close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

488

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
: ТРУБНЫЕ ИЗДЕЛИЯ
ТВЕРДОСПЛАВНЫЕ ПОКРЫТИЯ
СТАНОВЯТСЯ ЕЩЕ ЛУЧШЕ
A. Chan, D. Hannahs, M. J. Jellison, Grant Prideco; M. Breitsameter, D. J. Branagan, Nano Steel Co.;
H. Stone, Noble Drilling (Canada) Ltd.; G. Jeffers, Nabors Drilling USA LP
Результатом трехлетней программы разработки и промысловых испытаний стало создание трещиностойкого неотслаиваемого твердосплавного покрытия четвертого поколения с хорошими
характеристиками
В настоящее время пристальное внимание уделяется защите элементов обсадных и бурильных колонн
как в обсаженных, так и необсаженных скважинах.
Итогом трехлетней программы является создание
трещиностойкого неотслаиваемого твердосплавного
покрытия четвертого поколения с хорошими характеристиками. Предложенная инновационная программа лабораторных испытаний более совершенна
по сравнению с предыдущей методологией DEA 42 и
обеспечивает воспроизводимую и точную оценку характеристик износа твердосплавного покрытия. Лабораторные испытания завершаются промысловыми
испытаниями.
Современная нанотехнология и системный подход
к созданию материалов позволили корректировать их
свойства с целью получения неотслаиваемого твердосплавного покрытия, которое обеспечивает превосходную износостойкость бурильной колонны и защиту от
износа обсадной колонны при одновременном снижении трения. Созданные материалы идеально подходят
для длительных и сложных программ бурения.
В статье рассматриваются изменения в области бурения, разработки материалов для твердосплавного покрытия замковых соединений бурильных колонн и их
дефицит с точки зрения удовлетворения потребностей
отрасли. Также представлены последние разработки в
области лабораторных испытаний для воспроизводимой оценки характеристик износа покрытий и бурильных замков. И, наконец, рассмотрены разработка, лабораторные и промысловые испытания материала для
твердосплавного покрытия четвертого поколения.
ВВЕДЕНИЕ
Для продления срока службы бурильных колонн при
одновременной сохранности обсадных колонн необходимо разрабатывать материалы для твердосплавных
покрытий, которые не вызывают большого износа обсадных колонн. В нефтегазовой отрасли на протяжении
нескольких десятков лет для повышения сопротивления
истиранию бурильных замков применялись такие традиционные материалы, как карбид вольфрама, карбид
хрома и другие легирующие элементы. В некоторых случаях эти материалы демонстрировали исключительные
характеристики с точки зрения износа бурильных труб,
но при этом они не защищали обсадные трубы. Традиционные материалы способны защищать либо бурильные,
либо обсадные трубы, но не обе одновременно. Метод
разработки новых материалов должен одновременно
учитывать оба аспекта данной проблемы.
44
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВОПРОСА
Материалы для твердосплавных покрытий применяются в отрасли с конца 30-х годов прошлого века.
Первые материалы представляли собой основу из
мягкой стали с размельченными спеченными карбидвольфрамовыми частицами. Постепенно, ввиду
усложнения конструкций скважин, аварии с обсадными колоннами стали происходить все чаще. Для
снижения абразивности первых твердосплавных материалов перешли на использование гранулированных карбидвольфрамовых частиц.
Какое-то время в отрасли планировали отказаться
от этих материалов, поскольку быстро обнаружилось,
что имеется ряд проблем: из-за истирающего действия
сталь замков для бурильных труб становилась причиной значительного износа обсадных труб. После разработки первых материалов отрасли потребовалось
более 60 лет, чтобы удовлетворить растущие потребности и придумать новые материалы, альтернативные
карбиду вольфрама.
В начале 90-х годов в отрасли начали применять легированные хромом материалы. Эти материалы обеспечивали хорошую сохранность обсадной колонны,
но не показывали хороших характеристик в необсаженной части ствола. С расширением бурения горизонтальных скважин и скважин с большим отклонением ствола возникла необходимость в повышении
стойкости покрытий. В дальнейших попытках по
улучшению характеристик применялись легированные хромом материалы, которые были доработаны,
но по-прежнему не обладали желательными характеристиками.
В отрасли широко применяются такие материалы,
как карбидвольфрамовые и хромистые сплавы. Они
обеспечивают превосходную износостойкость бурильных колонн, но неудовлетворительную защиту от износа обсадных колонн. Традиционными материалами, которые не вызывают большого износа обсадных колонн,
являются сплавы на основе железа с добавками хрома,
марганца, молибдена, никеля, бора и ниобия.
