2. 长庆油田分公司第七采油厂;
3. 长庆油田分公司第十二采油厂;
4. 长庆油田分公司第九采油厂
2. No.7 Oil Production Plant of PetroChina Changqing Oilfield Company;
3. No. 12 Oil Production Plant of PetroChina Changqing Oilfield Company;
4. No.9 Oil Production Plant of PetroChina Changqing Oilfield Company
0 引言
在油气田勘探开发钻井中,特别是在大斜度井、大位移井和水平井中,钻井时间长,钻杆接头作用在套管上的侧向力增大。因此,套管和钻具接头的摩擦与磨损问题越来越突出,不仅导致钻杆接头的快速磨损与过早失效,而且还会降低套管柱的抗挤压强度和抗内压强度,造成套管柱挤毁、变形及泄漏,严重时造成全井报废[1-4]。耐腐蚀合金比碳钢和低合金钢更易磨损,因此,全面认识套管磨损机理并采取相应的防磨措施极为重要。多年来,业内科研人员通过理论研究、室内试验和数值模拟对套管磨损的机理、评价方法和防磨措施进行了大量研究,将套管磨损分为疲劳磨损、磨粒磨损、黏附磨损、腐蚀磨损和冲击磨损等多种类型[5-7],并总结了影响套管磨损的因素,包括井眼曲率、钻杆接头与套管接触力大小、底部钻具组合、钻井液性能、套管钢级、套管内表面粗糙度、机械钻速和地面转速,涉及的材料包括高强度钢、碳钢、钛合金、环形加硬层和表面堆焊硬合金等[8-10],但关于耐腐蚀合金材料的研究却相当少。当思考耐腐蚀合金套管磨损机理的时候,不仅要考虑冶金学或套管和钻柱或钻杆接头之间的机械作用,还要考虑套管和环境液体(即钻井液)之间的化学相互作用。为了深入认识耐腐蚀合金套管磨损过程,即通过研究套管材料和环境液体之间的相互作用认识耐腐蚀合金套管磨损比碳钢和低合金钢套管磨损快速的原因,Nippon Steel & Sumitomo Metal公司的研究人员进行了各种套管材料和环境液体情况下的磨损试验、腐蚀试验、原位观察和分析试验,得到了大量关于模拟套管磨损的基本摩擦学和电化学试验数据。这些试验可为耐腐蚀合金套管磨损机理及防磨措施更进一步的研究提供借鉴和依据。
1 室内试验 1.1 材料准备研究中所用的材料包括以下5种:①CS80,碳钢(碳锰钢),强度551.580 8 MPa;②CS110,低合金钢(碳锰钢),强度758.423 6 MPa;③13Cr,马氏体不锈钢,强度551.580 8 MPa;④S13Cr,超级马氏体不锈钢,强度758.423 6 MPa;⑤镍合金,强度758.423 6 MPa。
研究中所用的试件用ø88.9 mm石油管材加工而成,笔者将CS80和CS110归类为低合金钢,S13Cr和镍合金归类为耐腐蚀合金(CRA),而13Cr介于低合金钢和耐腐蚀合金之间[11]。
1.2 磨损试验为了模拟套管磨损,利用球盘式摩擦磨损试验机(见图 1)进行了磨损试验。盘用套管材料加工而成,直径20 mm,厚度3 mm,球由100Cr6工具钢和Al2O3陶瓷制成,直径6 mm。盘和球的表面打磨成镜面。用含电解质的水溶液而不是钻井液作为环境液体。水溶液有3种:质量分数3%的NaCl溶液(溶液1)、质量分数10%的NaCl溶液(溶液2)和质量分数3%且用NaOH调整成pH值为12的NaCl溶液(溶液3)。磨损试验过程中将盘和球浸入环境液体中,外施载荷为10 N,赫兹压力为最大值,表明在无黏合力的弹性接触下,最大接触压力相当于1.4 GPa,滑动速度为6.0×10-2 m/s,持续时间设为20 min。测量了摩擦因数和磨损深度,磨损深度通过球位置的偏移测得,忽略了球的磨损。另外,为实现碳钢的无腐蚀条件,还将氩保护气氛手套箱中的有机溶剂作为环境液体进行了额外试验。有机溶剂为脱氧己烷,温度24.85 ℃时,运动黏度为0.45 mm2/s。氧的质量分数低于0.25×10-6,露点温度低于-80.15 ℃。其他条件与环境条件下进行磨损试验的条件相同[11]。
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图 1 球盘式摩擦磨损试验机示意图 Fig.1 Schematic diagram of ball disc friction wear testing unit |
1.3 腐蚀试验
为了研究耐腐蚀性和耐磨性之间的关系,进行了极化曲线测量试验。试验中所用的试件尺寸与磨损试验所用的试件尺寸相同,采用1.2节所述无任何脱气的溶液作为环境液体。通过用硅树脂掩盖其他表面,调整每一个试件的腐蚀面积为1 cm2。铂片和标准的甘汞电极分别用作对电极和参考电极。试验温度为24.85 ℃[11]。
1.4 原位观察和分析为了更好地理解水溶液中的套管磨损现象,应用原位拉曼磨损试验机(见图 2)进行了摩擦界面的原位观察和分析。原位磨损试验用直径为10 mm、透明的SiO2半球透镜作为球在球盘式摩擦磨损试验机上进行,盘的材料和尺寸与磨损试验所用的相同。外施载荷为10 N,赫兹压力相当于0.621.4 GPa,滑行速度为1.0×10-2 m/s。提前在盘表面上滴几滴水溶液,通过半球透镜用LabRAM HR800显微分光计在摩擦盘表面上获得了拉曼光谱。使用二极管泵浦固体激光器在532 nm处产生的激发激光。所有试验都使用了50倍物镜,空间分辨率为直径2 mm。因为每次测量需时30 s,原位分析获得的光谱是滑行30 s的平均值,同时还用电荷耦合器件摄影机记录了光学显微镜的影像[11]。
