鉆桿接頭耐磨帶材料研究進展

王鎮全，張　凱，王德國，趙　波

(中國石油大學(北京) a.石油工程學院；b.機械與儲運工程學院，北京 102249)①

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鉆桿接頭耐磨帶材料研究進展

王鎮全a，張凱b，王德國b，趙波b

(中國石油大學(北京) a.石油工程學院；b.機械與儲運工程學院，北京 102249)①

摘要：隨著鉆井技術的不斷發展，對鉆桿接頭的防磨、減摩特性提出了更高的要求。在眾多鉆桿接頭防磨技術中，鉆桿接頭耐磨帶操作方便，效果最好，是減少鉆桿、套管磨損的最有效措施。分析了鉆桿接頭耐磨帶的工作原理及其對材料性能的要求，綜述了國內外鉆桿接頭耐磨帶材料研究的歷史和現狀，并介紹了國內外各類鉆桿接頭耐磨帶材料的優缺點，指出了我國鉆桿接頭耐磨帶材料研究的不足和發展方向。

關鍵詞：鉆桿接頭；耐磨帶；材料

隨著油氣田勘探開發鉆井技術的不斷發展，深井、大位移井、水平井、多分支井、大斜度井等復雜井身結構的應用越來越廣泛，石油鉆井過程中地層結構也越來越復雜，其中強研磨性地層的數量急劇增加，這都對鉆桿的防磨與減摩特性提出了更高的要求。

鉆桿接頭是鉆桿的重要組成部分，采用較大壁厚，接頭外徑大于鉆桿本體外徑，用以連接鉆桿形成管柱。在鉆進過程中，當井斜角較大或鉆柱受到側向力作用時，鉆桿接頭與井壁或套管內壁接觸摩擦，造成鉆桿接頭和套管壁的雙向磨損。目前，鉆桿接頭防磨技術主要有：鉆桿接頭耐磨帶、鉆桿膠皮護箍、旋轉鉆柱接頭、鉆桿保護器等，其中鉆桿接頭耐磨帶操作方便，效果最好，是減少鉆桿、套管磨損的最有效措施。

在研磨性較強的地層中，常規材料鉆桿接頭的耐磨帶磨損嚴重，使得鉆桿的使用壽命顯著降低，脹扣、脫扣、斷鉆桿等井下事故明顯增加，鉆桿接頭的返修率急劇升高，維修費用和鉆桿報廢量急劇增加。在井身結構較復雜的井中，由于套管層次多、鉆柱變形彎曲嚴重，常規材料鉆桿接頭耐磨帶對套管的磨損比較大，起不到防磨保護的作用。

隨著鉆桿接頭耐磨帶材料在現場應用中出現的問題的逐步解決，新型耐磨帶材料不斷被推出，耐磨帶的材料品種也越來越豐富。本文綜合評述鉆桿接頭耐磨帶材料的發展及其應用，為推動鉆桿接頭耐磨帶技術的進一步完善具有重要意義。

1鉆桿接頭耐磨帶對材料性能的要求

耐磨帶是在鉆桿接頭、鉆鋌或加重鉆桿上固定一層硬化層。該硬化層將鉆桿接頭與套管或井壁隔離，具有一定的硬度，可保護鉆桿接頭。摩擦因數低于鉆桿接頭，可減少對套管的磨損。耐磨帶通常采用惰性氣體保護焊工藝固定在鉆桿母接頭末端，如圖1。

圖1　鉆桿耐磨帶焊接過程及焊接完成后的耐磨帶

鉆桿接頭耐磨帶早在20世紀30年代就已出現，早期主要用來保護鉆桿和其他工具免受磨粒磨損，延長使用壽命。但是隨著大位移井、水平井、高溫高壓井等復雜井的增加，鉆桿接頭耐磨帶對套管磨損嚴重，套管失效事故增加，每年給油田造成上百萬美元的維修、側鉆甚至全井報廢成本。此后，新型耐磨帶注重減輕鉆柱在旋轉鉆進和起下鉆過程中對套管的磨損，與此同時卻犧牲掉了耐磨帶對鉆桿接頭的保護作用。20世紀90年代中期，由于鉆桿的價格、運輸時間、運輸成本增加，人們開始重新重視耐磨帶對鉆桿的保護作用，新的“套管友好型”耐磨帶引入到鉆井工業中。經過近20 a的發展，耐磨帶材料已經可以有效地解決套管、隔水管和鉆桿接頭的磨損問題[1-7]。