Необходимы были материалы с простым повторным
нанесением, прочным сцеплением и долговечностью,
что не всегда достигается при использовании традиционных материалов. Положение дел осложнялось и тем,
что в отрасли нет единых рекомендаций по оценке материалов для твердосплавных покрытий, что является
прямым следствием быстрой модернизации программ
бурения и медленной реакцией отрасли по наверстыванию упущенного и решению этой проблемы.
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
№11 ноябрь • 2008
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
: ТРУБНЫЕ ИЗДЕЛИЯ
РАЗРАБОТКА МАТЕРИАЛА
Чтобы обеспечить отрасль материалом для твердосплавного покрытия, которое не вызывает большого
износа обсадных колонн, воспользовались новой методологией с целью получения намеченных результатов. Были разработаны новые сплавы с исключительными характеристиками.
Сначала рассматривалось несколько исходных материалов для превращения их в материал для твердосплавного покрытия, которое не вызывает большого
износа обсадных колонн. Анализ и оценку материалов проводили по механическим и металлургическим
свойствам (абразивному износу, ударной вязкости,
устойчивости к растрескиванию, отслаиванию) и характеристикам. Представляющие интерес материалы
подвергли испытанию на разрушение, включая испытание на адгезионную прочность и абразивное истирание. Были разработаны новые методы испытания,
более точно учитывающие условия оценки, по сравнению с методами, предусмотренными отраслевыми
стандартами, например, стандартом DEA 42.
После того, как в соответствии с характеристиками предварительно отобрали один основной материал, было сделано несколько проб сплавов для дальнейшего улучшения рабочих характеристик. Выбранный
материал представляет собой сплав на основе нержавеющей стали, который производился по новым методам термообработки.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
При разработке материала использовали метод дуговой сварки металлическим плавящимся электродом в
среде газа (gas metal arc welding – GMAW). Параметры
сварки были типичны для параметров, применяемых в
отрасли: сила тока 248–280 А, напряжение 25–28 В и
использование СО2 в качестве защитного газа с подачей
25–40 фут3/ч. На образцы бурильных замков из модифицированной стали марки 4137 наложили однопроходные сварные швы. При исследовании использовались: измерения твердости, сканирующая электронная
микроскопия для изучения микроструктуры, спектроскопия рассеяния энергии и дифракция рентгеновских
лучей. Анализ дифракции рентгеновских лучей проводился с интервалами в 9 ч для устранения фонового
шума и увеличения максимальной разрешающей способности. Кроме того, проводились такие аттестационные испытания, как измерение плотности, теплового
расширения и ударной вязкости по Шарпи.
РАЗРАБОТКА СПЛАВА
Опираясь на имеющуюся базу экспериментальных
данных и результаты предыдущих испытаний элементов бурильных колонн, был разработан девятикомпонентный стеклообразующий сплав на основе железа
и изготовлен в виде электродной проволоки затем
наплавлен. Сплав получил название GPT10. Хотя это
сплав удовлетворял многим требованиям по внутренней свариваемости, твердости и незначительному износу, испытания показали, что он растрескивается на
бурильных замках. Этот сплав затем использовали в
качестве исходного материала (для дальнейшего совершенствования) с целью создания твердосплавного
покрытия четвертого поколения.
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
№11 • ноябрь 2008
Задача заключалась в разработке сплава, который
имеет такие положительные характеристики, как
твердость и износостойкость при сохранении стеклообразующей способности и достижении почти наноструктуры с одновременным повышением трещиностойкости. Поскольку акцент делался на повышение
трещиностойкости, было предпринято обстоятельное
исследование для согласования коэффициента теплового расширения наплавленного покрытия с коэффициентом теплового расширения основного металла,
представленного модифицированной сталью марки
4137. Путем изучения влияния легирующих элементов на изменение коэффициента теплового расширения обычных металлических сплавов стало ясно, что
определенное сочетание элементов оказывало наибольшее влияние на коэффициент теплового расширения. Исходя из этого, было разработано несколько
серий сплавов, что повлекло за собой создание целого ряда сплавов со специальными линейными структурами и девятикомпозиционным составом. В серии
сплавов GPT были разработаны химические составы
семи сплавов с подобными свойствами: GPT5, GPT7,
GPT10, GPT13, GPT15, GPT17 и GPT20.
