鉆井工況下鈦合金鉆桿與鋼制鉆桿摩擦磨損性能對比研究*

張益銘,劉 強,李 寧,王林峰,趙密鋒,謝俊峰,胡芳婷,郭文婷,陳家磊,祝國川

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司,國家市場監(jiān)管重點實驗室(石油管及裝備質量安全) 陜西 西安 710077; 2.西安理工大學材料科學與工程學院 陜西 西安 710048; 3.塔里木油田公司油氣工程研究院 新疆 庫爾勒 841000; 4.中國石油長慶油田公司 陜西 西安 710021; 5.中國石油集團測井有限公司長慶分公司 陜西 西安 710201 )

0 引 言

隨著我國油氣開發(fā)不斷向深井超深井、“三高”井和大位移水平井等非常規(guī)油氣資源發(fā)展,對石油管材的要求也不斷增高[1-2]。特別是我國西部的主力油田,如塔里木油田、中石化西北局等,開采工況已達超深(平均為6 800、7 000 m以上超深井比例達到55%,局部達到近9 000 m),井底高溫(150～170 ℃,局部190 ℃),超高壓(井口壓力達到110～130 MPa),高腐蝕(高含Cl-達到15×104,CO2分壓超過1 MPa)、勘探開發(fā)周期長,井底壓力系數(shù)高,儲層物性差,特別是最新在塔里木盆地克拉蘇構造帶西部發(fā)現(xiàn)的超深、高壓、高產(chǎn)、優(yōu)質整裝達1 000×108m3的博孜9凝析氣藏[3],完鉆深度達到了近8 000 m,井底壓力達到近140 MPa,勘探開發(fā)難度巨大。在這種超深井的工況下鋼制鉆柱的載荷極大,鉆柱在井下承受的拉伸/壓縮、內(nèi)壓/外壓、彎曲、磨損、旋轉疲勞、溫差應力等復雜復合載荷對鉆柱的結構完整性和使用壽命帶來了嚴峻的挑戰(zhàn),從而使超深超高壓井的鉆井面臨多壓力系統(tǒng)、漏噴同存等問題,導致事故頻發(fā)、鉆井周期長、成本高,已經(jīng)成為嚴重制約勘探開發(fā)進程和效益的瓶頸。

近年來,隨著海綿鈦成本降低,同時鈦合金由于本身材料特性還有很多鋼鐵無法達到的優(yōu)秀性能,已成為高端石油管材料的研究熱點[4-7]。美國等國家于上世紀末率先開發(fā)出鈦合金鉆桿產(chǎn)品,在北美洲進行了大量深井和超短半徑水平井的開采[8-10],同時配套移動式鉆機裝配完成叢式井快速鉆井,可節(jié)省投資30%[11-12]。鈦合金管柱在井下可以承受500 ℉的高溫,同時考慮25%壁厚減薄條件下,鈦合金管的安全系數(shù)是鉻鋼/鎳基管柱的3.5倍[13-14]。

在深井和超深井鉆探過程中,在鉆井液的介質條件下鉆桿在井下高速鉆進中與地層巖石等發(fā)生激烈的摩擦和碰撞,當鈦合金用于超短半徑井鉆井時,鉆桿與鋼制套管也會發(fā)生沖擊和摩擦,這些工況需求對鈦合金鉆桿的耐磨性和使用壽命提出較大的挑戰(zhàn),吳松波[15]等研究了不同硬質沙粒對TC4鈦合金沖擊磨損的損傷行為,結果顯示在沖擊過程中硬質沙粒會不斷切削、擠壓鈦合金表面,造成較大的材料損失,磨損機制主要表現(xiàn)為微觀切削和擠壓剝落;劉勇等[16]研究了在空氣和真空條件下對鈦合金的磨損性能,結果表明在空氣中磨損后鈦合金在較高滑動速度下出現(xiàn)顯微裂紋;李新星等[17]研究了兩種鈦合金在空氣、水和海水中不同滑動速度下磨損行為和機制,發(fā)現(xiàn)鈦合金不一定具有較差的耐磨性,而是隨滑動條件變化呈現(xiàn)出兩種磨損狀態(tài):輕微磨損和嚴重磨損。但是,在標準試驗條件和石油鉆井工況下鈦合金鉆桿用材料的摩擦磨損性能研究鮮見報道,鈦合金在不同介質中的摩擦學特征缺乏研究,與鋼鉆桿材料的磨損性能也沒有對比研究,為鈦合金鉆桿的使用和壽命帶來較大的安全隱患。本文通過選取典型的鈦合金鉆桿材料,分別在標準試驗條件和鉆井液工況下對鈦合金和鋼制鉆桿的摩擦磨損性能進行對比分析,研究在深井鉆采工況下的鈦合金鉆桿磨損行為和機制,為鈦合金鉆桿的設計和應用提供參考。

