左 斌 厚姝雅 黃世寧李 慧

1.中國石油渤海裝備第一機(jī)械廠 渤海能克鉆桿有限公司 （河北 青縣 062658）

2.中國石油渤海裝備華油鋼管有限公司 （河北 青縣 062658）

在深井、超深井、大斜度井、大位移井及水平井的鉆井過程中，由于鉆柱與井壁或套管的摩擦磨損，會導(dǎo)致鉆柱過早失效、外螺紋接頭扭斷、內(nèi)螺紋接頭漲大、刺漏等事故；同時，套管磨損會降低套管柱的抗擠強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度，造成套管柱擠毀、變形及泄漏，嚴(yán)重時造成全井報廢。因此，防止和減少此類失效事故，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程價值。

1 試驗說明

1.1 試驗材料

本文提供的試驗材料有3種（表1），分別編號為 G1（國產(chǎn)材料）、A1（日本進(jìn)口材料）和 T1（特殊材料）。

1.2 試驗方案

（1）在實(shí)物磨損試驗機(jī)上對3種試樣施以不同側(cè)向力，進(jìn)行不同時間試驗。

（2）目視檢查試樣表面裂紋情況，并用高清數(shù)碼相機(jī)照相記錄。

（3）對出現(xiàn)熱裂裂紋的試樣進(jìn)行顯微硬度分析及金相分析。

為正確對比實(shí)驗結(jié)果，3種不同材料按同一試驗條件進(jìn)行實(shí)物磨損試驗，試驗套管采用242.57mm(99″)P110套管，泥漿為密度1.05g/cm3清水泥漿，接頭旋轉(zhuǎn)速度158r/min，套管往復(fù)運(yùn)動速度6.7m/h。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗后試樣表面狀況

2.1.1 G1試樣

在經(jīng)過側(cè)向力1490kg/m，時長20min的磨損試驗后，試驗表面已失去光澤，呈現(xiàn)出較多點(diǎn)狀磨痕，這表明試樣和套管磨損過程已經(jīng)開始發(fā)生。側(cè)向力增加到4470kg/m，20min后,試樣上部表面能清晰看到摩擦引起的深色條帶。當(dāng)側(cè)向力增加7450kg/m，20min后，試樣表面出現(xiàn)更深的磨痕，且磨痕區(qū)域變大。在7450kg/m側(cè)向力下保持4h的磨擦，試樣表面呈深褐色，較為粗糙，在試樣上部邊緣，出現(xiàn)了眾多細(xì)小裂紋，裂紋方向為縱向，長度大約5～8mm，間距約1mm，呈環(huán)狀均勻分布（圖1）。初步判定，這些裂紋即為摩擦熱裂紋。

表1 3種材料力學(xué)性能對比

2.1.2 A1試樣

經(jīng)過側(cè)向力1490kg/m，時長20min的磨損試驗后，試樣表面已經(jīng)變暗。側(cè)向力升高到4470kg/m，20min后，整個表面已沒有光澤，變得粗糙，靠近上部邊緣的地方，有幾道明顯條帶，表明該處磨損更加嚴(yán)重。升高側(cè)向力至7450kg/m，20min后，試樣表面更加粗糙，之前磨損嚴(yán)重的條帶變得更寬，數(shù)目也增多，由于泥漿滲入表面因摩擦形成的凹坑中，表面磨損較嚴(yán)重的地方呈現(xiàn)深褐色，試樣表面還出現(xiàn)一些較亮沿周向延伸的連續(xù)斑紋，這是粘著磨損所致，套管材料在摩擦高溫下與試樣發(fā)生了熔焊，殘留在了試樣上。保持側(cè)向力7450kg/m，4h后，整個試樣表面磨損嚴(yán)重，存在很多微小凹坑，很多地方表面材質(zhì)已經(jīng)剝落，但未見G1試樣中所見裂紋（圖2）。

2.1.3 T1試樣

隨著加載側(cè)向力的增大和試驗時間的延長，試樣的表面持續(xù)惡化，變得越來越粗糙，特別是在經(jīng)歷7450kg/m側(cè)向力，4h試驗后，試驗表面出現(xiàn)眾多小凹坑，發(fā)亮斑紋也比A1面積更廣，這表明T1試樣的粘著磨損更嚴(yán)重。另外，T1試樣表面未出現(xiàn)明顯的環(huán)帶狀區(qū)域，說明它的磨損較為均勻。與A1試樣一樣，在T1試樣表面也未發(fā)現(xiàn)和G1相似的熱裂紋（圖 3）。

2.2 鉆桿接頭磨損量

3種材料試樣的磨損量如表2所示。從表2中數(shù)據(jù)可知，試樣磨損量均比較輕微，最大為0.38mm，和實(shí)際鉆進(jìn)條件相比，試驗時間顯得過短。

