杆接头模型的水平旋转钻柱进行扭矩测试;进而探究了径向振动对钻柱摩阻扭矩的影响规律。研究结果表明:①随钻杆接头椭圆截面长短轴半径比的增大,扭矩均值和扭矩波动最大幅值均先减小后增大,长短轴半径比为1.065时,扭矩的均值和最大幅值均明显降低,可以起到减摩降扭的作用;②减小钻速和转速,可以降低扭矩均值;③转速超过45 r/min后,扭矩最大幅值随转速的增加变化不大;④扭矩波动基频与转速呈近似线性关系,与钻速和长短轴半径比无关。结论认为,该研究成果可以为大位移井水平井钻柱接头设计与应用提供帮助。

某G105钻杆接头损坏原因分析

为了找出某油田G105钻杆内、外螺纹接头损伤原因,对现场使用的失效钻杆接头进行了宏观分析、理化性能检验、金相及显微组织分析。结果表明,受损的钻杆内、外螺纹接头的化学成分和力学性能均满足API SPEC 5DP—2009标准要求,钻杆接头主要的失效原因为粘着磨损,是在上扣过程中扭矩过大造成的,同时,螺纹脂涂抹不均匀、钻杆接头镀层质量欠佳也是造成粘着磨损的因素。

水平井套管磨损规律及防磨优化研究

在水平井钻井过程中,受造斜段井眼曲率大、水平段钻具受重力影响躺在井眼底边等原因,技术套管磨损问题极为突出,井筒完整性存在极大隐患,对水平井套管磨损及剩余强度的分析展开系统性的研究是非常有必要的。文章采用套管磨损实验和套管磨损效率预测模型相结合的方法,对技术套管的磨损厚度、磨损系数、磨损后套管的剩余强度进行了研究分析,得到了在水平井磨损系数为1.52×10^(-13)Pa^(-1)、井眼曲率在(2~6)°/30 m时的套管磨损厚度、磨损后套管的剩余抗内压强度和剩余抗外挤强度,并对磨损后套管剩余强度进行安全评价。随后从井眼轨迹优化、套管内径及钻杆接头耐磨带选择等出发,总结出水平井技术套管防磨优化建议。此项研究结果对水平井技术套管防磨设计及防磨措施具有指导意义。

带滤芯顶驱方保接头在海上油田的使用

本文介绍了一种带滤芯顶驱方保接头在海上油田的应用情况,并对应用效果进行了分析。结果表明,对于方保接头的悬挂结构及滤芯的性能可以实现双台阶密封钻杆钻井液过滤的现场要求,同时也提出了改进措施,为在海洋钻井工程领域中广泛应用奠定了基础。

主动钻杆接头金属复合陶瓷渗镀表面强化技术研究

为提高主动钻杆接头表面硬度、耐磨性等各项力学性能,采用熔盐法,以TiO_(2)粉末为原料,在氮气气氛下,将TiO_(2)粉末置于NaCl-MgCl_(2)熔盐中并加入微量Ag、Cu粉末,在500~800℃下反应16 h得到接头表面梯度氮化物陶瓷相。对强化后的接头进行表面硬度、显微组织及物相和耐磨性能等的测试和分析,结果表明,渗镀层形成了TiN及Fe_(x)Ti(Ag,Cu)强化相;表面硬度提高到1710HV0.05;比磨损率下降到0.0270 mm^(3)/(N·m);耐磨性比常规氮化的提高了1.8倍,比基体材料的提高了6.8倍。这表明与常规氮化工艺相比,金属复合陶瓷渗镀工艺可在强化表面形成多梯度渗镀层结构,具备减磨、降温、自润滑的效果,能极大提高接头表面硬度及耐磨性等各项力学性能。

钻杆接头堆焊耐磨带组织性能分析

为了解决国内钻杆接头堆焊耐磨带的耐磨及减磨性能差及国外在该领域技术垄断等问题,通过堆焊实验将自主研发的钻杆接头堆焊耐磨带合金焊材与国外该领域高端合金焊材熔覆金属的金相组织、硬度、耐磨性等综合性能进行对比,实验结果表明:自主研发的Cr5系列合金焊材堆焊的钻杆接头耐磨带的综合性能优于进口焊材,解决了国内钻杆接头堆焊耐磨带的质量短板,打破了技术封锁,可进行推广应用。