一种新型石油钻具耐磨带的实用性研究

杜 平，向 东，魏 刚，龚志军

·试验研究·

一种新型石油钻具耐磨带的实用性研究

杜 平，向 东，魏 刚，龚志军

（中国石油集团渤海钻探工程有限公司管具技术服务分公司，河北任丘062550）①

石油钻具耐磨带对钻具接头和套管的双向保护有重要作用。介绍了钻具耐磨带的发展历程，通过干砂胶轮试验和M ohr套管磨损试验，对比分析了久固邦耐磨带与其他耐磨带的耐磨性能，结合塔里木油田的应用实践，证明久固邦耐磨带具有较好的耐磨性能。

石油钻具；耐磨带；实用性

随着石油勘探开发不断向纵深发展，超深井和大斜度井、大位移井及水平井随之增多，从而导致单井钻井周期的延长。另一方面，钻具作用在套管内壁的侧向力增大，作用时间更长。这些因素的影响，使钻具和套管的双向磨损越来越严重，轻则降低钻具的抗扭和抗弯强度以及套管柱的抗挤毁和抗内压强度，情况严重的会造成钻具刺漏、落井和套管柱的挤毁、变形及泄漏，甚至导致全井报废，从而造成巨大经济损失［1-2］。因此，加强对石油钻具接头和套管的双向保护就成为石油钻井的一项重要任务，在石油钻具接头上堆焊具有双重保护性能的耐磨带是减少钻具和套管磨损的有效措施之一。

磨料磨损主要有低应力磨料磨损和高应力磨料磨损2种。低应力磨料磨损时其夹杂的颗粒很少破碎，而高应力磨料磨损可造成颗粒破碎。钻具的裸接头与套管之间的磨损主要是低应力磨料磨损；而耐磨带与套管之间的磨损主要是高应力磨料磨损。性能较差的耐磨带和套管摩擦时，不仅自身磨损严重，出现裂纹和掉块，对套管的磨损也较严重，如图1所示。一种理想的钻具耐磨带，首先自身应该耐磨、无裂纹和掉块，其次是对套管的磨损程度还要尽量小，最后还要方便补焊。

图1　裂纹和掉块的耐磨带

1　耐磨带的发展概况

早期的石油钻具耐磨带普遍采用等离子弧喷焊铁基合金粉末的耐磨带，虽然这种耐磨带可有效保护钻杆接头，但是由于等离子弧的敷焊温度较高（20 000～50 000 K），热输入较大，容易造成较高的稀释率和形成局部粗大的晶粒组织。稀释率较高表现为基体的熔深增大，耐磨带的重复堆焊性变差，敷焊后的耐磨带开裂、剥落甚至掉块的倾向增加，与此同时，耐磨带堆焊层合金元素的含量也会下降，使耐磨带的硬度和耐磨性降低，不能充分发挥合金粉末的高耐磨性能；局部粗大的晶粒组织结构还会降低钻杆接头的强度和韧性，情况严重时甚至会造成耐磨带附近的热影响区开裂，进而造成钻杆接头发生断裂事故。由此可见，用等离子弧喷焊普通铁基合金粉末的石油钻具耐磨带存在着重复堆焊性差和开裂、剥落、掉块倾向严重，以及对钻具接头基体伤害大等缺点。另一方面，严重的耐磨带剥落、掉块也会加剧耐磨带对套管的磨损，使其不能满足超深井和大斜度井、大位移井及水平井钻井技术的发展要求。近年来我国主要油田出现套管磨损的井数逐年上升，其中，塔里木油田由于井况复杂，钻具和套管磨损的现象尤其严重，1996年发生的阳霞1井整井报废就是因为套管被磨穿造成的，损失将近¥4000万元［3］。

为了更好地解决耐磨带开裂、剥落、掉块和重复堆焊性差的问题，加强对石油钻具接头和套管的双向保护，我国在21世纪初从国外引进了药芯焊丝，这是一种新型的金属耐磨带材料，这种材料具有耐磨减摩的特点，不仅保护了石油钻具接头本身，而且大幅减少了石油钻具耐磨带对套管内壁的磨损。药芯焊丝是采用合金粉末加工精制而成，利用气体保护电弧进行堆焊，其自由电弧温度仅为5 000～ 8 000 K，热输入也较小，这样就形成了较低的稀释率和较小的熔深，因此，用这种方法敷焊的石油钻具耐磨带具有重复堆焊性好和开裂、剥落、掉块倾向较小，对石油钻具基体的伤害也较小等优点，较好的耐磨减摩性能和良好的堆焊工艺性使这种金属耐磨带材料逐步得到广泛的应用［4-5］。但是，目前所有的药芯焊丝都是铁基材料内添加不同量的添加物形成碳化物或者硼化物，添加物的种类和添加量的细微变化都会使耐磨带表现出不同的性能，所以，选择正确的添加物和添加量显得尤为重要。目前，国内市场上的药芯焊丝有很多，实际使用中的性能和效果表现也千差万别［6］，特别是耐磨带开裂、剥落、掉块等问题并没有完全解决。例如塔里木油田，因为地质情况复杂，尽管选用比较昂贵的耐磨带，但耐磨带的开裂、剥落、掉块等问题仍时有发生，因此寻找和尝试适合高难度井的石油钻具耐磨带显得非常迫切。

