鉆桿接頭耐磨帶材料研究進(jìn)展

王鎮(zhèn)全，張　凱，王德國(guó)，趙　波

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) a.石油工程學(xué)院；b.機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)①

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鉆桿接頭耐磨帶材料研究進(jìn)展

王鎮(zhèn)全a，張凱b，王德國(guó)b，趙波b

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) a.石油工程學(xué)院；b.機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)①

摘要：隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)鉆桿接頭的防磨、減摩特性提出了更高的要求。在眾多鉆桿接頭防磨技術(shù)中，鉆桿接頭耐磨帶操作方便，效果最好，是減少鉆桿、套管磨損的最有效措施。分析了鉆桿接頭耐磨帶的工作原理及其對(duì)材料性能的要求，綜述了國(guó)內(nèi)外鉆桿接頭耐磨帶材料研究的歷史和現(xiàn)狀，并介紹了國(guó)內(nèi)外各類(lèi)鉆桿接頭耐磨帶材料的優(yōu)缺點(diǎn)，指出了我國(guó)鉆桿接頭耐磨帶材料研究的不足和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：鉆桿接頭；耐磨帶；材料

隨著油氣田勘探開(kāi)發(fā)鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，深井、大位移井、水平井、多分支井、大斜度井等復(fù)雜井身結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，石油鉆井過(guò)程中地層結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，其中強(qiáng)研磨性地層的數(shù)量急劇增加，這都對(duì)鉆桿的防磨與減摩特性提出了更高的要求。

鉆桿接頭是鉆桿的重要組成部分，采用較大壁厚，接頭外徑大于鉆桿本體外徑，用以連接鉆桿形成管柱。在鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)井斜角較大或鉆柱受到側(cè)向力作用時(shí)，鉆桿接頭與井壁或套管內(nèi)壁接觸摩擦，造成鉆桿接頭和套管壁的雙向磨損。目前，鉆桿接頭防磨技術(shù)主要有：鉆桿接頭耐磨帶、鉆桿膠皮護(hù)箍、旋轉(zhuǎn)鉆柱接頭、鉆桿保護(hù)器等，其中鉆桿接頭耐磨帶操作方便，效果最好，是減少鉆桿、套管磨損的最有效措施。

在研磨性較強(qiáng)的地層中，常規(guī)材料鉆桿接頭的耐磨帶磨損嚴(yán)重，使得鉆桿的使用壽命顯著降低，脹扣、脫扣、斷鉆桿等井下事故明顯增加，鉆桿接頭的返修率急劇升高，維修費(fèi)用和鉆桿報(bào)廢量急劇增加。在井身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的井中，由于套管層次多、鉆柱變形彎曲嚴(yán)重，常規(guī)材料鉆桿接頭耐磨帶對(duì)套管的磨損比較大，起不到防磨保護(hù)的作用。

隨著鉆桿接頭耐磨帶材料在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題的逐步解決，新型耐磨帶材料不斷被推出，耐磨帶的材料品種也越來(lái)越豐富。本文綜合評(píng)述鉆桿接頭耐磨帶材料的發(fā)展及其應(yīng)用，為推動(dòng)鉆桿接頭耐磨帶技術(shù)的進(jìn)一步完善具有重要意義。

1鉆桿接頭耐磨帶對(duì)材料性能的要求

耐磨帶是在鉆桿接頭、鉆鋌或加重鉆桿上固定一層硬化層。該硬化層將鉆桿接頭與套管或井壁隔離，具有一定的硬度，可保護(hù)鉆桿接頭。摩擦因數(shù)低于鉆桿接頭，可減少對(duì)套管的磨損。耐磨帶通常采用惰性氣體保護(hù)焊工藝固定在鉆桿母接頭末端，如圖1。

圖1　鉆桿耐磨帶焊接過(guò)程及焊接完成后的耐磨帶

鉆桿接頭耐磨帶早在20世紀(jì)30年代就已出現(xiàn)，早期主要用來(lái)保護(hù)鉆桿和其他工具免受磨粒磨損，延長(zhǎng)使用壽命。但是隨著大位移井、水平井、高溫高壓井等復(fù)雜井的增加，鉆桿接頭耐磨帶對(duì)套管磨損嚴(yán)重，套管失效事故增加，每年給油田造成上百萬(wàn)美元的維修、側(cè)鉆甚至全井報(bào)廢成本。此后，新型耐磨帶注重減輕鉆柱在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和起下鉆過(guò)程中對(duì)套管的磨損，與此同時(shí)卻犧牲掉了耐磨帶對(duì)鉆桿接頭的保護(hù)作用。20世紀(jì)90年代中期，由于鉆桿的價(jià)格、運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸成本增加，人們開(kāi)始重新重視耐磨帶對(duì)鉆桿的保護(hù)作用，新的“套管友好型”耐磨帶引入到鉆井工業(yè)中。經(jīng)過(guò)近20 a的發(fā)展，耐磨帶材料已經(jīng)可以有效地解決套管、隔水管和鉆桿接頭的磨損問(wèn)題[1-7]。