МИКРОСТРУКТУРЫ С НАНОРАЗМЕРАМИ
Материалы состоят из нескольких основных фаз
или микроструктур. Эти микроструктуры придают
материалам уникальные механические свойства и
характеристики. Типичные микроструктуры сталей
имеют размеры от сотен микрометров до нескольких
миллиметров (1 мкм = 10-6 м). Документ ASTM E 254606 «Терминология по нанотехнологии» определяет материалы с наноструктурой как материалы, в которых
достигается масштаб длины от 1 до 100 нм, где
1 нм = 10-9 м, что в тысячу раз меньше микрометра.
Имеется ряд факторов, которые влияют на образование сверхмелких микроструктур, таких как наноструктуры. Имея сверхмелкие зернистые структуры, такие
материалы обладают механическими свойствами и характеристиками, которые в значительной степени превосходят таковые у обычных материалов.
ОТБОР СПЛАВА И ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОГО
РАСШИРЕНИЯ
Измерение теплового расширения каждого образца неразбавленного сплава проводили в интервале температур от 20 до 1000 °С. Поскольку тепловое
расширение меняется с температурой нелинейно,
вместо простого измерения коэффициента теплового
расширения вычислялось несовпадение деформации
для каждого сплава в зависимости от температуры и
результат сравнивался с основной модифицированной сталью марки 4317. Уравнение деформации имеет
следующий вид:
ε = Δα · ΔТ,
(1)
где ε – несовпадение деформации, Δα – коэффициент
теплового расширения и ΔТ – разница температур.
В разнице температур за опорную температуру
принято 25 °С. Поскольку образование трещин происходит во время остывания после затвердевания, для
каждого сплава серии GPT в интервале температур
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
: ТРУБНЫЕ ИЗДЕЛИЯ
Несовпадение деформации
0.0015
GPT20
0.00125
GPT17 GPT13
0.001
0.00075
GPT5
0.0005
GPT7
0.00025
GPT10
0.00000
‘0.00025
‘0.0005
100
GPT15
200
300
400
500
600
700
Температура, °С
Рис. 1. Зависимость несовпадения деформации от температуры
для сплавов GPT на пластине из стали марки 4137
от 100 до 700 °С был построен график несовпадения
деформации (рис. 1). Суммарное несовпадение деформации для каждого сплава рассчитывается как
площадь (положительная или отрицательная) под соответствующей кривой. Из графика видно, что сплав
GPT5 отличается наибольшим несовпадением, тогда
как сплав GPT15 имеет наименьшее несовпадение.
ТВЕРДОСТЬ
Одной из особенностей разработки стало сохранение высокой твердости и износостойкости сплава
GPT10. Выяснилось, что плотность созданных сплавов
(GPT5–GPT20) менялась вполне приемлемо в интервале 7,42–7,60 г/см3; это свидетельствовало о том,
что никаких резких изменений в микроструктуре
или фазообразовании не происходило. Установлено,
что микротвердость сплавов снижается с увеличением числа T, что соответствует снижению содержания
примесей внедрения и увеличению содержания переходных металлов IV группы. Наибольшее снижение
твердости произошло у сплавов GPT13 и GPT15.
Отбор сплава проводился с учетом нескольких
важных факторов, включая достижение достаточной твердости сварного шва для необходимой износостойкости обсадной колонны и бурильных замков
и развитие высокой трещиностойкости, на которую
неблагоприятно влияют созданные напряжения,
обусловленные дифференциальной термоусадкой в
процессе сварки. Как показали данные по твердости,
сплавы, расположенные выше сплава GPT15, характеризовались значениями твердости ниже тех, что необходимы для достижения намеченной износостойкости. Хотя сплав GPT15 показал наилучшее совпадение
деформации для всех сплавов, его применение привело бы к созданию слишком мягкого материала для наплавляемого покрытия. Самым подходящим сплавом,
обладающий обеими характеристиками, оказался
расположенный между изученными сплавами GPT13
и GPT15 сплав GPT14, который, по-видимому, будет
отличаться наилучшим совпадением коэффициента теплового расширения при сохранении высокой
твердости в пределах намеченного интервала.
Трещиностойкость. Надежным способом определения трещиностойкости материала для твердосплавного покрытия является его наплавление на бурильные замки, но это неудобный и трудоемкий способ.
