李喜成，唐習(xí)之，薛繼彪，詹 寧，張鵬翔

(1.中國石油集團西部鉆探工程有限公司國際工程公司，烏魯木齊 830000；2.中國石油集團西部鉆探工程有限公司吐哈鉆井公司，鄯善 838200)

0 引 言

磨損是導(dǎo)致石油套管失效的一個主要原因[1-4]。石油套管磨損主要是由于旋轉(zhuǎn)的鉆桿在彎曲變形或者井眼軌跡狗腿度高的情況下與套管發(fā)生接觸而引起的，鉆桿與套管之間存在的主要潤滑介質(zhì)是在二者之間循環(huán)的鉆井液。石油套管的摩擦磨損性能除了與鉆井工況有關(guān)外，還受到潤滑介質(zhì)性質(zhì)的影響[5]。油田現(xiàn)場最常用的鉆井液類型是水基鉆井液，主要由重晶石、膨潤土、水(鹽水)、處理劑等成分組成。為達到pH要求，水基鉆井液中不可避免會存在鉀鹽、鈣鹽等含氯離子的組分，而氯離子的存在會加劇石油套管的腐蝕[6-9]。在摩擦和腐蝕環(huán)境中，套管的損壞加速，破壞強度增加，更易發(fā)生擠毀、斷裂等事故，極大地降低了作業(yè)效率，給油田帶來重大經(jīng)濟損失。

目前，關(guān)于石油套管摩擦磨損行為的研究較少，已有研究也主要關(guān)注轉(zhuǎn)速等因素對石油套管干摩擦磨損行為的影響，并且大部分研究使用的材料為鋁合金、P110鋼和TP140鋼，而有關(guān)含氯離子條件下N80鋼石油套管的摩擦磨損行為研究較少[10-13]。李學(xué)順等[14]研究了不同pH的NaCl溶液對N80鋼摩擦磨損行為的影響，但所用NaCl溶液與實際工況下含氯離子鉆井液完全不同。韓成等[15]研究了鉆井液中重晶石等大顆粒對N80鋼耐磨性能和磨損機理的影響，未涉及氯離子的影響研究。

作者將石油套管用N80鋼加工成盤試樣，將石油鉆桿用G105鋼加工成銷試樣，以取自現(xiàn)場不同氯離子濃度水基鉆井液為潤滑介質(zhì)進行了銷-盤摩擦磨損試驗，研究了鉆井液中氯離子濃度對N80鋼石油套管摩擦磨損性能的影響，希望能為實際鉆井工程中減少套管磨損提供一定的指導(dǎo)。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為N80石油套管鋼，取自油田現(xiàn)場使用套管，硬度為28 HRC；G105石油鉆桿鋼取自油田現(xiàn)場使用鉆桿，硬度為45～50 HRC。將N80鋼加工成尺寸為φ36.6 mm×180 mm的盤試樣，G105鋼加工成尺寸為φ10 mm×60 mm的銷試樣，在MDW-500型摩擦磨損試驗機上進行銷-盤摩擦磨損試驗，摩擦磨損時用的基礎(chǔ)潤滑液為水基鉆井液，由油田現(xiàn)場取回，在實驗室進行氯離子濃度檢測，加入含銀離子物質(zhì)去除氯離子，當(dāng)氯離子濃度低于0.000 01 mol·L-1時視為濃度為0，再通過添加NaCl配制出氯離子濃度分別為0，0.34，0.68，1.02 mol·L-1的鉆井液。試驗機設(shè)置的接觸載荷計算公式為

F=pA

(1)