1 材料及方法

試驗選用國內(nèi)某企業(yè)所制備的Φ88.9 mm×9.35 mm鈦合金鉆桿材料,實測室溫下管體屈服強度為873 MPa,抗拉強度為911 MPa,伸長率為13.5%,化學成分見表1,金相組織為魏氏體;對比用的鋼制鉆桿材料室溫下屈服強度為931 MPa,抗拉強度為1 051 MPa,伸長率為13.5%,力學性能均滿足API SPEC 5DP標準[18]要求,鋼制鉆桿材料的顯微組織為回火索氏體,化學成分見表2,鈦合金和鋼制鉆桿材料的金相組織如圖1所示。

圖1 試驗用鉆桿材料的金相組織

表1 試驗用鈦合金鉆桿材料化學成分(質量分數(shù)) %

表2 試驗用鋼制鉆桿材料化學成分(質量分數(shù)) %

分別在鈦合金鉆桿和鋼制鉆桿上截取20 mm×20 mm×5 mm的試樣,使用400～2000#水砂紙磨制,使試樣表面磨至粗糙度一致(Ra≈0.25 μm),利用超聲波清洗機+丙酮試劑將材料表面的油污及指紋等清洗干凈,并利用分析天平對試樣稱重,采用WS-2005涂層附著力自動劃痕儀分別對鈦合金鉆桿和鋼制鉆桿試樣表面進行試驗,劃痕長度5 mm,壓頭力范圍從0增大到80 N,每個試樣重復5次取平均值,使用RB2002型顯微硬度試驗機分別測量試樣的顯微硬度,壓力載荷為300 Gf,保荷時間為15 s。

沖擊磨損:為了模擬井下巖石碎屑等對鉆桿材料的沖擊磨損過程,使用MLD-10型動載磨料磨損試驗機分別以50、100和200次/min的沖擊頻率使用100 kN的沖錘,在粒度為24的棕剛玉磨料環(huán)境中對試樣進行沖擊磨損試驗,試驗時間為30 min,測試試驗前后的磨損量差異。

往復磨損:為了模擬不同鉆桿材料井下與巖石、金屬對磨的磨損狀態(tài),對磨材料分別為SiC(比重為3.20～3.25 g/cm3,洛氏硬度在83HRC左右,顯微硬度為3 100 kg/mm2)和GCr15鋼球(硬度62HRC),使用MSR-2T型電化學往復摩擦磨損試驗儀分別在5、10和20 N的載荷下用不同鉆桿材料與對磨材料進行反復磨損試驗,計算不同試驗條件下的摩擦系數(shù)和磨損量。

模擬工況摩擦磨損試驗:考慮在實際工況下,鉆桿與井下巖石、金屬等摩擦接觸過程中有液體介質的存在,是一個介質環(huán)境作用+摩擦磨損的耦合作業(yè)過程,因此選取與往復磨損相同的摩擦副條件,在現(xiàn)場取的水基鉆井液和油基鉆井液的環(huán)境下進行摩擦磨損試驗,水基鉆井液的成分見表3。載荷統(tǒng)一設定為20 N,研究標準試驗條件和鉆井液工況下的2種材料的摩擦磨損性能。

