鈹青銅在隨鉆測(cè)井中的應(yīng)用研究

季新標(biāo)，秦才會(huì)，丁元皓，朱玉寧，曹云風(fēng)

（中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149）

在隨鉆測(cè)井行業(yè)中，由于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，環(huán)境非常惡劣，鉆探設(shè)備及測(cè)井設(shè)備的使用過(guò)程中，外部巖漿夾雜著高氯、二氧化碳、氫和酸等物質(zhì)[1]。因此，需要一種高強(qiáng)度、耐腐蝕、無(wú)磁性、耐磨、耐疲勞等特性的材料來(lái)作為鉆探設(shè)備的主體或關(guān)鍵零部件來(lái)滿足這些復(fù)雜的環(huán)境要求。C17200是一種沉淀硬化鈹銅基合金，具有良好的綜合性能，該合金經(jīng)固溶時(shí)效處理后具有較高的硬度、強(qiáng)度、彈性極限及疲勞極限，它還有較強(qiáng)耐腐蝕性、導(dǎo)電性及無(wú)磁性，使其在低溫、高溫、高壓及酸性的惡劣環(huán)境下具有較長(zhǎng)的使用壽命[2]。因此，其廣泛應(yīng)用于各種高新技術(shù)領(lǐng)域的制造業(yè)，特別適用于石油鉆探設(shè)備，使隨鉆儀器能滿足在惡劣井下環(huán)境中的應(yīng)用要求。

1 鈹銅合金性能

鈹銅合金也被稱(chēng)為鈹青銅，是一種既可以鍛造又可以鑄造的合金材料，屬于時(shí)效析出強(qiáng)化的銅基合金，經(jīng)淬火時(shí)效處理后，具有耐蝕、耐磨、耐疲勞、耐低溫、無(wú)磁性、優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等特點(diǎn)。憑借其優(yōu)異的性能，鈹青銅合金廣泛應(yīng)用于海洋工程、航天、新能源等領(lǐng)域[3]。鈹銅合金也是一種典型的沉淀強(qiáng)化合金，銅基體中析出的鈹銅相可提高合金的力學(xué)性能[4]。為了能直觀地得到鈹銅合金的性能數(shù)據(jù)，以目前石油行業(yè)常用的美國(guó)MATERION公司生產(chǎn)的C17200為對(duì)象進(jìn)行理化性能、拉伸性能分析。取直徑50mm棒材，熱處理狀態(tài)：固溶+時(shí)效。按照ASTM B196《銅鈹合金棒材和條材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》，ASTM E8《金屬材料拉伸試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》開(kāi)展材料理化性能及拉伸性能分析。

1.1 鈹銅合金的理化性能

測(cè)試鈹銅合金密度8.26g/cm3，采用R547洛氏硬度計(jì)測(cè)得硬度40.4HRC，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀ICP-AES對(duì)鈹青銅棒材的化學(xué)成分進(jìn)行分析，各項(xiàng)成分見(jiàn)表1。

表1 鈹青銅的化學(xué)成分（w），%

1.2 鈹銅合金拉伸性能

取樣位置：縱向（2件），實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：ASTM A370-19e13，實(shí)驗(yàn)設(shè)備：Z600雙立柱萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 鈹青銅的拉伸性能

鈹銅合金（C17200）只有經(jīng)過(guò)熱處理，才能獲得好的性能。它的熱處理分兩步進(jìn)行，第一步是固溶（淬火）熱處理，第二步是時(shí)效熱處理。一般淬火溫度是800℃，時(shí)效溫度是310℃左右，沒(méi)有淬火這一步，時(shí)效是無(wú)用的[5]。表2中的樣件均是通過(guò)固溶加時(shí)效處理的，通過(guò)測(cè)試性能抗拉強(qiáng)度最高能達(dá)到1 360MPa，可見(jiàn)熱處理后鈹銅強(qiáng)度獲得很大提高。下面通過(guò)表3的數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)體現(xiàn)固溶時(shí)效對(duì)鈹銅合金性能的影響[6]。

表3 固溶時(shí)效對(duì)鈹銅合金性能影響

1.3 拉伸斷口分析

實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)拉伸斷口的斷裂形貌完全一致，均是在實(shí)驗(yàn)段表面沖點(diǎn)處起源開(kāi)裂，多條放射棱線匯聚于實(shí)驗(yàn)段沖點(diǎn)缺口處，指示出斷裂起源的位置。斷口周?chē)鸁o(wú)明塑性變形，斷口宏觀形貌見(jiàn)圖1。斷口宏觀上明顯分成三個(gè)區(qū)，即點(diǎn)狀源區(qū)、中部快速擴(kuò)展區(qū)、四周剪切唇。在掃描電子顯微鏡下進(jìn)一步觀察各區(qū)形貌。點(diǎn)狀源區(qū)的特征是多條放射棱線指向表面沖點(diǎn)缺口處，說(shuō)明鈹青銅材料的缺口即應(yīng)力集中敏感程度高，使用時(shí)要特別小心。