式中：F為接觸載荷；A為銷盤接觸面積；p為接觸壓力。

根據(jù)油田現(xiàn)場數(shù)據(jù)，套管和鉆桿之間的接觸壓力在4～10 MPa，則由式(1)計算得到的接觸載荷在314～785 N。將接觸載荷設(shè)置為500 N(接觸壓力約6.4 MPa)進行摩擦磨損試驗，試驗機轉(zhuǎn)速設(shè)為200 r·min-1，略高于現(xiàn)場實際轉(zhuǎn)速，這樣既能比較吻合現(xiàn)場實際轉(zhuǎn)速，又能夠縮短試驗時間，測試時長為3 600 s。用石油醚超聲清洗摩擦磨損試驗前后的試樣，稱取質(zhì)量，計算磨損率，計算公式[16]如下：

vs=Δm/(ρsf)

(2)

式中：vs為磨損率；Δm為磨損質(zhì)量損失；ρ為材料密度；s為滑動距離；f為實際施加在銷盤上的載荷，其值與F相同。

采用SuperView W1系列白光干涉儀觀察盤試樣磨損前后的三維形貌，采用Apreo 2型掃描電鏡(SEM)觀察磨損表面形貌。采用XRD-7000型X射線衍射儀(XRD)對磨損表面進行物相分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 磨損率和摩擦因數(shù)

由圖1可以看出：N80鋼盤試樣和G105鋼銷試樣的磨損率均隨著鉆井液中氯離子濃度的增加先增大后減小，且均在鉆井液氯離子濃度為0.68 mol·L-1時達到最大，分別為2.2×10-6mm3·N-1·m-1和0.13×10-6mm3·N-1·m-1；G105鋼銷試樣的磨損率比N80鋼盤試樣小很多，且氯離子濃度對G105鋼銷試樣磨損率的影響較小。

圖1 在不同氯離子濃度鉆井液中N80鋼盤試樣和G105鋼銷試樣的磨損率

試驗測得當(dāng)鉆井液中氯離子濃度為0，0.34，0.68，1.02 mol·L-1時，N80鋼盤試樣與G105鋼銷試樣摩擦副的平均摩擦因數(shù)分別約為0.22，0.31，0.85，0.72；平均摩擦因數(shù)隨鉆井液中氯離子濃度的增加呈先增大后減小的趨勢，也在0.68 mol·L-1時達到最大值。

2.2 試樣表面三維形貌

由圖2可以看出：未進行摩擦磨損試驗時，N80鋼盤試樣表面存在加工打磨造成的輕微溝壑；在未添加氯離子(氯離子濃度為0)的鉆井液中摩擦磨損后，N80鋼盤試樣表面主要形成了平行于滑動方向的犁溝；在含0.34 mol·L-1氯離子的鉆井液中摩擦磨損后，盤試樣表面除了犁溝外，還出現(xiàn)了密集的膜產(chǎn)物；當(dāng)鉆井液中氯離子濃度增加到0.68 mol·L-1時，盤試樣表面的犁溝深度增大，膜產(chǎn)物增多；當(dāng)鉆井液中氯離子濃度增加到1.02 mol·L-1時，犁溝深度減小，膜產(chǎn)物減少，并且均低于氯離子濃度為0.34 mol·L-1條件下。

圖2 在不同氯離子濃度鉆井液中摩擦磨損前后N80鋼盤試樣的表面三維形貌

2.3 磨損表面SEM形貌

由圖3可知：在未添加氯離子的鉆井液中摩擦磨損后，N80鋼盤試樣表面最光滑，磨損程度最低；在含0.34 mol·L-1和1.02 mol·L-1氯離子的鉆井液中摩擦磨損后，盤試樣的磨損表面主要存在犁溝，說明磨損機制主要為磨粒磨損，而當(dāng)氯離子濃度為0.68 mol·L-1時，盤試樣的主要磨損特征為膜產(chǎn)物和點蝕小孔，并同時伴隨有犁溝，說明磨損機制為腐蝕磨損和磨粒磨損的共同作用。