鉆桿接頭耐磨帶材料必須同時(shí)具有3方面的性能：

1)耐磨性。該材料耐磨帶在裸眼井壁中抵抗地層巖石磨損的能力。

2)減摩性。該材料耐磨帶可以將其對(duì)套管的磨損控制在可以接受的范圍內(nèi)。

3)摩擦因數(shù)。某一材料耐磨帶摩擦因數(shù)大小首先與其減摩性的優(yōu)劣息息相關(guān)，摩擦因數(shù)越小，與套管之間的摩擦力越小，對(duì)套管造成的磨損也越小，此外，摩擦因數(shù)低可大幅降低鉆柱的轉(zhuǎn)矩和起下鉆阻力，有利于減少能量的損耗，節(jié)省成本。

2國(guó)外耐磨帶材料的發(fā)展現(xiàn)狀

鉆桿接頭耐磨帶材料的發(fā)展過(guò)程分為2個(gè)階段：第1階段為硬質(zhì)合金材料階段，從20世紀(jì)30年代到90年代初；第2階段為“套管友好型”材料階段，20世紀(jì)90年代至今。

2.1硬質(zhì)合金材料階段

硬質(zhì)合金材料耐磨帶在20世紀(jì)30年代由休斯工具公司發(fā)明并投入市場(chǎng)，主要用來(lái)防止鉆桿接頭在裸眼井段的磨粒磨損，提高鉆桿使用壽命。

這種耐磨帶由低碳鋼基體和硬質(zhì)合金顆粒構(gòu)成，在耐磨帶焊接過(guò)程中將硬質(zhì)合金顆粒均勻分布到熔融狀態(tài)的低碳鋼熔池中。該材料耐磨帶可以防止鉆桿接頭與裸眼井壁接觸，在油田工業(yè)早期大都是淺井(<1 500 m)和直井(井斜低于2°)時(shí)是一種非常有效的保護(hù)鉆桿接頭的方法[8-9]。

但是，隨著世界范圍的井結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜、井深越來(lái)越深、井斜角越來(lái)越大，人們開(kāi)始關(guān)注硬質(zhì)合金耐磨帶引起的套管失效問(wèn)題。試驗(yàn)研究證實(shí)在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和起下鉆過(guò)程中，由于這種耐磨帶的基體合金相對(duì)較軟，鑲嵌其中的硬質(zhì)合金顆粒很快出露，對(duì)套管壁造成嚴(yán)重的磨粒磨損，并最終導(dǎo)致套管的失效。

此后，油田公司為了避免套管失效造成的損失決定停用硬質(zhì)合金耐磨帶，只允許使用無(wú)耐磨帶的光鉆桿或其他防磨技術(shù)(例如鉆桿保護(hù)器、旋轉(zhuǎn)鉆柱接頭、防偏磨器等[10]。使用光鉆桿時(shí)鉆桿壽命大幅降低，且不能改善套管的磨損問(wèn)題，這種做法很快被禁止；其他防磨技術(shù)可以在一定程度上降低套管的磨損，但普遍面臨成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝困難、壽命低、容易造成井下事故等問(wèn)題。

因此，各大技術(shù)服務(wù)公司開(kāi)始研發(fā)新的材料來(lái)代替硬質(zhì)合金，這些材料的普遍特點(diǎn)是摩擦因數(shù)低，對(duì)套管的磨損小，硬度較高，可以在一定程度上保護(hù)鉆桿接頭，此后鉆桿接頭耐磨帶材料的發(fā)展進(jìn)入了“套管友好型”材料階段。

2.2“套管友好型”材料階段

“套管友好型”材料具有低的摩擦因數(shù)，這種材料耐磨帶與套管內(nèi)壁接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦力和摩擦熱小，造成較低的套管磨損?！疤坠苡押眯汀辈牧现饕?種：一種是“非晶態(tài)”材料耐磨帶，另一種是“晶態(tài)”材料耐磨帶。晶態(tài)材料是指材料內(nèi)部的原子排列遵循一定的規(guī)律。反之，內(nèi)部原子排列處于無(wú)規(guī)則狀態(tài)的材料稱(chēng)為非晶態(tài)材料。