鉆桿接頭耐磨帶材料必須同時具有3方面的性能：

1)耐磨性。該材料耐磨帶在裸眼井壁中抵抗地層巖石磨損的能力。

2)減摩性。該材料耐磨帶可以將其對套管的磨損控制在可以接受的范圍內。

3)摩擦因數。某一材料耐磨帶摩擦因數大小首先與其減摩性的優劣息息相關，摩擦因數越小，與套管之間的摩擦力越小，對套管造成的磨損也越小，此外，摩擦因數低可大幅降低鉆柱的轉矩和起下鉆阻力，有利于減少能量的損耗，節省成本。

2國外耐磨帶材料的發展現狀

鉆桿接頭耐磨帶材料的發展過程分為2個階段：第1階段為硬質合金材料階段，從20世紀30年代到90年代初；第2階段為“套管友好型”材料階段，20世紀90年代至今。

2.1硬質合金材料階段

硬質合金材料耐磨帶在20世紀30年代由休斯工具公司發明并投入市場，主要用來防止鉆桿接頭在裸眼井段的磨粒磨損，提高鉆桿使用壽命。

這種耐磨帶由低碳鋼基體和硬質合金顆粒構成，在耐磨帶焊接過程中將硬質合金顆粒均勻分布到熔融狀態的低碳鋼熔池中。該材料耐磨帶可以防止鉆桿接頭與裸眼井壁接觸，在油田工業早期大都是淺井(<1 500 m)和直井(井斜低于2°)時是一種非常有效的保護鉆桿接頭的方法[8-9]。

但是，隨著世界范圍的井結構越來越復雜、井深越來越深、井斜角越來越大，人們開始關注硬質合金耐磨帶引起的套管失效問題。試驗研究證實在旋轉鉆進和起下鉆過程中，由于這種耐磨帶的基體合金相對較軟，鑲嵌其中的硬質合金顆粒很快出露，對套管壁造成嚴重的磨粒磨損，并最終導致套管的失效。

此后，油田公司為了避免套管失效造成的損失決定停用硬質合金耐磨帶，只允許使用無耐磨帶的光鉆桿或其他防磨技術(例如鉆桿保護器、旋轉鉆柱接頭、防偏磨器等[10]。使用光鉆桿時鉆桿壽命大幅降低，且不能改善套管的磨損問題，這種做法很快被禁止；其他防磨技術可以在一定程度上降低套管的磨損，但普遍面臨成本高、結構復雜、安裝困難、壽命低、容易造成井下事故等問題。

因此，各大技術服務公司開始研發新的材料來代替硬質合金，這些材料的普遍特點是摩擦因數低，對套管的磨損小，硬度較高，可以在一定程度上保護鉆桿接頭，此后鉆桿接頭耐磨帶材料的發展進入了“套管友好型”材料階段。

2.2“套管友好型”材料階段

“套管友好型”材料具有低的摩擦因數，這種材料耐磨帶與套管內壁接觸時產生的摩擦力和摩擦熱小，造成較低的套管磨損。“套管友好型”材料主要有2種：一種是“非晶態”材料耐磨帶，另一種是“晶態”材料耐磨帶。晶態材料是指材料內部的原子排列遵循一定的規律。反之，內部原子排列處于無規則狀態的材料稱為非晶態材料。

2.2.1“非晶態”材料耐磨帶

1990年，Liquidmetal科技有限公司研發了一種叫Armacor MTM的鉻合金耐磨帶材料，該材料是一種“非晶態” (加工硬化)材料，該合金材料微觀結構沒有晶界，呈單一的原子結構分布，此種金屬結構突出的特點是具有非常低的摩擦因數，因此對套管的磨損很小，可大幅降低套管的磨損，是第一種“套管友好型”耐磨帶材料，使耐磨帶技術向前邁進了一大步。該耐磨帶材料的缺點是耐磨能力不足，原因是“非晶態”耐磨帶只有一層很薄的只有幾微米厚的非晶態保護(加工硬化)層，承受高壓磨損的能力差，不能很好地保護鉆桿接頭[11]。

2.2.2“晶態”材料耐磨帶

1992年末，安科科技公司研發了新一代的碳化鉻合金耐磨帶ARNCO 200XTTM。這種材料耐磨帶既可以有效地降低套管的磨損又可以保證鉆桿接頭在裸眼井段的耐用性以最大限度地減輕鉆桿接頭的磨損。但是ARNCO200XT在敷焊過程中易產生微裂紋，雖然在使用過程中沒有影響，但在重新敷焊時要將有裂紋的部分全部鏟掉。隨后，安科公司又陸續開發出ARNCO 100XT、ARNCO 300XT、ARNCO 150XT和ARNCO 350XT鉆桿接頭耐磨帶材料，克服了ARNCO200XT存在的問題。如表1～2。