Для практических целей был разработан альтернатив-
46
Рис. 2. Образцы пластин с наплавленными методом GMAW
кольцевыми валиками из сплава GPT14. Видны трещины, выявленные с помощью проникающей жидкости с красителем:
а и b – без предварительного нагрева электрода; с и d – с предварительным нагревом электрода до температуры 600 °F
ный метод, который заключается в наложении кольцевого валика диаметром 4» на пластину размером
8 × 8" из стали А36. Этот упрощенный метод не заменяет собой испытание на трещиностойкость, проводимое на реальных бурильных замках, и которое было
выполнено позже; он только помогает оценить характеристики материала.
Испытание электрода из сплавов GPT10 и GPT14
проводилось в условиях предварительного нагрева
до 600 °F и без предварительного нагрева. При обоих
условиях были выполнены повторные испытания. Визуальный контроль проводился с помощью проникающей жидкости с красителем и путем подсчета числа
трещин. На рис. 2 показаны образцы с кольцевым валиком из сплава GPT14.
При обоих условиях испытания сплав GPT14 показал наименьшее число трещин (примерно в четыре раза
меньше, чем у сплава GPT10). Более того, в условиях без
предварительного нагрева у данного сплава была выявлена только одна трещина. Такая характеристика желательна как для самих производителей оборудования, так
и для рынка сварных трубных изделий, где в отличие от
условий производства, трудно контролировать и поддерживать температуру предварительного нагрева.
Анализ твердосплавного покрытия из сплава
GPT14, нанесенного методом GMAW. Установлено,
что сплав GPT14, имея свойства сплава GPT10, легко
сваривается с получением параметров, соответствующих отраслевым стандартам. Измерения теплового расширения наплавленных покрытий из сплава
GPT14, нанесенных методом GMAW, проводились в
интервале температур от 20 до 1000 °С. На рис. 3 показано сравнение теплового расширения сплава GPT14
и основы из модифицированной стали 4137. Как видно из графика, температурная зависимость теплового
расширения сплава GPT14 почти совпадает с анало-
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
№11 ноябрь • 2008
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
: ТРУБНЫЕ ИЗДЕЛИЯ
12,000
Расширение, млн-1
10,000
8,000
Основа из стали марки 4137
6,000
4,000
Наплавленное покрытие
из сплава GPT14
2,000
0
100
200
300
400
Температура, °С
500
600
700
Рис. 3. Зависимость теплового расширения от температуры
для основы из стали марки 4137, применяемой для изготовления бурильных замков, и для наплавленного методом
GMAW покрытия из сплава GPT14
гичной зависимостью модифицированной стали 4137.
Оказалось, что это совпадение лучше по сравнению с
уже хорошо изученным сплавом GPT10. На рис. 4 для
сравнения показаны покрытия из обоих сплавов при
осмотре. Можно видеть, что сплав GPT10 отличается
наличием продольных трещин, в то время как на сплаве GPT14 они отсутствуют.
СВОЙСТВА НАПЛАВЛЕННОГО ПОКРЫТИЯ
Формирование микроструктуры. Сплав GPT14 –
стеклообразующий сплав, разработанный с учетом
низких критических скоростей остывания с целью образования металлического стекла. Сплав, который обнаруживает стеклообразующую способность, обладает
значительной стойкостью к образованию центров кристаллизации в процессе переохлаждения при остывании ниже температуры плавления, то есть линии солидуса. Другими словами, нестеклообразующие сплавы
начинают образовывать центры кристаллизации, и рост
зерен происходит при температуре лишь на несколько
градусов ниже температуры плавления. Что же касается стеклообразующего сплава GPT14, то для образования центров кристаллизации требуется снижение температуры на несколько сотен градусов. Это позволяет
сплаву GPT14 создавать чрезвычайно тонкие микроструктуры, которые могут подвергнуться воздействию
повышенных температур в процессе сварки и при этом
по-прежнему сохранить зерно почти наноразмеров.
Микроструктура. При анализе микроструктуры
сплава GPT14 для распознавания присутствующих
фаз использовалась дифракция рентгеновских лучей,
а для показа размеров и распределения присутствующих фаз – обратнорассеянные электроны сканирующего электронного микроскопа. Анализ дифракции
рентгеновских лучей показал наличие сложных фаз
борокарбида (М)7(ВС)3, совместно существующих с
пластичной основой из альфа-железа.
Микроструктура имеет три микроструктурных
составляющих: первичная дендритная фаза, области двухфазной эвтектоидной микросоставляющей
(основа) и небольшая объемная доля обогащенной переходными металлами области, которая соответствует последней жидкости, подвергшейся отвердеванию.