2.2.1“非晶態(tài)”材料耐磨帶

1990年，Liquidmetal科技有限公司研發(fā)了一種叫Armacor MTM的鉻合金耐磨帶材料，該材料是一種“非晶態(tài)” (加工硬化)材料，該合金材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)沒(méi)有晶界，呈單一的原子結(jié)構(gòu)分布，此種金屬結(jié)構(gòu)突出的特點(diǎn)是具有非常低的摩擦因數(shù)，因此對(duì)套管的磨損很小，可大幅降低套管的磨損，是第一種“套管友好型”耐磨帶材料，使耐磨帶技術(shù)向前邁進(jìn)了一大步。該耐磨帶材料的缺點(diǎn)是耐磨能力不足，原因是“非晶態(tài)”耐磨帶只有一層很薄的只有幾微米厚的非晶態(tài)保護(hù)(加工硬化)層，承受高壓磨損的能力差，不能很好地保護(hù)鉆桿接頭[11]。

2.2.2“晶態(tài)”材料耐磨帶

1992年末，安科科技公司研發(fā)了新一代的碳化鉻合金耐磨帶ARNCO 200XTTM。這種材料耐磨帶既可以有效地降低套管的磨損又可以保證鉆桿接頭在裸眼井段的耐用性以最大限度地減輕鉆桿接頭的磨損。但是ARNCO200XT在敷焊過(guò)程中易產(chǎn)生微裂紋，雖然在使用過(guò)程中沒(méi)有影響，但在重新敷焊時(shí)要將有裂紋的部分全部鏟掉。隨后，安科公司又陸續(xù)開(kāi)發(fā)出ARNCO 100XT、ARNCO 300XT、ARNCO 150XT和ARNCO 350XT鉆桿接頭耐磨帶材料，克服了ARNCO200XT存在的問(wèn)題。如表1～2。

1)ARNCO100XT耐磨帶合金[12]。ARNCO 100XT是一種包含鉻、錳和鉬的鐵基合金，可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫焊接；洛氏硬度達(dá)50以上，可較好地保護(hù)鉆桿接頭；固有的低摩擦因數(shù)是Arnco100XT耐磨合金最顯著的特性，在安科系列產(chǎn)品中其減摩性能最優(yōu)，可有效降低鉆井管柱與套管、隔水管、防噴器接觸造成的磨損，延長(zhǎng)相關(guān)設(shè)備的使用壽命。

2)ARNCO300XT耐磨帶合金[13]。ARNCO300XT是美國(guó)安科技術(shù)公司的“第三代” 產(chǎn)品，是一種包括鎳、硼和鈮的鐵基合金，屬于無(wú)鉻金屬材料，對(duì)環(huán)境污染小，可以在100XT和150XT舊耐磨帶上直接加焊；洛氏硬度高達(dá)60以上，耐磨能力較強(qiáng)，可在極度研磨地質(zhì)結(jié)構(gòu)的裸眼地層中使用，同時(shí)可降低對(duì)套管的磨損，對(duì)套管內(nèi)側(cè)的徑向磨損為最低。

3)ARNCO150XT耐磨帶合金[14]。ARNCO150XT是安科公司第四代產(chǎn)品，是一種高級(jí)無(wú)裂紋、套管友好耐磨帶，繼承了100XT 和 300XT的優(yōu)點(diǎn)，耐磨帶能力介于ARNCO100和ARNCO300之間，摩擦因數(shù)低，減摩能力高于ARNCO300和ARNCO100，其焊接簡(jiǎn)單且焊接過(guò)程產(chǎn)生很少的火花和煙塵，且保持一定的韌性可承受在大位移井、深井和水平井的嚴(yán)苛鉆井條件下產(chǎn)生的大轉(zhuǎn)矩和高溫；能在多種外界環(huán)境下補(bǔ)焊，而不會(huì)產(chǎn)生裂紋和脫落，同時(shí)抗硫化氫腐蝕。