1)ARNCO100XT耐磨帶合金[12]。ARNCO 100XT是一種包含鉻、錳和鉬的鐵基合金，可實現無縫焊接；洛氏硬度達50以上，可較好地保護鉆桿接頭；固有的低摩擦因數是Arnco100XT耐磨合金最顯著的特性，在安科系列產品中其減摩性能最優，可有效降低鉆井管柱與套管、隔水管、防噴器接觸造成的磨損，延長相關設備的使用壽命。

2)ARNCO300XT耐磨帶合金[13]。ARNCO300XT是美國安科技術公司的“第三代” 產品，是一種包括鎳、硼和鈮的鐵基合金，屬于無鉻金屬材料，對環境污染小，可以在100XT和150XT舊耐磨帶上直接加焊；洛氏硬度高達60以上，耐磨能力較強，可在極度研磨地質結構的裸眼地層中使用，同時可降低對套管的磨損，對套管內側的徑向磨損為最低。

3)ARNCO150XT耐磨帶合金[14]。ARNCO150XT是安科公司第四代產品，是一種高級無裂紋、套管友好耐磨帶，繼承了100XT 和 300XT的優點，耐磨帶能力介于ARNCO100和ARNCO300之間，摩擦因數低，減摩能力高于ARNCO300和ARNCO100，其焊接簡單且焊接過程產生很少的火花和煙塵，且保持一定的韌性可承受在大位移井、深井和水平井的嚴苛鉆井條件下產生的大轉矩和高溫；能在多種外界環境下補焊，而不會產生裂紋和脫落，同時抗硫化氫腐蝕。

表1　安科系列耐磨帶性能對比

4)ARNCO350XT耐磨帶合金[15]。ARNCO350XT是安科公司的最新一代的產品。與300XT相比，耐磨性進一步增強了，對套管的損傷也進一步降低，是目前安科公司耐磨性能最強的產品，其洛氏硬度達60以上，100%無裂紋，具有硬、堅韌、高耐磨、套管友好等特性；可容易地焊接在新鉆桿接頭上，并且可無限次地直接在100XT、150XT、 350XT以及大多數無裂紋的其他耐磨帶產品上直接焊接，無需去除原有耐磨帶。

表2　安科系列耐磨帶合金兼容性

注：1)√為可在舊耐磨帶上焊接新材料。

2)×為不可在舊耐磨帶上焊接新材料。

3國內耐磨帶材料的發展現狀

國內耐磨帶材料的發展過程基本與國外一致，但是發展時間相對滯后，耐磨帶材料性能及相關配套工藝與發達國家相比還有一定差距，擁有自主知識產權的耐磨帶材料大多數仍為硬質合金耐磨帶，“套管友好型”材料只在一些專業刊物上偶有報道，且大多為參考國外成型產品。盡管如此，我國的“套管友好型”耐磨帶材料已經起步，一些材料已經取得了很大的進步，部分性能甚至超過了國外同類耐磨帶材料。只是大多數仍然停留在研究和試驗階段，并沒有大規模量產并投入應用[16]。

下面就近幾年國內企業自主研發的產品進行介紹：

1)Nate 505J耐磨帶材料[17]。

西安納特石油技術有限責任公司研制的Nate 505J耐磨帶材料是一種高抗裂性鉆桿接頭耐磨帶合金。該材料耐磨帶熔敷金屬硬度高達60 HRC 以上。Nate 505J 鉆桿耐磨帶現場堆焊試驗表明：①鉆桿接頭堆焊Nate 505J 耐磨帶后一般不會產生明顯的冷熱裂紋；②堆焊時飛濺很少或幾乎沒有飛濺，耐磨帶成型平整；③該焊絲還具有很好的重復堆焊性，工藝簡單。

2)Nate707J耐磨帶材料[18]。

西安納特石油技術有限責任公司開發研制的Nate707J耐磨帶材料是一種鐵基非晶態合金型耐磨帶材料。該材料耐磨帶熔敷金屬硬度在50 HRC 以上，試驗證明其高耐磨性與ARMACOR Mstar非晶態耐磨帶的耐磨性基本相當，是ARNCO 100XT材料堆焊的耐磨帶的3.8～3.9倍。

3)PT100耐磨帶材料[19]。

由于合金粉末鉆桿接頭耐磨帶對套管造成嚴重的磨損，不適用于現在的鉆井作業，但國外“套管友好”型材料耐磨帶價格高昂，因此，中原石油勘探局與國內某焊接材料研究機構合作開發出PT100耐磨帶材料，其性能和特點如下：①焊接過程穩定，殘渣、飛濺少；②耐磨能力高于硬質合金耐磨帶；③摩擦阻力降低，對套管磨損更小；④二次加焊能力好。