Высказано предположение, что фаза альфа-железа
существует в двух микроструктурных областях:
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
№11 • ноябрь 2008
Рис. 4. Визуальный осмотр:
а) наличие трещин на покрытии из сплава GPT10, b) отсутствие
трещин на покрытии из сплава GPT14
в виде первичных дендритов и в качестве фазы в двухфазной области эвтектоидной микросоставляющей,
состоящей из (М)7(ВС)3.
Определяющим фактором улучшения структуры
наплавленного методом GMAW сплава GPT14 является, по-видимому, существенное переохлаждение, достигнутое до образования центров кристаллизации и
роста зерен, что приводит к появлению уникального
режима роста. В традиционных материалах для наплавляемых покрытий ведущую роль обычно играют
режимы роста дендритов, что приводит к появлению
микроструктур больших размеров. Образования первичных дендритов нельзя избежать и в сплаве GPT14,
тем не менее, характеристики переохлаждения позволили ему переохладиться и напрямую превратиться в
сопряженную эвтектоидную микросоставляющую.
Замечательную способность сплава подавлять зарождение центров кристаллизации и рост зерен среди
других характеристик можно объяснить естественной стеклообразующей способностью.
УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ
Эффективное распределение таких микроструктурных фаз, как твердые борокарбиды, в сочетании
с пластичной морфологией особенно ценно для перекрытия трещин, что, в свою очередь, может обеспечить высокую ударную вязкость и твердость.
Существует несколько методов определения ударной вязкости твердосплавных покрытий, однако некоторые из этих методов оказались непригодными или
сложными для применения в данном исследовании.
Для оценки ударной вязкости выбрали метод испытания образцов по Шарпи. В этом методе использовались
стандартные образцы размером 55 × 10 × 10 мм. Сплавом GPT14 покрыли основу из стали 4140, которая по
своему химическому составу очень напоминает сталь
4137, применяемую для изготовления бурильных замков. Вырезанные образцы обработали на станке таким
образом, что половину толщины составлял материал
основы, а половина толщины приходилась на наплавленное покрытие. Испытание проводилось на трех
образцах, причем боек наносил удары со стороны наплавленного покрытия. Ни один из образцов не растрескался при приложении максимальной для ударного
копра нагрузки в 60 фунт-фут. Образец согнулся после
испытания на удар, и хотя на наплавленном покрытии
можно было заметить одну-две небольшие трещины,
отслаивания покрытия не произошло.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
: ТРУБНЫЕ ИЗДЕЛИЯ
ОЦЕНКА ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПОКРЫТИЙ
И МЕТОДОЛОГИЯ
Метод DEA-42. Одним из важных исходных ориентиров для изучения износа стал документ DEA-42
«Проект разработки технологии улучшенных покрытий для обсадных труб». Эти технические условия
были разработаны несколько десятилетий назад, и,
хотя они послужили точкой отсчета для оценки износа обсадных труб, у них было много недостатков.
Разработка новых программ бурения привела к
усовершенствованию методов испытания, которые
по своим возможностям превзошли первоначальные
требования первого варианта документа DEA-42.
Цель разработки новых методов – предоставить отрасли более точную, воспроизводимую и существенную информацию, чем имеющаяся на данный момент
информация при использовании прежних методов и
методик.
Недостатки первого испытательного оборудования. Первые попытки оценить характеристики износа в соответствии с требованиями DEA-42 выявили
многочисленные недостатки у испытательного оборудования. В этом оборудовании в качестве опоры
для закрепления испытуемых образцов применялся
стол на шарнирах, что создавало разброс в результирующем приложенном усилии. Это обстоятельство
было очевидным источником погрешности. Боковая
нагрузка в такой установке измерялась с помощью
датчика давления, который, с учетом вносимых столом погрешностей, выдавал неверные показания.
Машина позволяла проводить испытания только при
циркуляции воды. Циркуляция бурового раствора
была невозможна. При испытании образцов вращался только бурильный замок, а обсадная труба оставалась неподвижной. Стол имел возможность совершать возвратно-поступательные движения во время
вращения бурильного замка, что лишний раз вносило
изменения в нагрузку. Нагрузка колебалась в пределах 30–35 % от фактических значений. Установка
предусматривала проведение испытаний материалов
для твердосплавных покрытий только в паре с обсадной трубой. Другие условия проведения испытаний,
например, «в необсаженном стволе», были невозможны. Предписывалось использовать обсадные трубы
марки N-80 по стандарту API с неконтролируемыми
свойствами. Чтобы исключить разброс механических
и металлургических свойств, более целесообразно использовать обсадные трубы марки L-80.
