氮離子注入對鉆桿接頭材料表面硬度的影響

偏心鉆桿接頭的設計

采用俄歇電子能譜儀分析ta離子注入鋁青銅合金的ta、cu和al元素分布,利用顯微硬度儀測量注入ta離子鋁青銅的顯微硬度,用摩擦磨損試驗機分析qal9-4鋁青銅的摩擦系數(shù)和磨損質(zhì)量損失。結(jié)果表明:隨ta離子注入劑量的增加,鋁青銅中的ta原子濃度升高,離子注入深度超過100nm,顯微硬度顯著增高,在距合金表面約60nm深處硬度達到最大值;鋁青銅的摩擦系數(shù)顯著降低,單位時間內(nèi)磨損質(zhì)量損失顯著減小,因此明顯提高了鋁青銅的耐磨性能。

為了提高鉆桿接頭的使用壽命,利用離子滲氮和硫氮共滲技術在鉆桿接頭材料35crmo鋼表面制備了氮化層和硫氮共滲層。在油潤滑條件下采用自制的球-盤磨損試驗機考察了表面滲層的摩擦磨損性能。利用了xrd研究了表面層的相結(jié)構(gòu),采用了帶eds的sem對表面改性層和磨損表面進行了分析。結(jié)果表明:35crmo鋼硫氮共滲層的摩擦學性能明顯優(yōu)于原始滲氮層;具有優(yōu)良潤滑作用的fes固體潤滑膜在高硬度氮化層的支撐下,可以有效地改善鉆桿接頭的摩擦磨損性能。

應用離子滲氮與離子滲硫技術,在鉆桿接頭材料35crmo鋼表面制備了硫氮復合處理層。采用m-200環(huán)塊磨損試驗機,對比研究了原始滲氮表面與硫氮復合表面在干摩擦條件下的抗磨損性能。結(jié)果表明,在干摩擦的條件下,由于摩擦副的接觸表面缺乏潤滑,硬度較高的滲氮層會加劇接觸表面的磨損。而硫氮復合處理層由于在表面存在一層硫化亞鐵固體潤滑層,在磨損過程中可以起到一定的潤滑作用,因此其在干摩擦條件下具備更好的抗磨損性能。

鉆桿受到鉆井液的沖蝕會有不同程度的損傷,若在鉆桿接頭部位出現(xiàn)沖蝕坑就可能使鉆桿失效,引發(fā)鉆井事故。鑒于此,通過試驗分析了鉆井液流量、粘度、密度、鉆井液中固相顆粒體積分數(shù)及固相顆粒粒徑對鉆桿接頭沖蝕量的影響規(guī)律。結(jié)果表明,鉆井液密度對鉆桿接頭的沖蝕影響基本可以忽略;鉆井液流量與粘度的增大會導致沖蝕量增大;固相顆粒是造成鉆桿接頭沖蝕的主要原因,固相顆粒體積分數(shù)的增大與粒徑的減小均會導致沖蝕量增加。沖蝕量較大的位置在鉆桿內(nèi)外接頭結(jié)合處、公接頭與鉆桿本體焊接后端臺階處以及公接頭出口處。因此,應在強度等條件允許的情況下,改進鉆桿接頭部分的結(jié)構(gòu)與尺寸,使流動平穩(wěn)地過渡,防止因截面突變而引起渦流的產(chǎn)生或流速的加快,以盡量減少沖蝕量;在鉆井過程中,應當采取切實有效的措施加強對固相的控制。

近年來由于深井、定向井等逐年增多,鉆桿內(nèi)螺紋接頭縱裂破壞成為常發(fā)事故。鉆桿接頭的各種縱向開裂屬于低應力脆性斷裂。當接頭橫向材料韌性不足時,任何表面損傷及缺陷如摩擦熱裂紋等,都可作為裂紋源向縱深擴展。應用失效評估圖技術估算表明,橫向材料v型缺口夏比試樣室溫沖擊功大于100j時,將顯著減少鉆桿內(nèi)螺紋接頭縱裂破壞,失效案例統(tǒng)計數(shù)據(jù)驗證了這一結(jié)果。