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图 2 原位拉曼磨损试验机示意图 Fig.2 Schematic diagram of an in-situ Raman abrasion testing unit |
2 试验结果
图 3为磨损深度和摩擦因数随滑行距离变化的曲线。在镍合金盘和100Cr6球组合的情况下,摩擦因数值高达0.7,磨损深度随滑行距离的增加急剧增长,表明磨损速率高。磨损深度曲线间歇性波动,因此球向上移动,很可能这是因为盘材料和球表面的暂时黏附。而在镍合金盘和Al2O3球、CS80盘和100Cr6球、CS80盘和Al2O3球等其他组合的情况下,摩擦因数值相对较低,大约为0.3,磨损深度随滑行距离的增加轻微增长。
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图 3 蒸馏水中CS80和镍合金磨损特性变化曲线 Fig.3 Wear characteristics curve of CS80 and nickel alloys in distilled water |
图 4总结了各种盘材料分别与100Cr6球和Al2O3球组合情况下的磨损速率,磨损速率即每滑行距离1 m时的磨损深度,计算为滑行距离0~3 m的平均值。从图可以看出,在使用100Cr6球的情况下,高合金的磨损速率较高,而在使用Al2O3球的情况下,所有材料的磨损速率都较低。水溶液类型对磨损速率的影响不明显。然而在100Cr6球和溶液3组合的情况下,似乎低合金钢(CS80和CS110)磨损速率较高,而在使用Al2O3球的情况下,磨损速率差别不大。
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图 4 各种条件下盘材料磨损速率 Fig.4 Wear rate of disc material under various conditions |
图 5为用各种盘材料和环境液体进行磨损试验后100Cr6球和Al2O3球表面上的光学图像。从图可以看出,100Cr6球表面摩擦低合金钢(CS80,CS110)显示了磨料磨损,摩擦13Cr和S13Cr钢显示存在一些局部深痕的磨料磨损,摩擦镍合金显示了严重的磨料磨损。而Al2O3球表面摩擦所有材料都显示了轻微磨料磨损。而且还发现,当使用H2O、溶液1和溶液2的情况下,都显示了局部深痕,而使用溶液3却不存在深痕。因此可以得到结论:引起黏附磨损的试验条件导致高磨损速率,而引起磨料磨损的试验条件导致低磨损速率,表明套管磨损受到黏附发生的强烈影响。
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图 5 磨损试验后球的光学图像 Fig.5 Optical image of ball after abrasion test |
图 6显示了CS80和镍合金的极化曲线。图 7显示了磨损速率与腐蚀电流密度Icorr的关系曲线。Icorr由极化曲线计算得到,但不包括水,这是因为水的电阻高,不能准确测量。从图可以看出,在使用100Cr6球的情况下,磨损速率随着Icorr的增大而降低,而在使用Al2O3球的情况下,磨损速率和Icorr之间无明显的关联,这表明在黏附可能发生的情况下,磨损速率随着腐蚀性的增大而降低。另一方面,在磨料磨损的情况下,腐蚀性对磨损速率的影响似乎很小。另外,使用溶液3时Icorr值最小,因此,在使用100Cr6球的情况下,磨损速率较高。从这个意义上来说,通过防止滑行表面上的黏附,腐蚀可能降低磨损速率。
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图 6 CS80和镍合金的极化曲线 Fig.6 Polarization curves of CS80 and nickel alloys |
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图 7 磨损速率和腐蚀电流密度之间的关系曲线a Fig.7 Relationship of wear rate and corrosion current density |
图 8为在使用CS80和镍合金情况下10、40和80 s时摩擦盘上的滑行界面原位观察图像,虚线圆显示了近似的接触区域。由于摩擦盘逆时针转动,接触区域进口位于每个图像的右侧。
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图 8 摩擦盘表面上的原位观察图像 Fig.8 In-situ observation image on the friction disk surface |