Инструменты второго и третьего поколений. Чтобы устранить или свести к минимуму указанные недостатки, были разработаны инструменты второго
поколения. В них применялся свободно плавающий
стол, который давал возможность прикладывать усилие перпендикулярно испытуемому образцу и устранить все колебания нагрузки системы более ранней
конструкции. Для измерения приложенной нагрузки
датчик давления заменили датчиком нагрузки.
Кроме того, была добавлена возможность осуществлять циркуляцию бурового раствора, что расширило
возможности инструмента и обеспечило более точные
условия проведения испытания. Что касается механической части, то для регулирования частоты вращения и расхода бурового раствора были предусмотре-
48
ны частотно-регулируемые приводы. Благодаря всем
этим усовершенствованиям колебания нагрузки снизились до 10–15 %.
Далее необходимо было добавить возможность
испытания «в необсаженном стволе». С целью расширения возможностей испытания была разработана
система третьего поколения.
Чтобы обеспечить условия «необсаженного ствола», систему для испытания усовершенствовали и добавили вращение испытательной среды (или «камня»)
в направлении, противоположном направлению вращения бурильного замка. При этой новой схеме предполагалось, что в целях единообразия обсадная труба
будет вращаться так же, как и в условиях обсаженного ствола. Это, в свою очередь, позволило обойтись
без перемещения стола в ходе испытания. К оснастке
стола добавили подшипники скольжения с тем, чтобы
свести к минимуму колебания стола, которые снизились до 5–7 %. Теперь, располагая системой третьего
поколения, настало время заняться подготовкой образцов. Образцы обрабатывались на станке в соответствии с задаваемыми внутренними техническими
условиями, для того чтобы стандартизировать результаты испытаний и иметь возможность действительно
сравнивать сопоставимые данные.
До всех этих усовершенствований стандартом для
регистрации характеристик материала твердосплавного покрытия являлся «коэффициент износа». После
размещения в системе для испытаний диска крутящего момента появилась возможность получать значения
крутящего момента «в реальном масштабе времени»,
что дало возможность впервые определять «коэффициенты трения» из прямых испытаний. Одним из побочных эффектов применения усовершенствованной
системы для испытаний стало создание массива очень
точных и воспроизводимых данных.
ИСПЫТАНИЕ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ПОКРЫТИЯ
ЧЕТВЕРТОГО ПОКОЛЕНИЯ
Оценка в соответствии с методом DEA-42. Для
оценки характеристик материала твердосплавного
покрытия четвертого поколения его первоначально испытали в соответствии с методологией DEA-42.
Последующие испытания проводились с использованием системы третьего поколения. Сплав GPT14
сравнивали с пятью другими выпускаемыми серийно
материалами, не вызывающими большого износа обсадных труб, а также с карбидом вольфрама и нелегированной сталью. Оценивали износ обсадных труб и
бурильных замков.
На рис. 5 показаны результаты испытания на износ обсадных труб, которые свидетельствуют о том,
что материал четвертого поколения вызывает наименьший износ (из всех испытанных материалов,
включая нелегированную сталь для бурильных замков и карбид вольфрама). Данный материал вызвал
потерю толщины стенки обсадной трубы всего 4,9 %.
Аналогичный по свойствам сравниваемый материал
показал значение 7,8 %, что на 37 % больше.