表1　安科系列耐磨帶性能對(duì)比

4)ARNCO350XT耐磨帶合金[15]。ARNCO350XT是安科公司的最新一代的產(chǎn)品。與300XT相比，耐磨性進(jìn)一步增強(qiáng)了，對(duì)套管的損傷也進(jìn)一步降低，是目前安科公司耐磨性能最強(qiáng)的產(chǎn)品，其洛氏硬度達(dá)60以上，100%無(wú)裂紋，具有硬、堅(jiān)韌、高耐磨、套管友好等特性；可容易地焊接在新鉆桿接頭上，并且可無(wú)限次地直接在100XT、150XT、 350XT以及大多數(shù)無(wú)裂紋的其他耐磨帶產(chǎn)品上直接焊接，無(wú)需去除原有耐磨帶。

表2　安科系列耐磨帶合金兼容性

注：1)√為可在舊耐磨帶上焊接新材料。

2)×為不可在舊耐磨帶上焊接新材料。

3國(guó)內(nèi)耐磨帶材料的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)耐磨帶材料的發(fā)展過(guò)程基本與國(guó)外一致，但是發(fā)展時(shí)間相對(duì)滯后，耐磨帶材料性能及相關(guān)配套工藝與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定差距，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的耐磨帶材料大多數(shù)仍為硬質(zhì)合金耐磨帶，“套管友好型”材料只在一些專(zhuān)業(yè)刊物上偶有報(bào)道，且大多為參考國(guó)外成型產(chǎn)品。盡管如此，我國(guó)的“套管友好型”耐磨帶材料已經(jīng)起步，一些材料已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，部分性能甚至超過(guò)了國(guó)外同類(lèi)耐磨帶材料。只是大多數(shù)仍然停留在研究和試驗(yàn)階段，并沒(méi)有大規(guī)模量產(chǎn)并投入應(yīng)用[16]。

下面就近幾年國(guó)內(nèi)企業(yè)自主研發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行介紹：

1)Nate 505J耐磨帶材料[17]。

西安納特石油技術(shù)有限責(zé)任公司研制的Nate 505J耐磨帶材料是一種高抗裂性鉆桿接頭耐磨帶合金。該材料耐磨帶熔敷金屬硬度高達(dá)60 HRC 以上。Nate 505J 鉆桿耐磨帶現(xiàn)場(chǎng)堆焊試驗(yàn)表明：①鉆桿接頭堆焊Nate 505J 耐磨帶后一般不會(huì)產(chǎn)生明顯的冷熱裂紋；②堆焊時(shí)飛濺很少或幾乎沒(méi)有飛濺，耐磨帶成型平整；③該焊絲還具有很好的重復(fù)堆焊性，工藝簡(jiǎn)單。

2)Nate707J耐磨帶材料[18]。

西安納特石油技術(shù)有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)研制的Nate707J耐磨帶材料是一種鐵基非晶態(tài)合金型耐磨帶材料。該材料耐磨帶熔敷金屬硬度在50 HRC 以上，試驗(yàn)證明其高耐磨性與ARMACOR Mstar非晶態(tài)耐磨帶的耐磨性基本相當(dāng)，是ARNCO 100XT材料堆焊的耐磨帶的3.8～3.9倍。

3)PT100耐磨帶材料[19]。

由于合金粉末鉆桿接頭耐磨帶對(duì)套管造成嚴(yán)重的磨損，不適用于現(xiàn)在的鉆井作業(yè)，但國(guó)外“套管友好”型材料耐磨帶價(jià)格高昂，因此，中原石油勘探局與國(guó)內(nèi)某焊接材料研究機(jī)構(gòu)合作開(kāi)發(fā)出PT100耐磨帶材料，其性能和特點(diǎn)如下：①焊接過(guò)程穩(wěn)定，殘?jiān)?、飛濺少；②耐磨能力高于硬質(zhì)合金耐磨帶；③摩擦阻力降低，對(duì)套管磨損更小；④二次加焊能力好。

4)BoTn3000耐磨帶材料[20]。

上海博騰焊接材料有限公司生產(chǎn)的BoTn3000耐磨帶材料是一種無(wú)鉻耐磨帶材料。該材料耐磨帶熔敷金屬硬度在50 HRC 以上，焊接工藝性良好、飛濺小，可以堆焊在各種鉆桿接頭、整體加重鉆桿、摩擦焊加重鉆桿、鉆鋌及各種井下工具表面，延長(zhǎng)壽命。該材料耐磨帶硬度高、耐磨性好，已達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品先進(jìn)水平。

