国产石油钻杆接头耐磨带材料的蓬勃发展
钻杆接头耐磨带以其一定的耐磨性和减磨性,保护钻杆接头和套管免遭强烈的磨损,在
深井钻井、大位移井钻井和大斜度井钻井工程中获得了推广应用,而且接头耐磨带技术已经
成为国际重大石油工程项目招标中,投标方中标的必备技术条件之一。
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,应当具
有较高的耐磨性和适度的减磨性。材料特性是影响耐磨带性能的核心因素,耐磨带特性的改
变取决于堆焊材料成分、组织性能的变化以及配套堆焊工艺的严格实施。耐磨带堆焊材料的
重大突破是我国耐磨带技术发展的必要条件,而引进焊材的国产化则是耐磨带技术发展的
充分条件。“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了积极的推动作用。
1石油钻杆接头耐磨带工作原理与性能影响因素
1.1耐磨带工作原理
钻杆接头耐磨带实质上是一个沿接头圆周方向,具有一定宽度和一定厚度的隔离带。通
过这个隔离带,使钻杆接头外壁和套管壁或井壁隔离,避免钻杆接头与套管壁或井壁直接接
触,以保护钻杆接头和套管免遭强烈磨损。耐磨带的工况条件比较复杂,性能要求比较苛刻,
应当具有良好的综合抗磨性能。所谓综合抗磨性能,是指具有较高耐磨性的同时还必须具有
适度的减磨性。最佳的耐磨性与减磨性之间存在一定的匹配关系,上述技术指标之间以及与
摩擦系数之间的函数关系的量化确立,可能对于耐磨带焊接材料性能的重大突破具有重要
参考价值。
1.2耐磨带性能影响因素
接头耐磨带性能影响因素较多,总体上有三大因素:
1.2.1载荷力的影响
在钻井过程中,凡是增大钻杆接头与套管内壁(或井壁)接触力的因素,都会加剧磨损
发生。如在“狗腿”度大的井段,接头与套管内壁接触压力相对增大,此时无论是耐磨带还是
套管内壁(或井壁),其磨损现象就会加剧。
1.2.2摩擦系数的影响
在钻井过程中,凡是增大接头与套管内壁摩擦系数的因素,都会加剧磨损发生。如润滑
剂品种或加入量不合适、转盘转速增大以及温度过高或过低时,其磨损现象也会加剧。
1.2.3耐磨带与套管(或井壁)材料特性的影响
根据摩擦学中的“吸附膜”理论,对于钻杆钢与岩石形成的摩擦副,两者之间很难形成
吸附膜,摩擦系数主要取决于摩擦副材料的表面特性,而摩擦副其表面特性是稳定的,摩擦
系数受载荷的影响较小。对于钻杆与套管钢形成的摩擦副,两者之间比较容易形成吸附膜,
当施加正压力时,随吸附膜逐渐被破坏,摩擦副表面特性对摩擦系数形成的贡献越来越大,
摩擦系数受载荷的影响较大。凡是增大摩擦系数的材料特性,都会加剧磨损发生。
在上述接头耐磨带性能影响因素中,前两个是外在因素,最后一个是内在因素,外因通
过内因起作用。也就是说,无论是载荷力的影响,还是摩擦系数的影响,最终要反映到耐磨
带与套管(或井壁)材料特性的影响上,材料特性是核心影响因素。在这里,套管(或井壁)
材料特性是被预先选定的(如套管的材质),可以改变材料特性的主要是耐磨带。而耐磨带
特性的改变,归根结底取决于堆焊材料成分、组织和性能的变化,以及配套堆焊工艺的严格
实施。
2石油钻杆接头耐磨带堆焊材料的发展
早期研制的耐磨接头被设在钻柱任意位置,主要用来减轻钻井过程中钻柱的扭矩。后来
有人将耐磨带移至钻柱接头部位,减少了钻柱联接接头数量,提高了钻具的使用寿命,开创
了耐磨带技术新时期。
我国现在现在市场上除了进口安科之外，国内相继有单位开展高性能耐磨带焊接材料
与进口焊材国产化的攻关工作,并且取得了可喜的进展。他们在在吸收进口产品优点的同
时，综合我国石油钻杆行业特点，及工况要求，生产研发出的国产耐磨带焊丝在市场上已是
屡见不鲜，使耐磨带焊丝摆脱了“进口焊丝价格昂贵,国内油田难以承受”的困难局面,也
提高中国钻井公司在国际招标运做中的竞争力,。新型钻杆接头耐磨带堆焊材料D114就是其
中一例。D100是一种采用高铬合金系统、直径为1.6mm的气保护药芯焊丝。该焊丝具有
价格便宜,工艺简便,焊前工件不需预热,焊后工件不必保温,可以重复堆焊等优点。对比试
验表明,D100耐磨带的磨损率低于Fe-50铁基合金粉耐磨带,它的耐磨性能与进口材料
相当。
从收集到的信息可以看出,较先进的石油钻杆堆焊材料由于价格的原因应用受限,国
内开发的专用堆焊材料如D114等较满意的堆焊材料偶有报道,然而市售可供选择的品种
数量有限。市场上可供选择的耐磨带堆焊材料品种以各类硬质合金居多。碳化钨一类材料磨
损套管的危害已经引起多数用户的关注,广大用户迫切需要价格合理、性能优良的新型耐磨
带堆焊材料。目前,与世界上主要的工业发达国家相比,我国的钻杆接头耐磨带技术以及在工
艺配套等方面尚有一定差距,在专用堆焊材料开发、相关标准制定以及性能评价等方面尚需
做大量的工作。期望在不太长的时间内,国产新型耐磨带专用堆焊材料,以及引进产品国产
化等研究工作,能够取得有价值的创新成果。
参考文献:
[1]林元华,付建红,施太和,等.套管磨损机理及其防磨措施研究[J].天然气工业,2004,
24(7):58-61.
[2]苏建文,卢强,马建民,等.新型耐磨材料特性在塔里木油田的推广应用[J].天然气工业,
2003,23(2):56-58.
[3]李玉民,李飞,郭建军,等.钻杆接头PT100耐磨带的敷焊工艺与应用[J].石油机械,
2003,31(5):20-22.
[3]胡建平,北京固本耐磨焊丝堆焊工艺与应用[J].石油机械,2003,31(5):20-22.
作者简介:孙咸,男,教授,长期从事焊接材料及金属
焊接性方面的研究和教学工作,对焊接材料软件开发具有丰富经验;获国家科技进步二等奖
1项(2000年),省(部)级科技进步一等奖2项,二等奖3项,发表学术论文80余篇;
1992年获国务院颁发的政府特殊津贴。收稿日期:2006-12-18