На рис. 6 показано сравнение износа бурильных
замков. Величина радиального износа бурильного замка внутри обсадной трубы при использовании материала четвертого поколения составила 0,0020". Этот
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
№11 ноябрь • 2008
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
30
Потеря толщины стенки обсадной трубы, %
27.1
26.5
25
19.9
20
18.6
15
12.1
10
8.1
7.8
4.9
5
0
Сталь для Карбид Материал Материал Материал Материал Материал Материал
бурильных вольфрама
B
C
E
D
A 4-го поколения
замков
Радиальный износ бурильного замка в обсадной трубе, дюйм
: ТРУБНЫЕ ИЗДЕЛИЯ
0.0140
0.0125
0.0120
0.0100
0.0100
0.0080
0.0080
0.0060
0.0045
0.0050
0.0040
0.0020 0.0020
0.0020
0.0000
0.0000
Карбид
вольфрама
Материал
Материал D
Материал C
4-го поколения
Сталь для
Материал B
Материал A
Материал E
бурильных
замков
Рис. 5. Износ обсадной трубы
Рис. 6. Износ замка для бурильных труб
0.003
Материал
четвертого
поколения
Конкурентные
материалы,
«не вызывающие
большого износа
обсадных труб»
0.002
0.001
100
0.000
Горизонтальная
линия – сталь для
бурильных замков
Заслуживающий внимания температурный
интервал
‘0.001
‘0.002
‘0.003
‘0.004
200
300
Материалы с высокой ударной вязкостью и малой прочностью
90
400
500
600
Температура, °С
700
800
900
1,000
Рис. 7. Трещиностойкость материалов, определяемая по
коэффициенту теплового расширения
Трещиностойкость, МПа (м1/2)
Несовпадение деформации
0.004
80
70
Высокопрочные материалы с высокой
ударной вязкостью, полученные
с помощью наносплавной технологии
60
50
40
30
Высокопрочные материалы с низкой ударной вязкостью
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
Твердость, ГПа
показатель равен значению нелегированной стали для
бурильных замков. Ближайший по свойствам сравниваемый материал показал значение износа 0,0045"
(материал четвертого поколения изнашивается на
55 % меньше по сравнению с аналогичным материалом).
Карбид вольфрама оказался единственным материалом,
который не показал никакого износа при испытании.
Результаты определения средней твердости материалов по пяти испытаниям показали, что материал
четвертого поколения имеет твердость 629 по Виккерсу (около 56 по шкале С Роквелла) при нагрузке
100-g, и твердость 590 единиц по Виккерсу (около 55
по шкале С Роквелла) при нагрузке 300-g. Указанные
значения сопоставимы со значениями твердости других материалов.
Что касается коэффициента теплового расширения, то при анализе, помимо материала четвертого поколения, рассматривались два основных материала для
твердосплавных покрытий. При этом в качестве критерия коэффициента теплового расширения рассматривалось несовпадение деформации, как это делалось и
при разработке материала нового поколения. Исследовался интервал температур от 200 до 1000 °С. На рис.
7 показана трещиностойкость материалов, определяемая по коэффициенту теплового расширения. Как и
раньше, площадь под кривой равняется величине остаточного напряжения между материалом твердосплавного покрытия и основным металлом. Чем больше площадь (положительная или отрицательная), тем больше
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
№11 • ноябрь 2008
Рис. 8. Прочность и ударная вязкость
несоответствие, и, следовательно, выше вероятность
растрескивания и отслаивания покрытия. У материала
четвертого поколения оказалось наилучшее совпадение с основным металлом, показанным горизонтальной линией в середине графика. Заслуживающий внимания температурный интервал, который затрагивает
область несовпадения, располагается ниже 625 °С.
Традиционная оценка материалов по трещиностойкости позволяет отнести их к двум основным
группам: материалы с высокой ударной вязкостью
и малой прочностью и высокопрочные материалы с
низкой ударной вязкостью. Материалы первой группы обычно обладают высокой ударопрочностью, но
имеют небольшую твердость. Это очень пластичные
материалы с малой твердостью. На другом конце
спектра находятся материалы второй группы. Эти
материалы отличаются высокой твердостью, но недостаточной пластичностью, которая позволяет хорошо
сопротивляться ударным нагрузкам. Цель программы
состояла в том, чтобы взять самые лучшие свойства у
материалов обеих групп, добившись при этом высокой прочности и высокой ударной вязкости у одного
и того же материала. Развитие наносплавных технологий сделало это возможным. Материалы четвертого
поколения могут одновременно обладать и высокой
прочностью и высокой ударной вязкостью (рис. 8).
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
: ТРУБНЫЕ ИЗДЕЛИЯ
ОЦЕНКА МАТЕРИАЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
СИСТЕМЫ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ
После того, как материал для твердосплавного покрытия четвертого поколения оценили в соответствии
с методологией DEA-42, его подвергли дальнейшей
оценке, на этот раз с использованием новых методов
испытания, которые более совершенны по надежности и воспроизводимости результатов.
Расчетный коэффициент износа обсадной трубы
при использовании твердосплавного покрытия четвертого поколения составил 0,00103” толщины стенки
на 1000 оборотов. Расчетный коэффициент трения для
твердосплавного покрытия был равен 0,75”, а расчетный износ (по диаметру) твердосплавного покрытия
бурильного замка в обсадной трубе составил 0,00004”
на 1000 оборотов.