表3 試驗用水基鉆井液化學成分 mg/L

磨損試驗后,使用酒精清洗表面,并使用超聲波清洗機+丙酮試劑清洗風干后,用分析天平對試樣稱重,使用TESCAN-VEGAⅡ掃描電鏡和OXFORD-INCA350型能譜儀進行磨損形貌和磨屑進行觀察分析,使用ZESIS Smart Z00n5超景深光學數(shù)碼顯微鏡和奧林巴斯OLS 4100激光共聚焦顯微鏡對磨損表面掃描分析。

2 結果與討論

2.1 表面劃痕與硬度試驗

圖2為鈦合金鉆桿和鋼制鉆桿極限載荷劃痕試驗結果及表面劃痕形貌。

圖2 極限載荷劃痕試驗結果

從圖2中可以看出,2種材料的極限劃痕載荷差異較大,鈦合金的載荷最強峰出現(xiàn)在57.5 N左右,而鋼制鉆桿的出現(xiàn)在37 N左右。從結合強度對比可以看出,鋼制鉆桿表面的結合強度為3 780 MPa,遠遠高于鈦合金材料的1 080 MPa,結合硬度測試結果表明鋼的硬度更高,具有更好的抵抗塑性變形能力。

2.2 沖擊磨損試驗

圖3分別為鈦合金鉆桿和鋼制鉆桿分別在50、100和200 r/min 3種不同沖擊頻率下磨損量隨沖擊時間的變化趨勢圖。從圖3中可以看出,2種材料均隨著沖擊磨損試驗時間的延長,磨損量逐步增大。鈦合金鉆桿材料在前5 min,磨損量變化的幅度不大,5 min后到15 min試驗時間,磨損量顯著比前5 min增長了3倍,隨著試驗繼續(xù)進行,磨損量進一步增大到2倍以上,而鋼鉆桿材料在前20 min磨損量的變化不大,當試驗時間超過20 min后,磨損量才有顯著上升,且對比鈦合金鉆桿材料其磨損量更少,說明鋼制鉆桿的耐沖擊磨損性能要優(yōu)于鈦合金鉆桿。

圖3 沖擊磨損試驗中磨損量隨時間的變化

對比不同沖擊頻率對兩種材料的磨損量影響,可以看出當沖擊頻率為50 r/min時,鈦合金鉆桿除了在更短時間內(nèi)出現(xiàn)顯著磨損外,2種材料的最終磨損量差異不大,而當沖擊頻率增加到100 r/min時,2種材料的磨損量在試驗中均是最高的,同時鈦合金鉆桿的最終磨損量高出鋼制鉆桿的40%。當沖擊頻率進一步增加到200 r/min時,2種材料的最終磨損量差距卻顯著減低,說明鉆桿材料的耐沖擊磨損性能受沖擊頻率的影響較大,鈦合金鉆桿材料在100 r/min的頻率下耐沖擊磨損性能顯著低于鋼制鉆桿,而在低頻率和高頻率沖擊磨損下,鈦合金鉆桿材料與鋼制鉆桿材料耐磨性的差異不明顯。

對2種材料經(jīng)過100 r/min沖擊頻率試驗后的表面形貌進行觀察,表面狀態(tài)對比情況如圖4所示?？梢钥闯?鈦合金鉆桿材料在磨損深度和表面粗糙度要顯著大于鋼制鉆桿,對磨損表面放大進行觀察可以看出,經(jīng)過100 r/min沖擊頻率試驗后,鈦合金材料的磨損表面磨損出的犁溝粗且較深,表面有明顯的被棕剛玉磨料沖擊形成的小坑,在小坑的周圍發(fā)現(xiàn)了明顯的塑性變形,有少數(shù)磨料可能被鑲嵌在材料表面中,且周圍還有細小的裂紋存在,如圖4(a)中箭頭所示。而鋼制鉆桿的磨損表面較為平直,磨痕相對較為細小且淺,表面依然也存在被磨料沖擊形成的小坑,但是坑的深度和面積比鈦合金鉆桿材料要小很多。

