鉆井液中氯離子濃度對N80石油套管鋼摩擦磨損性能的影響

李喜成，唐習之，薛繼彪，詹 寧，張鵬翔

(1.中國石油集團西部鉆探工程有限公司國際工程公司，烏魯木齊 830000；2.中國石油集團西部鉆探工程有限公司吐哈鉆井公司，鄯善 838200)

0 引 言

磨損是導致石油套管失效的一個主要原因[1-4]。石油套管磨損主要是由于旋轉的鉆桿在彎曲變形或者井眼軌跡狗腿度高的情況下與套管發生接觸而引起的，鉆桿與套管之間存在的主要潤滑介質是在二者之間循環的鉆井液。石油套管的摩擦磨損性能除了與鉆井工況有關外，還受到潤滑介質性質的影響[5]。油田現場最常用的鉆井液類型是水基鉆井液，主要由重晶石、膨潤土、水(鹽水)、處理劑等成分組成。為達到pH要求，水基鉆井液中不可避免會存在鉀鹽、鈣鹽等含氯離子的組分，而氯離子的存在會加劇石油套管的腐蝕[6-9]。在摩擦和腐蝕環境中，套管的損壞加速，破壞強度增加，更易發生擠毀、斷裂等事故，極大地降低了作業效率，給油田帶來重大經濟損失。

目前，關于石油套管摩擦磨損行為的研究較少，已有研究也主要關注轉速等因素對石油套管干摩擦磨損行為的影響，并且大部分研究使用的材料為鋁合金、P110鋼和TP140鋼，而有關含氯離子條件下N80鋼石油套管的摩擦磨損行為研究較少[10-13]。李學順等[14]研究了不同pH的NaCl溶液對N80鋼摩擦磨損行為的影響，但所用NaCl溶液與實際工況下含氯離子鉆井液完全不同。韓成等[15]研究了鉆井液中重晶石等大顆粒對N80鋼耐磨性能和磨損機理的影響，未涉及氯離子的影響研究。

作者將石油套管用N80鋼加工成盤試樣，將石油鉆桿用G105鋼加工成銷試樣，以取自現場不同氯離子濃度水基鉆井液為潤滑介質進行了銷-盤摩擦磨損試驗，研究了鉆井液中氯離子濃度對N80鋼石油套管摩擦磨損性能的影響，希望能為實際鉆井工程中減少套管磨損提供一定的指導。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為N80石油套管鋼，取自油田現場使用套管，硬度為28 HRC；G105石油鉆桿鋼取自油田現場使用鉆桿，硬度為45～50 HRC。將N80鋼加工成尺寸為φ36.6 mm×180 mm的盤試樣，G105鋼加工成尺寸為φ10 mm×60 mm的銷試樣，在MDW-500型摩擦磨損試驗機上進行銷-盤摩擦磨損試驗，摩擦磨損時用的基礎潤滑液為水基鉆井液，由油田現場取回，在實驗室進行氯離子濃度檢測，加入含銀離子物質去除氯離子，當氯離子濃度低于0.000 01 mol·L-1時視為濃度為0，再通過添加NaCl配制出氯離子濃度分別為0，0.34，0.68，1.02 mol·L-1的鉆井液。試驗機設置的接觸載荷計算公式為

F=pA

(1)

式中：F為接觸載荷；A為銷盤接觸面積；p為接觸壓力。

根據油田現場數據，套管和鉆桿之間的接觸壓力在4～10 MPa，則由式(1)計算得到的接觸載荷在314～785 N。將接觸載荷設置為500 N(接觸壓力約6.4 MPa)進行摩擦磨損試驗，試驗機轉速設為200 r·min-1，略高于現場實際轉速，這樣既能比較吻合現場實際轉速，又能夠縮短試驗時間，測試時長為3 600 s。用石油醚超聲清洗摩擦磨損試驗前后的試樣，稱取質量，計算磨損率，計算公式[16]如下：

vs=Δm/(ρsf)

(2)

式中：vs為磨損率；Δm為磨損質量損失；ρ為材料密度；s為滑動距離；f為實際施加在銷盤上的載荷，其值與F相同。

采用SuperView W1系列白光干涉儀觀察盤試樣磨損前后的三維形貌，采用Apreo 2型掃描電鏡(SEM)觀察磨損表面形貌。采用XRD-7000型X射線衍射儀(XRD)對磨損表面進行物相分析。

2 試驗結果與討論

2.1 磨損率和摩擦因數

由圖1可以看出：N80鋼盤試樣和G105鋼銷試樣的磨損率均隨著鉆井液中氯離子濃度的增加先增大后減小，且均在鉆井液氯離子濃度為0.68 mol·L-1時達到最大，分別為2.2×10-6mm3·N-1·m-1和0.13×10-6mm3·N-1·m-1；G105鋼銷試樣的磨損率比N80鋼盤試樣小很多，且氯離子濃度對G105鋼銷試樣磨損率的影響較小。

圖1 在不同氯離子濃度鉆井液中N80鋼盤試樣和G105鋼銷試樣的磨損率

試驗測得當鉆井液中氯離子濃度為0，0.34，0.68，1.02 mol·L-1時，N80鋼盤試樣與G105鋼銷試樣摩擦副的平均摩擦因數分別約為0.22，0.31，0.85，0.72；平均摩擦因數隨鉆井液中氯離子濃度的增加呈先增大后減小的趨勢，也在0.68 mol·L-1時達到最大值。