圖1 鈹銅合金樣件拉伸斷口

2 鈹銅合金在隨鉆測(cè)井中的應(yīng)用

鈹銅合金在石油工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，如無(wú)磁性的鉆頭卡環(huán)、撓性鉆探卡環(huán)、MWD/LWD隨鉆測(cè)斜儀的抗壓外筒、脈沖器、帶螺紋的各種接頭、在采礦或頁(yè)巖氣等碳?xì)浠衔锏娜庸ぞ摺o(wú)磁鉆鋌等。隨著我國(guó)石油勘探和鉆井技術(shù)的進(jìn)步，“863”計(jì)劃中的鉆探控制系統(tǒng)研究取得了成功，國(guó)際上先進(jìn)的MWD/LWD無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀關(guān)鍵技術(shù)已被突破，標(biāo)志著中國(guó)的油氣勘探技術(shù)跨入與國(guó)外石油巨頭同一行列。2012年，湖州興貝克自行研制了高強(qiáng)度等軸晶MWD/LWD鈹銅合金抗壓外筒，對(duì)外承壓可達(dá)到140MPa，同時(shí)能經(jīng)受巖漿、泥沙的不斷沖刷，使用效果等同于美國(guó)進(jìn)口的產(chǎn)品，在硬度上甚至超過(guò)了它[1]。下面通過(guò)3個(gè)具體案例介紹鈹銅合金在石油工業(yè)中的應(yīng)用。

2.1 鈹銅合金在隨鉆測(cè)井系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中的應(yīng)用

中海油服的Drilog 隨鉆測(cè)井系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)“Drilog”）井下儀器有多種功能短節(jié)，主要包括隨鉆測(cè)量?jī)xDIM（MWD 系統(tǒng)）、工程參數(shù)測(cè)量?jī)xDSM 和隨鉆電阻率伽馬一體化測(cè)井儀ACPR 組成，這些短節(jié)需要進(jìn)行機(jī)械電氣連接形成測(cè)量系統(tǒng)[7]。如圖2所示，MWD短節(jié)和DSM參數(shù)儀之間的連接屬于插接適配連接，鉆鋌內(nèi)部機(jī)電接口由硬連接和適配頭插入對(duì)接實(shí)現(xiàn)[8]，硬連接和適配頭的材料均為鈹銅合金（17200）。短節(jié)功能獨(dú)立，具有故障定位方便，保養(yǎng)維護(hù)方便，研發(fā)周期上可分階段實(shí)施，作業(yè)時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行組合，接入方便。2 個(gè)功能短節(jié)連接時(shí)，既要保證鉆鋌連接可靠，內(nèi)部流道合理通暢，還要確保供電和信號(hào)上下傳遞可靠，同時(shí)還要求較高的耐腐蝕性和高疲勞強(qiáng)度。

圖2 鉆鋌內(nèi)部插接式示意圖

2.2 鈹銅合金在定向鉆機(jī)隨鉆測(cè)量裝置中的應(yīng)用

在定向鉆進(jìn)過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)井眼軌跡控制，需在測(cè)量探管后端接下無(wú)磁鉆桿，利用下無(wú)磁鉆桿為測(cè)量?jī)x器創(chuàng)造一個(gè)無(wú)磁環(huán)境，這就使得鉆頭與測(cè)量探管距離增大，從而影響了定位精度及測(cè)量效果。為此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研院所的科研人員從材料入手，選用無(wú)磁材料替代普通螺桿鉆具的外管材料，開(kāi)發(fā)了無(wú)磁螺桿鉆具，現(xiàn)有無(wú)磁螺桿鉆具的外殼材料大部分選用鈹銅。無(wú)磁螺桿鉆具的作用：一是避免由于使用普通螺桿鉆具而對(duì)測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生的磁影響；二是避免使用無(wú)磁鉆桿或接頭，減小了測(cè)量點(diǎn)與鉆頭位置的誤差，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性；三是可以屏蔽上下鉆具及孔壁周?chē)拇艌?chǎng)，以保證磁性測(cè)量?jī)x器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性[9]。