圖4 沖擊頻率為100 r/min下表面狀態(tài)對比

2.3 往復磨損試驗

圖5為鈦合金鉆桿和鋼制鉆桿分別與GCr15鋼球和SiC對磨材料在5、10和20 N載荷下的摩擦系數(shù)隨時間變化曲線。從圖中可以得出,在摩擦的初始階段,2種材料的摩擦系數(shù)迅速增大,鈦合金鉆桿材料的摩擦系數(shù)約為0.45～0.55,而鋼鉆桿材料的摩擦系數(shù)為0.7～0.8。這是由于初始摩擦破壞了材料表面的氧化膜,2種材料接觸后表面粘著迅速增大,引起了摩擦系數(shù)的迅速上升[19]。

圖5 不同鉆桿材料摩擦系數(shù)隨時間變化曲線

隨著摩擦的進一步進行,2種鉆桿材料的摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)先略為降低,然后逐步緩慢升高并穩(wěn)定的趨勢,但在不同對磨材料摩擦下有所區(qū)別。當與GCr15鋼球對磨時,隨著載荷的不斷提高,兩種材料的摩擦系數(shù)不斷升高,鈦合金鉆桿材料的摩擦系數(shù)從載荷為5 N時的0.47逐步增大到20 N載荷下的0.56,對比鋼鉆桿在相同載荷下的摩擦系數(shù)為0.63 和0.81?？梢?試驗用鈦合金材料的摩擦系數(shù)顯著小于鋼制鉆桿材料,并且隨著載荷的增加2種材料間的摩擦系數(shù)差距在不斷增大,如圖6(a)所示。同時可以發(fā)現(xiàn)隨著載荷的增大,2種材料在摩擦試驗過程中均出現(xiàn)了明顯的摩擦振動現(xiàn)象,載荷為20 N時最為明顯。

圖6 不同鉆桿材料對磨的平均摩擦系數(shù)對比

當2種材料與SiC材料進行摩擦試驗時,鋼制鉆桿的摩擦系數(shù)依然高于鈦合金鉆桿材料,但隨著載荷的不斷提高,鋼制鉆桿的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)由5 N時的0.995降低到10 N時的0.77,再升高到20 N時的0.83的變化,說明鋼制材料摩擦系數(shù)對載荷的敏感性較大,并且在低載荷下隨著摩擦時間的增長摩擦系數(shù)顯著增加,摩擦振動現(xiàn)象也較為明顯。而鈦合金鉆桿材料的摩擦系數(shù)隨載荷變化不大,3種載荷下基本穩(wěn)定在0.55～0.57左右,略高于和GCr15鋼球對磨時的摩擦系數(shù),如圖6(b)所示。在較高載荷下,鈦合金鉆桿材料與鋼制材料的摩擦系數(shù)差距不大,并且摩擦振動現(xiàn)象也小于對磨材料為GCr15鋼球時的摩擦振動。

對不同載荷下往復磨損試驗后的試樣表面磨損形貌進行SEM分析,結果如圖7和圖8所示。從表面形貌可以看出,與兩種對磨材料摩擦磨損過程中,鈦合金鉆桿材料表面均呈現(xiàn)出較深且明顯的磨痕,在磨痕的邊緣均出現(xiàn)明顯由于塑性延展變形而產(chǎn)生的白色條狀亮帶。當與GCr15鋼球摩擦時,隨著載荷的不斷增大,表面松散的磨屑數(shù)量越來越多,并且磨屑顆粒的大小也逐步增大,這是由于鈦合金材料具有較大的加工硬化率,在往復磨損過程中,鈦合金的氧化層在高載荷下發(fā)生破裂和脫落,形成較多的片狀或者粒狀磨屑[20],同時對磨材料GCr15表面也會產(chǎn)生一定的磨痕并粘接一定的磨屑,這些磨屑在后續(xù)摩擦試驗過程中被GCr15表面的磨痕擠壓和推動,形成第三體磨粒加速磨損,從而在鈦合金表面形成了明顯的溝壑,形成磨粒磨損[21],并伴隨有少量表面區(qū)域的粘接剝落和微裂紋,如圖7(c)所示,這也是產(chǎn)生摩擦系數(shù)中較大振幅的額外原因;而當對磨材料為SiC時,SiC表面硬度遠高于GCr15鋼球,堅硬的SiC磨球在鈦合金表面直接進行較深地犁削而形成深而窄的犁溝,并且隨著載荷的增加變化不明顯,表面磨粒較少,為典型的粘著磨損[22],如圖8(a)～(c)所示。