表2 3種試樣磨損量對比

2.3 磨損系數(shù)計算

接頭和套管摩擦接觸后產(chǎn)生的磨損溝槽呈不規(guī)則形狀，而非理想的月牙狀，其寬度和深度隨摩擦?xí)r間的延長而發(fā)生變化，在溝槽的3個不同部位進(jìn)行測量，并將試驗數(shù)據(jù)及其他參數(shù)輸入磨損試驗機(jī)附帶數(shù)據(jù)分析軟件，可計算得出相關(guān)磨損數(shù)據(jù)（如磨損深度、磨損體積、摩擦系數(shù)和磨損系數(shù)等）。3個試樣經(jīng)計算得出的摩擦系數(shù)相同，均為0.34。3個試樣對套管的磨損系數(shù)分別是:G1為16.27,A1為22.16，T1為22.21（單位均為1.4×10-8MPa）。由計算數(shù)據(jù)也可以得出3個試樣對套管的磨損深度隨試驗時間的變化曲線（圖4）。

從圖4可以看到:隨著試驗時間的增加，套管磨損量不斷增大；初始時雖然側(cè)向力和加載時間都不大，但磨損深度增加的都很迅速，時間延長，側(cè)向力加大后，磨損深度增加幅度呈放緩態(tài)勢，這主要是因為隨著磨損過程的深入，套管和試樣的接觸面積越來越大，摩擦系數(shù)降低，磨損量減小，磨損速率也逐漸趨于穩(wěn)定。3種試樣的摩擦性能存在差異，在相同實(shí)驗條件下，G1試樣明顯比A1和T1試樣更耐磨，如果排除人為試樣裝卡和試驗用套管微小差異等原因，可以斷定引起上述差異的原因為試樣材質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)的不同。

2.4 熱裂紋的形貌

為了對G1試樣中出現(xiàn)的熱裂紋進(jìn)行深入分析，從G1試樣上切割包含裂紋的小塊材料，進(jìn)行金相試驗。在金相顯微鏡下觀察，共看到7條裂紋，裂紋最長約200μm，走向大致與試樣表面呈45°角，裂紋典型形貌如圖5所示。圖5（a）中包含1條裂紋，圖5（b）則是無裂紋情況下的組織。從圖5中可以看出，磨損試驗之后，試樣的組織發(fā)生了改變，僅影響到表層約200μm的深度。

2.5 磨損后顯微硬度的變化

為了考察磨損試驗對試樣硬度的影響，從G1試樣上取樣進(jìn)行了顯微維氏硬度試驗。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以繪出對應(yīng)硬度曲線（圖6）。曲線橫坐標(biāo)為距試樣表面距離，縱坐標(biāo)為測試點(diǎn)顯微維氏硬度值。從該曲線上，可以清楚地看到:從表面至距表面0.17mm處，硬度值逐漸下降，從初始的HV0.2值405降至313，之后隨著距離增大逐漸趨于穩(wěn)定，雖有小范圍波動，但大致在330左右。該曲線反映出了硬度的變化趨勢，即在試樣表層約0.2mm深度內(nèi)硬度逐漸降低，之后變化幅度不大，趨于穩(wěn)定。結(jié)合硬度值，可以斷定:最表層白亮組織是一種復(fù)雜的多相的高彌散組織，應(yīng)該以馬氏體為主，這是試樣與套管摩擦過程產(chǎn)生的大量熱量將表層組織加熱至相變點(diǎn)以上，隨之經(jīng)泥漿快速冷卻（這相當(dāng)于二次淬火）所形成，HV0.2值應(yīng)該可達(dá)700以上；過渡層為超高溫回火層，這是摩擦熱未超過材料相變溫度，但超過材料回火溫度的產(chǎn)物，該組織會使材料硬度降低，甚至小于基體硬度；由于摩擦熱影響范圍有限，內(nèi)部基體組織未達(dá)到回火或相變溫度，因而依舊保持著在制造過程中淬火+回火所形成的索氏體組織，HV0.2值330左右。

3 結(jié) 論

通過對3種不同材料鉆桿內(nèi)螺紋接頭試樣進(jìn)行實(shí)物磨損試驗，并用多種手段對試驗結(jié)果進(jìn)行分析討論，得出以下結(jié)論:

（1）G1試樣在經(jīng)歷側(cè)向力1490kg/m、4470kg/m和7450kg/m各20min，隨后保持側(cè)向力7450kg/m時長4h的磨損試驗后，表面局部區(qū)域出現(xiàn)摩擦熱裂紋。在上述相同條件下，A1和T1試樣未產(chǎn)生熱裂紋。

（2）試驗后，G1試樣磨損量為0.14mm，A1試樣磨損量為0.38mm，T1試樣磨損量為0.30mm。

（3）3個試樣對套管的磨損系數(shù):G1為16.27,A1 為 22.16，T1 為 22.21 （單位均為 1.4×10-8MPa）。G1試樣對套管的磨損量遠(yuǎn)小于T1和A1試樣。

（4）側(cè)向力對熱裂有重要影響，增大側(cè)向力可以顯著縮短產(chǎn)生熱裂紋的時間，井身狗腿度大、接頭受側(cè)向力就大，容易發(fā)生摩擦熱裂。材質(zhì)本身性能對熱裂有一定影響。

（5）通過降低狗腿度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)等方式可以降低側(cè)向力，進(jìn)而減輕熱裂傾向[1]。改進(jìn)材料化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，可能改善其抗熱裂性能。提高材料橫向沖擊性能，能阻止摩擦熱裂紋的擴(kuò)展。

[1]李鶴林,李平全,馮耀榮.石油鉆柱失效分析及預(yù)防[M].北京:石油工業(yè)出版社,1999.