在使用CS80的情况下,磨损产物产生并逐渐堆积在接触区域的进口处,而在使用镍合金的情况下,没有磨损产物产生,但在接触区域内观察到半球透镜表面有严重划痕。由于透镜由SiO2制成,没有发生黏附,但是如果透镜由金属制成,那么会发生严重黏附。在使用镍合金的情况下,出现在接触区域的气泡很可能是由沸腾引起的,表明由于划痕,接触区域温度增大。
图 9为80~110 s期间内测量的摩擦界面上的原位拉曼分析光谱。在CS80接触区域,当使用H2O或溶液1的情况下,检测到γ-FeOOH峰值大约为250 cm-1,而当使用溶液3的情况下,检测到Fe3O4峰值大约为670 cm-1。磨损产物上的光谱显示了相同的结果。而在使用镍合金的情况下,除了那些SiO2半球透镜背景中的以外,没有检测到峰值。这样,在使用不同环境液体的情况下,会产生不同的腐蚀产物。这些现象与普通氧化铁的形成和转化途径吻合,当环境液体的pH值为5~7和大于8时,分别产生γ-FeOOH和Fe3O4。因此,在使用CS80的情况下,磨损产物属于腐蚀产物[11]。
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图 9 摩擦盘表面原位拉曼分析光谱 Fig.9 In-situ Raman analysis spectrum of the friction disk surface |
3 讨论与分析
根据试验结果,假设腐蚀条件下的摩擦引起轻度磨料磨损或腐蚀磨损,而非腐蚀条件下的摩擦引起严重黏附磨损,如图 10所示。
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图 10 低合金钢(左)和耐腐蚀合金(右)磨损机理示意图 Fig.10 Schematic diagram of the wear mechanism of low-alloy steel (left) and corrosion-resistant alloy (right) |
2种钢表面之间的摩擦常常存在金属对金属黏附,在一些情况下尺寸增大形成相当大的黏附或划痕。然而,在腐蚀条件下,表面持续溶解或被阳极反应氧化,从而可防止黏附,这类似于自润滑。虽然常常认为腐蚀磨损能够引起相对较高的磨损速率,但研究结果表明,腐蚀磨损要比黏附磨损轻得多。
如果假设成立,那么在非腐蚀条件下,碳钢摩擦应会引起黏附磨损,而在强酸等腐蚀条件下,耐腐蚀合金摩擦应该引起磨料磨损和腐蚀磨损。为了获得假设的支持证据,利用氩保护气氛手套箱中的脱氧己烷而不是水溶液作为环境液体进行了额外的试验,避免了氧化。
图 11为腐蚀和非腐蚀条件下各种盘材料的磨损速率,结果表明包括碳钢的所有材料在非腐蚀条件下磨损速率较高。地面观察结果如图 12所示,表明由于严重黏附,碳钢摩擦导致磨损速率较高。
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图 11 腐蚀和非腐蚀条件下各种盘材料表面磨损速率 Fig.11 Wear rates of disk surface of various materials under both corrosive and non-corrosive conditions |
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图 12 腐蚀和非腐蚀条件下磨损试验后球和盘表面光学图像 Fig.12 Optical image of ball and disk surface after wear test under both corrosion and non-corrosive conditions |
另外,还用盐酸进行了腐蚀条件下耐腐蚀合金的磨损试验。由于100Cr6也发生了轻度腐蚀,不可能得到明确的结论,但是在耐腐蚀合金的表面上确实发生了磨料磨损和腐蚀磨损。
耐腐蚀合金套管磨损很有可能由黏附磨损引起,因此,必须采取办法避免任何情况下耐腐蚀合金和工具之间的黏附,例如,耐腐蚀合金表面使用陶瓷等惰性材料,或工具表面使用碳钢等腐蚀性材料。虽然第1种方法明显能有效防止黏附,但耐腐蚀合金的研磨产物会困在粗糙的陶瓷表面,因此从此刻起,开始发生黏附,成为关键的磨损机理。另一方面,第2种方法不应发生黏附,这是因为腐蚀磨损发生在工具表面,工具损耗会加大。因此,耐腐蚀合金套管磨损是一个极为困难的问题[11]。
4 结论(1) 磨损试验结果显示,黏附磨损导致高磨损速率,而磨料磨损导致低磨损速率,表明套管磨损受到黏附发生的强烈影响。
(2) 电化学测量结果表明:在使用钢球的情况下,磨损速率随着腐蚀电流密度的增大而降低,然而,在使用Al2O3陶瓷球的情况下,磨损速率和腐蚀电流密度之间没有明显关联,表明磨损速率随着腐蚀性的增大而降低。
(3) 原位观察和分析显示,产生腐蚀产物的同时摩擦引起了划痕,而在使用耐腐蚀合金的情况下,没有产生腐蚀产物并出现严重划痕。
(4) 在使用钢工具的情况下,耐腐蚀合金会发生金属对金属黏附,导致高磨损速率,而低合金钢能够避免表面氧化引起的黏附。
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