針對石油鉆井關鍵產(chǎn)品高強度鉆桿接頭的使用要求,在保證強度指標要求非常高的前提下,研究摸索增加高溫正火后再調(diào)質(zhì)的工藝方法,以改善接頭材料原始微觀帶狀組織和纖維結(jié)構(gòu),細化晶粒,提高鉆桿接頭的沖擊功,使該產(chǎn)品力學性能達到api標準的要求。

隨著鉆井技術的進步,要求鉆桿接頭可傳遞更大的扭矩以適應各種復雜的工作環(huán)境,因此對其抗扭性能研究變得尤為重要。為此,設計了一種新型雙臺肩鉆桿接頭。與一般的雙臺肩鉆桿接頭相比,新型鉆桿接頭增加了外螺紋接頭和內(nèi)螺紋接頭圓柱孔部分的長度,使得鉆桿接頭可以保證鉆桿在井下傳遞更大的扭矩而不發(fā)生失效。利用有限元軟件建立了api標準接頭和新型雙臺肩鉆桿接頭的有限元分析模型。由有限元計算結(jié)果可知,新型雙臺肩鉆桿接頭的抗扭能力明顯高于api標準接頭,可傳遞更大的扭矩。油田中應用也表明新型雙臺肩鉆桿接頭的性能優(yōu)于api標準接頭。

分析了某井一批雙臺肩鉆桿接頭開裂失效事故。試驗分析表明,裂紋主要位于外螺紋臺肩面附近的頸部和第1~3牙螺紋根部,具有沿晶、分枝擴展特征。掃描電鏡斷口形貌和能譜分析結(jié)果證實該批鉆桿接頭屬于h2s應力腐蝕開裂,導致接頭開裂的主要原因是鉆桿接頭材料強度和硬度偏高,鉆桿接頭內(nèi)徑偏大,使失效部位的應力水平增大,且鉆桿接頭本身承受扭矩過大。分析結(jié)果對雙臺肩接頭的研究開發(fā)和使用具有很好的參考價值。

通過化學成分分析、力學性能測試、組織結(jié)構(gòu)分析和高溫高壓模擬試驗,對127mm(5″)s135鉆桿接頭內(nèi)壁出現(xiàn)劃痕、凹槽和腐蝕三種失效形式,鉆桿的腐蝕速率和腐蝕產(chǎn)物進行分析研究。結(jié)果表明:該鉆桿接頭的材料性能符合相關標準要求,鉆桿接頭腐蝕機理是氧腐蝕,腐蝕產(chǎn)物主要是fe3o4和feooh,劃痕和凹槽是由于使用不當和卡槽所致。

文章介紹了等離子弧焊的原理、設備及關鍵技術;總結(jié)了等離子弧焊的主要特點;提出增加送絲機,組成既可送粉焊接又可送絲焊接的兩用設備。

在每年發(fā)生的鉆桿失效事故中約40%是其內(nèi)螺紋接頭直角臺肩根部的疲勞開裂。對鉆桿接頭水眼結(jié)構(gòu)及其疲勞強度的研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)螺紋接頭水眼結(jié)構(gòu)尺寸明顯影響直角臺肩根部的應力水平,直角臺肩根部的壁厚是影響該部位疲勞強度的主要因素。鑒于api標準和我國行業(yè)標準均沒有規(guī)定內(nèi)螺紋接頭的內(nèi)徑尺寸這一狀況,應用力學計算、有限元分析及全尺寸疲勞試驗方法優(yōu)化設計了鉆桿內(nèi)螺紋接頭合理的水眼結(jié)構(gòu)尺寸,現(xiàn)場試驗和現(xiàn)場調(diào)查均表明這種合理結(jié)構(gòu)接頭的直角臺肩根部不再發(fā)生疲勞刺漏,其疲勞強度大于鉆桿管體。

鉆桿接頭是石油鉆柱的重要組成部分,而耐蝕性是鉆桿接頭性能的重要指標。通過硫酸銅點滴試驗,研究了磷化液的游離酸度、總酸度、酸比、磷化時間和溫度對鉆桿接頭磷化膜耐蝕性的影響,得出各參數(shù)的最佳范圍。結(jié)果表明:控制磷化液的游離酸度12～15點,總酸度140～170點,酸比10～11,磷化溫度75℃左右,磷化時間20～25min,所得磷化膜耐腐蝕性能最佳。

