石油钻具耐磨材料的发展与应用

摘要：分析了石油钻具耐磨带的工作原理、性能特点与影响因素，评述了石油钻杆接头耐磨带堆焊材料的发展，介绍了石油钻具耐磨带堆焊材料的应用。材料特性是影响耐磨带性能的核心影响因素。“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积极的推动作用。

关键词：耐磨带焊材；钻杆耐磨；发展

引言

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。从机理上讲，钻杆接头耐磨带的作用是利用自身及其耐磨性，将钻杆外壁和套管内壁隔离，使钻杆不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的磨损。然而，实际情况并不简单，耐磨带的出现，将钻杆接头与套管内壁接触摩擦，转换为耐磨带与套管内壁的接触摩擦。它们之间的摩擦磨损，不仅取决于两个接触体材料的特性及其匹配行为，同时还受到钻井过程中诸多因素的影响。

近年来，在多种可供选用的套管防磨技术之中，操作方便和效果最好者首推接头耐磨带。研究表明，接头耐磨带性能(含与套管材料的匹配性能)的优化与改善，是防止套管强烈磨损的关键技术措施。事实上，自从耐磨带技术问世以来，随着现场应用中出现问题的逐步克服，新型耐磨带专用堆焊材料不断被推出，耐磨带的材料品种已经发生了质的变化。应当看到，是堆焊材料的创新推动了耐磨带技术的进步与发展，而耐磨带技术的进步，则促进了钻井工程及其应用的稳步发展。那么，这些堆焊材料的创新点及其关键技术在哪里?堆焊材料控制接头耐磨带性能的机理又是怎样的?为此，本文特意将典型堆焊材料与接头耐磨带磨损特性相联系，综合评述耐磨带堆焊材料的发展及其应用。该项工作对推动钻杆接头耐磨带技术的进一步完善，提高钻具使用寿命，具有积极意义和参考价值。

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。上世纪30年代，有人采用钨钴系列硬质合金耐磨带，如碳化钨等。碳化钨耐磨带在裸眼中能较好地保护钻杆，但堆层组织中高硬度的碳化钨颗粒对套管产生较大的磨损，影响钻井工程进度和经济效益。为此，在国际钻井工程招标中或国内较深井钻井中，碳化钨硬质合金接头耐磨带都被明令禁用。

2．1ARNCO200XT药芯焊丝

上世纪90年代，有公司提出一种所谓平衡磨损思路，它所坚持的理念是，尽量减小套管的被动磨损，同时允许钻杆接头适度磨损。在该理念指导下新开发了堆焊材料ARNCO200XT药芯焊丝(表1)。该焊丝采用FeCrC合金系，是该公司第一代钻杆接头耐磨带专用药芯焊丝，其耐磨带堆层硬度大于HRC50，耐磨性较好，磨损率较小。现场应用表明，在减小钻杆磨损的前提下，能有效地降低套管的磨损。该焊丝的不足之处是堆层宏观热裂纹数量较多，堆层的减磨性尚须改进。

表1ARNCo钻杆接头耐磨带用药芯焊丝(Ф1．6mm)

2．2ARNCO100XT药芯焊丝

2000年6月，ARNCO公司又推出了ARNCO100XT药芯焊丝。该焊丝采用FeCrMnMo合金系，当。是ARNCO200XT的换代产品，焊前工件预热温度为66～316℃，其耐磨带堆层硬度大于HRC50。该产品具有下列特性：(1)耐磨带上无龟裂。

(2)在钻井过程中，对套管的磨损降为最低。

(3)在裸眼井中，其耐磨性与碳化钨合金相(4)提高钻杆接头寿命300％。(5)套管与钻杆接头同时得到保护。(6)可在原先残存的碳化钨堆层上加焊XT。(7)可在钻杆原有的100XT带上重新补焊。(8)可用于新旧不同尺寸的钻杆。

(9)适用于钻杆、加重钻杆、钻铤、扶正器、减震器，以及其他各种井下工具。该焊丝的不足之处是堆层的耐磨性比碳化钨层稍差。

2．3ARNCO300XT药芯焊丝

2003年ARNCO公司研制成功ARNCO300XT药芯焊丝。这是该公司推出的第三代耐磨材料。该焊丝采用以B代C和多元素综合强化合金化技术，其耐磨带堆层硬度大于HRC60，耐磨性提高，减磨性适中，堆层热裂纹倾向已大大减小。据悉这是该公司目前最新技术集中体现，在高研磨岩性地区，该焊丝已呈现出预期的优越特性。

2．4EFD系列耐磨焊丝

随着钻井技术的进步，对钻具接头耐磨性的要求越来越高，必须使用高性能的耐磨材料，才能适应不同类型钻井的需要。国外进口焊丝性能好，但价格昂贵。国内某公司在ARNCO200XT药芯焊丝基础上加以改进，研制了价格低廉的3种牌号药芯焊丝。表2是该公司EFD系列钻具耐磨材料的基本情况。可以看出，3种焊丝的研发目标是改进ARNCO200XT药芯焊丝，克服了该焊丝存在的缺点，产品的耐磨性优于200XT。但是迄今为止，尚无文献显示EFD系列产品与ARNCO100XT的详尽比较情况。尽管如此，该公司认为所开发的EFD系列药芯焊丝，填补了国内耐磨带焊接材料的空白，达到了国际先进水平。

表2EFI)系列石油钻具耐磨材料

2．5国产D100耐磨焊丝

为了尽快摆脱“进口焊丝价格昂贵，国内油田难以承受”的困难局面，也为了提高中国钻井公司在国际招标运做中的竞争力，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。北京固本科技研发的新型钻杆接头耐磨带堆焊材料D100就是其中一例。为了消除碳化钨、碳化铬堆焊材料的缺陷，同时提高堆焊材料的冲击韧性，D100是焊缝基体组织为低碳马氏体的堆焊材料。对堆焊层进行磨抛、腐蚀后，观察焊缝金相组织。耐磨带焊态组织为低碳板条马氏体和少量残余奥氏体无预热情况下无明显的裂纹，马氏体束尺寸较小，残余奥氏体较少因而导致基体硬度较高，这是由于马氏体相界面阻碍位错运动而造成。另外，当合金中碳含量低，氮含量<0.%时，堆焊合金硬度会随氮含量增加急剧上升，主要是因为基体组织会形成含氮渗碳体Fe23（CN）5，因而保证了其具有高的硬度。该焊丝具有价格便宜，工艺简便，可以重复堆焊等优点。对比试验表明，Dl00耐磨带的磨损率低于Fe一50铁基合金粉耐磨带，它的耐磨性能与进口材料相当。

2．6其他

与载人国家标准或国外发达工业国标准的焊接材料不同，有关钻杆接头耐磨带专用焊接材料研制的报道相对较少，但据业内人士透露，国内石油及其相关行业仍有单位正在研究或计划研究生产耐磨带专用焊接材料，如已在业内使用的产品“纳特一2000”药芯焊丝，以及华东、上海一带正在准备上马的一批产品。以上动向表明，钻杆接头高性能耐磨带堆焊材料这项先进技术，已经引起更多企业或业内人士的关注重视，必将推动耐磨带技术乃至钻井业的新发展。

3、石油钻杆接头耐磨带堆焊材料现状分析

从以上典型应用以及收集到的信息可以看出,较先进的ARNCO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D100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。

5结论

(1)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。

(2)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。

(3)ARNCO耐磨带的优越性被应用所验证,国产D100耐磨带的主要技术指标超过碳化钨耐磨带,必须加快步伐开发价格合理、性能优良的新型耐磨带堆焊材料。