2　新型耐磨带的性能特点及验证

有种误区认为耐磨带的硬度是耐磨带性能的唯一影响因素，而事实上，耐磨带耐磨性是由硬度、材料构成以及晶体排列综合决定的［7-8］。新型的久固邦耐磨带材料的洛氏硬度为57～61 H R C，和其他耐磨带材料硬度差别不大，但其结构是以铬合金为骨架的工具钢，内含大量压实的耐磨微晶颗粒碳化铌，这和其他药芯耐磨带材料有了本质的区别。该结构保证了耐磨带不会开裂和掉块，在苛刻钻井条件下具有良好的耐磨性能，并且对套管的磨损小，同时，其残留中完全不存在熔渣，在严格的操作规程下，久固邦耐磨带可以翻新于其他耐磨产品上。基于这些优良特性，久固邦耐磨带在北美地区一直是酸气井、高温高压井和地热井的理想耐磨带产品。2014年初塔里木油田开始试用这种耐磨带，发现这种耐磨带焊后不仅没有裂纹、残渣和掉块，而且焊后外观光滑平整，如图2所示。

图2　久固邦耐磨带焊后外观

为进一步验证久固邦耐磨带的耐磨性能，采用ASTm65干砂胶轮耐磨测试法，对久固邦耐磨带的耐磨性和其他耐磨带及钻具裸接头的耐磨性进行了对比测试，如图3。

图3　ASTM 65干砂胶轮耐磨测试法示意

具体的测试方法是：将1块标准尺寸的耐磨带与1个旋转的胶轮接触，接触面的压力保持在133 N。待胶轮旋转2 000圈之后，对磨损掉屑称重，并与磨前的质量对比。比值越低，说明该产品的耐磨特性越好。表1为测试结果，可知久固邦耐磨带的耐磨效果最好。

表1　不同耐磨带和钻具裸接头掉屑比测试结果

为了验证久固邦耐磨带对套管的友好性，对几种耐磨带和钻具裸接头进行了Mohr套管磨损试验。试验测试设备如图4所示，在套管材质、侧压、转速和测试时间均相同的条件下，对比分析不同耐磨带或裸接头时套管的磨损情况，试验结果如表2。可知有耐磨带的套管比裸接头套管的耐磨性能要好，使用久固邦耐磨带的套管比用其他耐磨带套管的耐磨性能更好，这表明久固邦耐磨带对套管性能友好。

图4　M ohr套管磨损比较试验

表2　不同耐磨带和裸接头对套管的磨损结果

为了考察不同耐磨带在现场使用时的耐磨性能，又做了入井试验。入井试验的具体做法是：在入井的下部钻具接头上敷焊不同的耐磨带，然后交错下入，从上到下的耐磨带依次是国产耐磨带A1、国产耐磨带B1、久固邦耐磨带1、进口耐磨带1、裸接头、进口耐磨带2、久固邦耐磨带2、国产耐磨带B2、国产耐磨带A2，最后观察不同耐磨带和钻具裸接头的磨损情况，结果如表3。结果进一步证明了久固邦耐磨带在井下实际使用中具有良好的耐磨性能。

表3　不同耐磨带和钻具裸接头的磨损情况

3　结论

久固邦新型石油钻具耐磨带基本能够适应目前高难度钻井的生产需要，其抗裂性、重复堆焊性、耐磨性和对套管的磨损等方面都有了明显改善。在塔里木油田的使用实践也证明，使用久固邦耐磨带以后，钻具的耐磨带开裂、掉块现象基本杜绝，耐磨带的使用寿命也明显延长，从以前使用200 d左右需要堆焊，延长至现在使用240 d左右才需要堆焊，不仅减少了钻井过程中复杂情况的发生，也使耐磨带费用大幅减少。因此，久固邦耐磨带是目前条件下钻具耐磨带的较好选择，不仅能起到对钻具和套管双向保护的作用，而且可以有效避免施工过程的复杂情况，并节约费用。

［1］ 梁尔国．深井和大位移井套管磨损规律试验及磨损程度预测［D］．秦皇岛：燕山大学，2012．

［2］ 曾德智，龚龙祥，付建红，等．全井段套管磨损量预测与磨损后抗挤强度计算方法研究［J］．钢管，2010，39（z）：11-16．

［3］ 苏建文．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．

［4］ 孙咸．钻杆接头耐磨带的使用性能及其堆焊材料［J］．电焊机，2007，37（10）：46-50．

［5］ 谷振乾，李武，张瑟，等．一种高抗裂型钻杆耐磨带药芯焊丝［J］．钢管，2010，39（z）：46-49．

［6］ 颜昌茂，李武．一种非晶态合金型钻杆耐磨带药芯焊丝［J］．热加工工艺，2012，41（15）：168-173．

［7］ 卫优丽．钻杆接头表面耐磨带堆焊工艺研究与应用［D］．西安：西安石油大学，2010．

［8］ 孙咸．石油钻杆接头耐磨带堆焊材料的发展及应用［J］．石油工程建设，2007，33（4）：55-58．

Application Study of New Type Hardband

DU Ping，XIANG Dong，WEI Gang，GONG Zhijun
（Drill Pipe Technical Seruices Branch，CNPC Bohai Drilling Engineering Com pany Ltd．，Renqiu062550，China）

Oilfield hardbanding products play an im portant role in the protection of both tooljoints and casing．In this article，the development process of drilling hardbanding products is introduced．Through dry sand rubber w heel abrasion test andmohr casing wear testing，with the application test in the field in Tarim oilfield，it showed thaThardbanding product is great at abrasion resistance practice．

drill toll；hardband；applicability

TE931．1

B

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．012

10013482（2015）03005204

①2014-10-22

杜 平（1967-），男，陕西泾阳人，高级工程师，现从事石油钻具技术管理工作。