圖3 在不同氯離子濃度鉆井液中摩擦磨損后N80鋼盤試樣表面SEM形貌

由圖4可知，在不同氯離子濃度鉆井液中摩擦磨損后，G105鋼銷試樣表面都未出現(xiàn)明顯膜產(chǎn)物和孔洞，表面磨損特征主要為犁溝，表明其主要磨損機理為磨粒磨損。與圖3對比可知，G105鋼銷試樣表面犁溝較淺。

圖4 在不同氯離子濃度鉆井液中摩擦磨損后G105鋼銷試樣表面SEM形貌

2.4 盤試樣表面物相組成

由圖5可知，在不同氯離子濃度鉆井液中摩擦磨損后，N80鋼盤試樣表面物相均主要由Fe3C、CaCO3、Fe2O3、FeCl2和CaMgFe(CO)3組成，但相比于不含氯離子鉆井液條件，在含0.68 mol·L-1氯離子的鉆井液中N80鋼盤試樣表面FeCl2的含量增加，F(xiàn)e2O3的含量降低。

圖5 在不同氯離子濃度鉆井液中摩擦磨損后N80鋼盤試樣表面的XRD譜

2.5 分析與討論

當(dāng)氯離子濃度為0時，N80鋼的主要磨損機理為磨粒磨損，在含氯離子條件下，主要磨損機理為腐蝕-磨粒磨損。腐蝕-磨粒磨損是相互影響、相互增強的，即磨粒磨損的增強會加速氧化物的磨損，促進腐蝕磨損的進程，腐蝕磨損的加速也會導(dǎo)致氧化物的溶解，增強磨粒對基體的損傷[17]。

鉆井液中含有的重晶石、鉆屑等固體顆粒以及G105鋼銷試樣和N80鋼盤試樣摩擦磨損產(chǎn)生的磨屑均會起到磨粒的作用，使試樣發(fā)生磨粒磨損，表面產(chǎn)生犁溝。與盤試樣相比，銷試樣因硬度較高，磨損率較小，表面犁溝較淺。N80鋼盤試樣在試驗前難免暴露在空氣中，加之鉆井液本身就含有一定量的氧氣，所以在N80鋼的表面形成了一層主要成分為Fe2O3的氧化膜。而氯離子基于其半徑小、穿透能力強的特點，能夠優(yōu)先選擇性吸附在氧化膜上，將氧原子排擠掉，與氧化膜中的陽離子結(jié)合成可溶性氯化物[18]。當(dāng)氯離子濃度為0時，N80鋼表面的氧化膜完整，對盤與銷之間的摩擦沒有太大的影響，因此N80鋼的磨損率較低。而隨著氯離子的出現(xiàn)，N80鋼表面的氧化膜遭到破壞，不完整的氧化膜導(dǎo)致N80鋼表面變得粗糙，造成磨損率增加。氯離子濃度越高，氯離子對氧化膜的侵蝕作用越劇烈。當(dāng)氯離子濃度增加至1.02 mol·L-1后，N80鋼表面氧化膜被完全破壞，暴露出較平整的鋼基體，又導(dǎo)致了磨損率的下降。

3 結(jié) 論

(1)隨著水基鉆井液中氯離子濃度增加，N80鋼盤試樣的磨損率和盤-銷摩擦副的摩擦因數(shù)先增加后減小，且均在氯離子濃度為0.68 mol·L-1時最大，分別為2.2×10-6mm3·N-1·m-1和0.85。

(2)在不含氯離子的鉆井液中摩擦磨損后，N80鋼盤試樣的磨損機理主要為磨粒磨損，在含氯離子條件下，盤試樣表面FeCl2含量增加，F(xiàn)e2O3含量降低，磨損機理主要為腐蝕-磨粒磨損；氯離子會破壞盤試樣表面氧化膜，提高盤試樣表面粗糙度，從而提高磨損率，但當(dāng)氯離子濃度增加至1.02 mol·L-1后，氧化膜被完全破壞，盤試樣表面又變得相對平整，因此磨損率又降低。