圖7 鈦合金鉆桿(a) (b) (c)和鋼制鉆桿(d) (e) (f)與GCr15對磨在不同載荷下的磨痕形貌

圖8 鈦合金鉆桿(a) (b) (c)和鋼制鉆桿(d) (e) (f)與SiC對磨在不同載荷下的磨痕形貌

對比相同試驗條件下的鋼制鉆桿表面磨損形貌,2種對磨材料磨損后,鋼制鉆桿材料表面的磨痕相對于鈦合金來說要小,沒有發(fā)生明顯的塑性延展變形,材料表面均呈現(xiàn)大塊片狀層脫落,并且脫落的面積和數(shù)量隨著載荷的增加而增加,磨損表面沒有發(fā)現(xiàn)明顯的磨粒和磨屑,這是由于鋼制鉆桿接頭材料表面硬度較高,同時鋼鐵材料的導熱性能優(yōu)于鈦合金,粘性小,不容易產(chǎn)生表面的塑性變形。此外,對磨材料摩擦脫落后不容易嵌入材料表面也避免了進一步造成材料表面形貌的惡化,見圖7(d)～(f)和圖8(d)～(f)。

對2種鉆桿材料往復磨損后的磨損量進行對比,結果如圖9所示,鈦合金鉆桿在不同對磨材料和載荷下磨損量均大于鋼制鉆桿,并且磨損量隨著載荷的增大而增大,與SiC對磨時的磨損量要低于和GCr15對磨時的磨損量。鋼制鉆桿材料在與GCr15高載荷對磨和SiC低載荷對磨時磨損量顯著低于鈦合金,其他工況下差距不大。

圖9 不同鉆桿材料磨損量隨不同試驗條件下變化

2.4 模擬工況摩擦磨損試驗

2種鉆桿材料分別在空氣中、水基鉆井液和油基鉆井液中的摩擦系數(shù)如圖10所示。

圖10 鈦合金鉆桿(a)(c)和鋼制鉆桿(b)(d)與GCr15(a)(b)及SiC(c)(d)對磨在不同工況下的摩擦系數(shù)

從圖10中可以看出,在不同工況環(huán)境下進行摩擦試驗時,鈦合金鉆桿材料和鋼制鉆桿表現(xiàn)出顯著不同的摩擦特性,無論是與GCr15和SiC對磨時,兩種鉆桿材料在空氣中的摩擦系數(shù)均較高,而在水基鉆井液和油基鉆井液中的摩擦系數(shù)顯著降低,但是又有所不同:鋼制鉆桿與GCr15和SiC對磨時在油基鉆井液中的摩擦系數(shù)最低,只有0.15左右,而鈦合金鉆桿在與兩種對磨材料對磨時,在水基鉆井液的摩擦系數(shù)顯著低于其他兩種工況,平均摩擦系數(shù)分別為0.31(與GCr15對磨)和0.19(與SiC對磨),說明鈦合金鉆桿材料在水基鉆井液中的摩阻更小,特別是在與SiC對磨時(模擬與巖石摩擦過程)的摩擦系數(shù)更低,并且接近于鋼制鉆桿在油基鉆井液中的性能(摩擦系數(shù)0.16),這與Jackie E.Smith等人[23]的研究結果認為鈦合金鉆桿鉆井更適合使用水基鉆井液的結論相一致。同時可以發(fā)現(xiàn),兩種鉆桿材料在水基鉆井液和油基鉆井液中的摩擦振動現(xiàn)象均大幅減小,鈦合金更適用于水基鉆井液,鋼制鉆桿更適用于油基鉆井液。