2.3 鈹銅合金在近鉆頭儀器中的應(yīng)用

在石油勘探的隨鉆測(cè)井過(guò)程中，鉆井軌跡需要更精確地按照工程設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行鉆進(jìn)，以便于能及時(shí)準(zhǔn)確地掌握地層信息、識(shí)別薄油層，從而提高鉆井效率，并把地層信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳輸?shù)降孛妫@樣技術(shù)人員才能及時(shí)地了解井眼軌跡的變化和地層信息的變化。為了實(shí)現(xiàn)這種功能，中海油發(fā)明了一種隨鉆近鉆頭測(cè)量裝置[10]，如圖3所示，其中電池筒和電池筒尾部固定座主要使用鈹青銅材料，主要考慮到鈹青銅材料的抗震性能和耐沖蝕性能比較好，強(qiáng)度較高。

圖3 近鉆頭儀器

中石化鉆井工藝研究院設(shè)計(jì)近鉆頭儀器時(shí)分別選取了無(wú)磁鉆鋌材料（N1310B）和鈹銅合金材料（QBe2）作為測(cè)量短接進(jìn)行對(duì)比分析，隨著測(cè)量壁厚的增加，兩種材料所能夠承受的極限扭矩都在增加，但鈹銅材料所能承受的扭矩范圍與增加的應(yīng)變范圍均高于無(wú)磁鉆鋌材料；相同壁厚情況下，鈹銅材料的測(cè)量短接所能承受的扭矩范圍與應(yīng)變范圍都比較大，同時(shí)鈹銅材料對(duì)相同扭矩輸入的靈敏度也較無(wú)磁鋼高，故實(shí)際選用了鈹銅合金材料加工制作測(cè)量短接的傳感器部分[11]。利用鈹青銅的彈性系數(shù)小、屈服極限大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的測(cè)量短節(jié)既可以增加測(cè)量短接的機(jī)械應(yīng)變量，減小轉(zhuǎn)換電路部分的放大倍數(shù)，又可以提高測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.4 應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題

鈹銅合金在隨鉆測(cè)井中得到了廣泛應(yīng)用，但是在應(yīng)用中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題。鈹銅無(wú)磁鉆桿在晉煤寺河礦用ZYWL-6000DS 定向鉆機(jī)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，一次性成功鉆進(jìn)孔深1 008m，但在晉煤集團(tuán)長(zhǎng)平礦、汾西雙柳礦進(jìn)行使用時(shí)，總鉆進(jìn)深度未到2 000m，鈹銅無(wú)磁鉆桿發(fā)生了斷裂，造成測(cè)量探管、下無(wú)磁鉆桿和螺桿孔底馬達(dá)掉落孔內(nèi)。無(wú)磁鉆桿斷裂都發(fā)生在有塌孔現(xiàn)象造成卡鉆事故，在旋轉(zhuǎn)、拉動(dòng)或強(qiáng)力起拔鉆具時(shí)[12]。2020年12月28日，中海油服深圳作業(yè)公司的EP24-2平臺(tái)發(fā)生一起鉆井工具斷裂故障。具體情況是儀器正常鉆進(jìn)至664m，接完立柱測(cè)斜，MWD三次測(cè)斜不成功，嘗試高低排量切換測(cè)斜未成功，BCMP在高排量3 300l/m下FID8出測(cè)斜（井斜21度）時(shí)信號(hào)消失。拆開(kāi)儀器，檢查硬連接情況，發(fā)現(xiàn)DIM2下端無(wú)硬連接，硬連接已經(jīng)從探管末端斷開(kāi)，繼續(xù)拆甩DIM2下端NMDC，從馬達(dá)上端發(fā)現(xiàn)掉落的硬連接堵頭，此時(shí)硬連接堵頭一部分?jǐn)嘣谟策B接里面。斷裂原因主要是應(yīng)力集中引起的疲勞斷裂，鈹青銅在時(shí)效狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度達(dá)1 000MPa 以上，但伸長(zhǎng)率降低至5%以下，韌性變差，在井下復(fù)雜應(yīng)力作用下極易造成脆斷，同時(shí)熱處理不當(dāng)、加工工藝處理不當(dāng)、表面處理方式不當(dāng)也容易造成鈹青銅抗拉強(qiáng)度降低而造成 斷裂。

3 結(jié)語(yǔ)

鈹青銅具有優(yōu)異的材料性能，在很多高端領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，在石油隨鉆測(cè)井領(lǐng)域中也有著其他材料不可替代的優(yōu)越性。目前鈹青銅材料在廣泛應(yīng)用的同時(shí)也出現(xiàn)一些隱患，為了能更好地利用鈹青銅材料，就需充分了解鈹銅銅的性能特點(diǎn)，制定出一套完整有效的熱處理、表面處理、加工等標(biāo)準(zhǔn)，依照標(biāo)準(zhǔn)來(lái)獲得適合自己使用的合格鈹青銅產(chǎn)品。