5)金剛石復(fù)合材料鉆桿接頭防磨材料[21-22]。

中國(guó)石油大學(xué)(北京)王鎮(zhèn)全開(kāi)發(fā)研制的耐磨帶材料是一種金剛石復(fù)合材料鉆桿接頭防磨材料。該耐磨帶材料與其他材料不同，是聚晶金剛石復(fù)合材料，由聚晶金剛石、鑄造碳化鎢以及銅、鈷、鎳合金組成。該耐磨帶材料具有極強(qiáng)的耐磨性，在強(qiáng)研磨性地層中可很好地防止鉆桿接頭的磨損，對(duì)鐵基金屬材料的磨損能力弱，對(duì)套管具有良好的保護(hù)作用，摩擦因數(shù)小，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中摩擦阻力小。

6)其他。

國(guó)內(nèi)有關(guān)鉆桿接頭耐磨帶材料研制的報(bào)道相對(duì)較少，國(guó)內(nèi)一些單位、高校、研究所等機(jī)構(gòu)正在研究生產(chǎn)新型耐磨帶材料。例如已在業(yè)內(nèi)使用的產(chǎn)品“耐特3000”，北京加倍德工程技術(shù)有限公司研制出的一種套管友好型耐磨帶材料[23]，以及北京工業(yè)大學(xué)賀定勇等人開(kāi)發(fā)研制的一種鐵基鉆桿接頭耐磨帶[24]，不含鉻元素，是一種環(huán)境友好型耐磨帶材料，具有高耐磨和高抗裂的綜合性能。新型高性能鉆桿接頭耐磨帶材料的開(kāi)發(fā)研制，已引起了業(yè)內(nèi)人士的重視，這必將推動(dòng)我國(guó)新型耐磨帶材料技術(shù)的發(fā)展。

4結(jié)論

1)目前國(guó)內(nèi)、外鉆桿接頭耐磨帶材料的研究還處于“套管友好型”材料階段。國(guó)外鉆桿接頭耐磨帶材料正在向高耐磨性、高套管友好性、高重焊性的方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)“套管友好型”耐磨帶材料只在一些專(zhuān)業(yè)刊物上偶有報(bào)道，且大多為模仿國(guó)外成型產(chǎn)品的跟風(fēng)之作，而且材料性能與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定差距。

2)美國(guó)安科技術(shù)公司研發(fā)的ARNCO系列耐磨帶仍然是目前性能最好的耐磨帶材料，其最新一代的產(chǎn)品ARNCO350XT是目前安科公司耐磨性能最強(qiáng)的產(chǎn)品，也是目前所有耐磨帶產(chǎn)品中綜合性能最好的產(chǎn)品，具有硬、堅(jiān)韌、高耐磨、套管友好等特性，可保證100%無(wú)裂紋。

3)國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)應(yīng)注重國(guó)產(chǎn)新型耐磨帶材料的開(kāi)發(fā)，并及時(shí)了解國(guó)外主要公司的產(chǎn)品動(dòng)態(tài)，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的鉆桿接頭耐磨帶材料，對(duì)其消化吸收，加快開(kāi)發(fā)出價(jià)格合理、性能優(yōu)良的新型耐磨帶材料，從而提升我國(guó)自主研發(fā)能力和國(guó)內(nèi)技術(shù)水平。

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Research Progress of Wear-resistant Belt Material in Drill Joint

WANG Zhenquana，ZHANG Kaib，WANG Deguob，ZHAO Bob

(a.CollegeofPetroleumEngineering；b.CollegeofMechanicalandTransportationEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

Abstract：As oil and gas field exploration and development technology advanced，the requirements are put forward on the wear and anti-friction characteristics of tool joint.In numerous anti-wear technology of tool joint，the wear-resistant belt，with convenient operation and best effect，is the most effective measures to reduce wear of drill pipe or casing.In this paper，the working principles of wear-resistant belt and properties of the material requirements are analyzed.The research history and status quo of wear-resisting material in tool joint at home and abroad are reviewed.And the advantages and disadvantages of all kinds of wear-resisting materials are introduced.Finally，the weaknesses and development orientation in domestic wear-resistant belt materials in drill joint are pointed out.

Keywords：drill joint；wear-resistant belt；material

中圖分類(lèi)號(hào)：TE921.204

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.021

作者簡(jiǎn)介：王鎮(zhèn)全(1965-)，男，山東人，高級(jí)工程師，主要從事超硬材料在石油工程中的應(yīng)用、巖石破碎機(jī)理與破巖工具、鉆井工程技術(shù)的研究和教學(xué)工作，E-mail：wangzhenquan@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2012DFR70160)

收稿日期：①2015-08-11

文章編號(hào)：1001-3482(2016)02-0094-05