某井鉆桿在使用中發(fā)生接頭脹大和脫扣事故。采用化學成分分析、力學性能測定、宏觀和微觀組織檢驗、尺寸測量及鉆桿的力學分析等方法對其進行了分析和討論。結(jié)果表明,鉆桿接頭材質(zhì)符合標準要求,鉆桿接頭在使用過程中脹大失效的原因主要是井下扭矩超過了鉆桿接頭的承載能力所致。

鉆桿工具接頭的抗扭強度普遍低于管體,為滿足使用需要,考慮選擇非api雙臺肩高抗扭矩接頭。為此,使用i-deas和marc兩個大型有限元分析軟件,在sgiindig02impactr10000型工作站進行計算機仿真,對s-135鉆桿接頭雙臺肩齒面與臺肩部位應力分布進行分析,并將計算結(jié)果與api標準接頭進行對此。結(jié)果表明,雙臺肩工具接頭的抗扭能力是api標準接頭的1.5倍。

1·問題的提出在地質(zhì)勘探中,鉆機通過鉆桿和各種管接頭將扭矩和軸向壓力傳到鉆頭,從而對巖層不斷地進行破碎。因此鉆桿管接頭除了外表面不斷與孔壁巖層發(fā)生摩擦外,還承受巨大的彎曲扭轉(zhuǎn)及沖擊力的作用,而且管接頭的絲扣處還容易產(chǎn)生磨損變形。根據(jù)鉆具的工作條件,要求鉆桿的接頭必須具備強度高、韌性好、表面耐磨性高、抗彎力強。因此鉆桿接頭一般采用合金結(jié)構(gòu)鋼(如

針對國產(chǎn)石油鉆桿接頭存在強韌性配合不良的問題,試驗研究了鉆桿接頭用鋼37crmoe。就該鋼種的化學成分和冶金質(zhì)量對材料力學性能的影響、冶金質(zhì)量對淬透性的影響等進行了分析討論。試驗研究表明:(1)經(jīng)880℃正火、860℃淬火、在530～600℃溫度范圍內(nèi)回火后,37crmoe鋼具有較好的綜合力學性能,其強韌性配合滿足sy5290—1991《石油鉆桿接頭》標準的要求,可替代40crnimoa和40crmnmo鋼;(2)37crmoe鋼的淬透性元素搭配合理,有害元素s、p等明顯減少,夾雜物少且均勻化。這是提高該鋼種淬透性及綜合力學性能的主要原因

采用功率為2kw、掃描速度為100mm/min的工藝參數(shù)對鉆桿接頭材料30crmnsia鋼進行了表面相變硬化處理,研究了相變層的組織和硬度特征。實驗結(jié)果表明,30crmnsia鋼表面相變硬化層分為完全淬硬層、過渡層和受熱影響的基體組織,硬化層的顯微組織明顯細化,其表面層的硬度比高頻淬火的硬度提高了30%,淬硬層深度達17mm,比高頻淬火深度提高近1倍。

鉆桿接頭激光淬火硬度及金相分析

鉆桿接頭螺紋退刀尺寸是指外螺紋接頭的臺肩面到螺紋消失前第一個完整螺紋之間的距離。gb9253．1－88規(guī)定退刀尺寸應小于或等于12．7mm內(nèi)螺紋，鉆桿接頭內(nèi)螺紋的錘孔尺寸為16±2mm，以保證內(nèi)、外螺紋嚙合良好。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，從日本nkk公司進口的所有φ127mm鉆桿接頭外螺紋退刀尺寸都大于12．7mm，鏜孔尺寸為16～18mm。而apispec7k規(guī)定鉆桿接頭內(nèi)螺紋最小鏜孔尺寸為15．9mm。鑒于此，建議對我國的有關標準作相應修改，與api標準保持一致。

鉆桿接頭的優(yōu)化處理需要從很多方面進行考慮,這就要求在材料和熱處理方面必須進行嚴格的規(guī)定。這樣才能保證接頭的韌性和強度要求,達到延長壽命的要求。本文結(jié)合鉆桿接頭的損壞原因作了一些分析,提出了相應的處理方法,并對鉆桿接頭進行優(yōu)化設計,來達到增加鉆桿疲勞壽命的的目的。

專利號：zl200620044752．9 專利權(quán)人：寶山鋼鐵股份有限公司 設計人：趙鵬