對不同工況試驗后的磨痕進行對比分析如圖11所示。可以看出在空氣中,鋼制鉆桿與GCr15和SiC對磨時磨痕的深度和寬度略大于鈦合金鉆桿材料,特別是在與SiC對磨時較為明顯,磨痕的深度和寬度達到32 μm和932 μm。當在油基和水基鉆井液環(huán)境下試驗時,鋼制鉆桿的磨痕尺寸要顯著小于鈦合金鉆桿材料,其中在油基鉆井液中的磨痕尺寸最小,磨痕最小的深度和寬度分別只有3 μm和166 μm,具有較好的減阻能力;鈦合金鉆桿材料在工況介質中的磨痕尺寸小于空氣中的磨痕,在水基鉆井液中的磨痕尺寸最小,其中與SiC對磨時磨痕的深度和寬度只有11 μm和464 μm,說明鈦合金材料在水基鉆井液條件下和巖石摩擦時的耐磨性能最強、摩擦系數(shù)最低,和上文摩擦系數(shù)分析結果保持一致,因此使用鈦合金鉆桿鉆井時推薦使用水基鉆井液。

對比鈦合金鉆桿和鋼制鉆桿在模擬鉆井工況下的綜合摩擦磨損性能,可以看出在井下含鉆井液的工況環(huán)境中與鋼材對磨時,鈦合金鉆桿的耐摩擦磨損性能不如鋼制鉆桿;當與巖石材質對磨時,在油基鉆井液工況環(huán)境下,鈦合金鉆桿的摩擦系數(shù)高于鋼制鉆桿,耐摩擦磨損性能不如鋼制鉆桿,而在水基鉆井液中對磨時,鈦合金鉆桿的摩擦系數(shù)低于鋼制鉆桿,但是磨損量仍然大于鋼制鉆桿,因此為了鈦合金鉆桿在現(xiàn)場的應用和推廣,需要提高鈦合金材料的耐磨性能或進行適當?shù)谋砻鎻娀幚?提高鈦合金鉆桿在實際應用中的耐磨性能。

3 結 論

本文通過在標準試驗條件和鉆井液工況下對鈦合金和鋼制鉆桿進行表面劃痕與硬度試驗、沖擊磨損試驗、往復摩擦試驗和模擬工況摩擦磨損試驗,并對2種鉆桿材料的摩擦磨損性能進行對比分析,得出以下結論:

1)試驗用鋼制鉆桿的抗極限劃痕載荷和硬度均高于試驗用鈦合金鉆桿,具有良好的抵抗塑性變形能力。

2)不同頻率下沖擊磨損試驗表明,鉆桿材料的耐沖擊磨損性能受沖擊頻率的影響較大,鈦合金鉆桿材料在100 r/min沖擊頻率下耐沖擊磨損性能顯著低于鋼制鉆桿,而在較低和高頻率沖擊磨損下,鈦合金鉆桿材料與鋼制鉆桿材料耐磨性的差異不明顯。

3)不同環(huán)境和對磨材料對兩種鉆桿材料的磨損性能影響較大,空氣中的鈦合金鉆桿材料的摩擦系數(shù)顯著小于鋼制鉆桿,但在油基和水基鉆井液中,鈦合金材料的耐磨損性能均低于鋼制鉆桿;當與GCr15材料對磨時,鈦合金材料摩擦系數(shù)較高,磨損量、摩擦系數(shù)和摩擦振動均隨著載荷的增大而增大,磨損機制主要為磨粒磨損,而當與SiC對磨時,鈦合金鉆桿在水基鉆井液中的摩擦系數(shù)低于鋼制鉆桿,摩擦磨損性能隨著載荷的變化不明顯,磨損機制為典型的粘著磨損。

4)試驗用鈦合金材料在水基鉆井液條件下和巖石摩擦時的耐磨性能最強、摩擦系數(shù)最低,因此在使用鈦合金鉆桿鉆井時推薦使用水基鉆井液。

5)今后需要提高鈦合金材料的耐磨性能或進行適當?shù)谋砻嫣幚韽娀?提高鈦合金鉆桿在實際工況應用中的耐磨性能。