4)BoTn3000耐磨帶材料[20]。

上海博騰焊接材料有限公司生產的BoTn3000耐磨帶材料是一種無鉻耐磨帶材料。該材料耐磨帶熔敷金屬硬度在50 HRC 以上，焊接工藝性良好、飛濺小，可以堆焊在各種鉆桿接頭、整體加重鉆桿、摩擦焊加重鉆桿、鉆鋌及各種井下工具表面，延長壽命。該材料耐磨帶硬度高、耐磨性好，已達到國外同類產品先進水平。

5)金剛石復合材料鉆桿接頭防磨材料[21-22]。

中國石油大學(北京)王鎮全開發研制的耐磨帶材料是一種金剛石復合材料鉆桿接頭防磨材料。該耐磨帶材料與其他材料不同，是聚晶金剛石復合材料，由聚晶金剛石、鑄造碳化鎢以及銅、鈷、鎳合金組成。該耐磨帶材料具有極強的耐磨性，在強研磨性地層中可很好地防止鉆桿接頭的磨損，對鐵基金屬材料的磨損能力弱，對套管具有良好的保護作用，摩擦因數小，在旋轉過程中摩擦阻力小。

6)其他。

國內有關鉆桿接頭耐磨帶材料研制的報道相對較少，國內一些單位、高校、研究所等機構正在研究生產新型耐磨帶材料。例如已在業內使用的產品“耐特3000”，北京加倍德工程技術有限公司研制出的一種套管友好型耐磨帶材料[23]，以及北京工業大學賀定勇等人開發研制的一種鐵基鉆桿接頭耐磨帶[24]，不含鉻元素，是一種環境友好型耐磨帶材料，具有高耐磨和高抗裂的綜合性能。新型高性能鉆桿接頭耐磨帶材料的開發研制，已引起了業內人士的重視，這必將推動我國新型耐磨帶材料技術的發展。

4結論

1)目前國內、外鉆桿接頭耐磨帶材料的研究還處于“套管友好型”材料階段。國外鉆桿接頭耐磨帶材料正在向高耐磨性、高套管友好性、高重焊性的方向發展。國內“套管友好型”耐磨帶材料只在一些專業刊物上偶有報道，且大多為模仿國外成型產品的跟風之作，而且材料性能與發達國家相比還有一定差距。

2)美國安科技術公司研發的ARNCO系列耐磨帶仍然是目前性能最好的耐磨帶材料，其最新一代的產品ARNCO350XT是目前安科公司耐磨性能最強的產品，也是目前所有耐磨帶產品中綜合性能最好的產品，具有硬、堅韌、高耐磨、套管友好等特性，可保證100%無裂紋。

3)國內研究機構應注重國產新型耐磨帶材料的開發，并及時了解國外主要公司的產品動態，引進國外先進的鉆桿接頭耐磨帶材料，對其消化吸收，加快開發出價格合理、性能優良的新型耐磨帶材料，從而提升我國自主研發能力和國內技術水平。

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Research Progress of Wear-resistant Belt Material in Drill Joint

WANG Zhenquana，ZHANG Kaib，WANG Deguob，ZHAO Bob

(a.CollegeofPetroleumEngineering；b.CollegeofMechanicalandTransportationEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

Abstract：As oil and gas field exploration and development technology advanced，the requirements are put forward on the wear and anti-friction characteristics of tool joint.In numerous anti-wear technology of tool joint，the wear-resistant belt，with convenient operation and best effect，is the most effective measures to reduce wear of drill pipe or casing.In this paper，the working principles of wear-resistant belt and properties of the material requirements are analyzed.The research history and status quo of wear-resisting material in tool joint at home and abroad are reviewed.And the advantages and disadvantages of all kinds of wear-resisting materials are introduced.Finally，the weaknesses and development orientation in domestic wear-resistant belt materials in drill joint are pointed out.

Keywords：drill joint；wear-resistant belt；material

中圖分類號：TE921.204

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.021

作者簡介：王鎮全(1965-)，男，山東人，高級工程師，主要從事超硬材料在石油工程中的應用、巖石破碎機理與破巖工具、鉆井工程技術的研究和教學工作，E-mail：wangzhenquan@126.com。

基金項目：國家國際科技合作專項項目(2012DFR70160)

收稿日期：①2015-08-11

文章編號：1001-3482(2016)02-0094-05