2.2 試樣表面三維形貌

由圖2可以看出：未進行摩擦磨損試驗時，N80鋼盤試樣表面存在加工打磨造成的輕微溝壑；在未添加氯離子(氯離子濃度為0)的鉆井液中摩擦磨損后，N80鋼盤試樣表面主要形成了平行于滑動方向的犁溝；在含0.34 mol·L-1氯離子的鉆井液中摩擦磨損后，盤試樣表面除了犁溝外，還出現了密集的膜產物；當鉆井液中氯離子濃度增加到0.68 mol·L-1時，盤試樣表面的犁溝深度增大，膜產物增多；當鉆井液中氯離子濃度增加到1.02 mol·L-1時，犁溝深度減小，膜產物減少，并且均低于氯離子濃度為0.34 mol·L-1條件下。

圖2 在不同氯離子濃度鉆井液中摩擦磨損前后N80鋼盤試樣的表面三維形貌

2.3 磨損表面SEM形貌

由圖3可知：在未添加氯離子的鉆井液中摩擦磨損后，N80鋼盤試樣表面最光滑，磨損程度最低；在含0.34 mol·L-1和1.02 mol·L-1氯離子的鉆井液中摩擦磨損后，盤試樣的磨損表面主要存在犁溝，說明磨損機制主要為磨粒磨損，而當氯離子濃度為0.68 mol·L-1時，盤試樣的主要磨損特征為膜產物和點蝕小孔，并同時伴隨有犁溝，說明磨損機制為腐蝕磨損和磨粒磨損的共同作用。

圖3 在不同氯離子濃度鉆井液中摩擦磨損后N80鋼盤試樣表面SEM形貌

由圖4可知，在不同氯離子濃度鉆井液中摩擦磨損后，G105鋼銷試樣表面都未出現明顯膜產物和孔洞，表面磨損特征主要為犁溝，表明其主要磨損機理為磨粒磨損。與圖3對比可知，G105鋼銷試樣表面犁溝較淺。

圖4 在不同氯離子濃度鉆井液中摩擦磨損后G105鋼銷試樣表面SEM形貌

2.4 盤試樣表面物相組成

由圖5可知，在不同氯離子濃度鉆井液中摩擦磨損后，N80鋼盤試樣表面物相均主要由Fe3C、CaCO3、Fe2O3、FeCl2和CaMgFe(CO)3組成，但相比于不含氯離子鉆井液條件，在含0.68 mol·L-1氯離子的鉆井液中N80鋼盤試樣表面FeCl2的含量增加，Fe2O3的含量降低。

圖5 在不同氯離子濃度鉆井液中摩擦磨損后N80鋼盤試樣表面的XRD譜

2.5 分析與討論

當氯離子濃度為0時，N80鋼的主要磨損機理為磨粒磨損，在含氯離子條件下，主要磨損機理為腐蝕-磨粒磨損。腐蝕-磨粒磨損是相互影響、相互增強的，即磨粒磨損的增強會加速氧化物的磨損，促進腐蝕磨損的進程，腐蝕磨損的加速也會導致氧化物的溶解，增強磨粒對基體的損傷[17]。

鉆井液中含有的重晶石、鉆屑等固體顆粒以及G105鋼銷試樣和N80鋼盤試樣摩擦磨損產生的磨屑均會起到磨粒的作用，使試樣發生磨粒磨損，表面產生犁溝。與盤試樣相比，銷試樣因硬度較高，磨損率較小，表面犁溝較淺。N80鋼盤試樣在試驗前難免暴露在空氣中，加之鉆井液本身就含有一定量的氧氣，所以在N80鋼的表面形成了一層主要成分為Fe2O3的氧化膜。而氯離子基于其半徑小、穿透能力強的特點，能夠優先選擇性吸附在氧化膜上，將氧原子排擠掉，與氧化膜中的陽離子結合成可溶性氯化物[18]。當氯離子濃度為0時，N80鋼表面的氧化膜完整，對盤與銷之間的摩擦沒有太大的影響，因此N80鋼的磨損率較低。而隨著氯離子的出現，N80鋼表面的氧化膜遭到破壞，不完整的氧化膜導致N80鋼表面變得粗糙，造成磨損率增加。氯離子濃度越高，氯離子對氧化膜的侵蝕作用越劇烈。當氯離子濃度增加至1.02 mol·L-1后，N80鋼表面氧化膜被完全破壞，暴露出較平整的鋼基體，又導致了磨損率的下降。

3 結 論

(1)隨著水基鉆井液中氯離子濃度增加，N80鋼盤試樣的磨損率和盤-銷摩擦副的摩擦因數先增加后減小，且均在氯離子濃度為0.68 mol·L-1時最大，分別為2.2×10-6mm3·N-1·m-1和0.85。

(2)在不含氯離子的鉆井液中摩擦磨損后，N80鋼盤試樣的磨損機理主要為磨粒磨損，在含氯離子條件下，盤試樣表面FeCl2含量增加，Fe2O3含量降低，磨損機理主要為腐蝕-磨粒磨損；氯離子會破壞盤試樣表面氧化膜，提高盤試樣表面粗糙度，從而提高磨損率，但當氯離子濃度增加至1.02 mol·L-1后，氧化膜被完全破壞，盤試樣表面又變得相對平整，因此磨損率又降低。