Наряду со стандартными испытаниями в обсадной
трубе, твердосплавное покрытие оценили и в условиях «открытого ствола», воспользовавшись возможностями системы третьего поколения и используя в
качестве испытательной среды «камень». На этот раз
расчетный износ по диаметру составил 0,01216” на
1000 оборотов.
Завершающим этапом в разработке материала для
твердосплавного покрытия стало восьмимесячное промысловое испытание, начавшееся в октябре 2004 г. Твердосплавное покрытие нанесли на замковые соединения
NC50 для 5-дюймовых бурильных труб марки S-135
(номинальная масса 19,50 фунт/фут). Покрытие наносили на 3-дюймовом отрезке (пояски шириной 3/4")
с выступом на 3/32", с одним дополнительным пояском
шириной 3/4", нанесенным на конус 18°. Через восемь
месяцев, после бурения 33 000 фут (1 фут = 0,3048 м),
покрытие обследовали. Расчетная величина износа составила чуть больше 0,020". Согласно оценкам, при такой скорости износа повторное нанесение покрытия
потребуется после проходки примерно 100 000 фут.
ПРИМЕРЫ
Со времени появления в конце 2005 г. материала
для твердосплавного покрытия четвертого поколения
было нанесено более 2 млн фут покрытий. Он нашел
применение по всему миру и используется в самых
неблагоприятных условиях без каких-либо проблем.
Ниже приводятся два примера использования этого
материала буровыми подрядчиками.
Компания Noble Drilling (Canada) Ltd. использовала
данный материал в 2007 г. в Канаде. В проекте Иберния при бурении в сложных условиях горизонтальных
скважин длиной 25 000 фут материал четвертого поколения находился в чрезвычайно неблагоприятных
условиях. Было использовано более 60 000 фут данного
материала с положительными результатами без всяких
осложнений. Материал продемонстрировал превосходные характеристики даже в таких суровых условиях.
Компания Nabors Drilling USA LP использовала
данный материал более чем в 38 проектах в Северной
Америке, в том числе в шт. Калифорния, Колорадо,
Техас, Оклахома, Вайоминг и Мексиканском заливе.
С конца 2006 г. было задействовано более 19 000 бурильных труб (примерно 600 000 фут) с замками и покрытием из данного материала, при этом общее время
бурения составило 6265 сут.
50
ВЫВОДЫ
Разработка программ бурения способствовала формулировке дополнительных требований к материалам
для твердосплавных покрытий. Был осуществлен переход к материалам, которые обеспечивают защиту элементов как обсадных, так и бурильных труб. Новые
технологические разработки дали возможность создать
современные материалы, которые могут обеспечить такую защиту при сохранении своих характеристик.
Кроме того, новые методы испытания способствовали более точной оценке характеристик материалов.
Эти методы значительно более совершенны по сравнению с традиционными и обеспечивают получение
более достоверных и надежных данных.
В настоящее время разрабатываются новые материалы, которые обеспечат еще более надежную защиту
от износа не только в обсаженных, но и необсаженных
стволах. Одновременно идет дальнейшее совершенствование методов испытания, которые будут иметь
еще больше возможностей и повышенную точность.
Перевел С. Сорокин
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Полный список литературы приведен на сайте: www.WorldOil.com.
Alvaro Chan (А. Чан) работает в NOV-Grant Prideco региональным менеджером по сбыту в Южной Америке. После прихода в компанию
в 2002 г. он занимал должность инженера по маркетингу и должность металлурга. Закончил свое образование в 2000 г. и имеет степени бакалавра
и магистра по механике, а также степень магистра по металлургии и материаловедению, полученные в Техасском университете в г. Эль-Пасо.
Он является инженером, прошедшим квалификационные испытания и
зарегистрирован как специалист в шт. Техас. Является членом Общества
инженеров-нефтяников (SPE), Международной ассоциации буровых
подрядчиков (IADC), Американского общества металлургов (ASM), Американского общества сварочного производства (AWS), Национальной
ассоциации инженеров-коррозионистов (NACE), автором ряда технических публикаций по вопросам металлургии и практике бурения.
Dan Hannahs (Д. Ханнас), менеджер в NOV-Grant Prideco. В 1989 г. окончил университет Висконсина в г. Платвилл, получив степень бакалавра
по управлению производством. Является членом SPE и автором технических публикаций по квалификационным испытаниям соединений и
материалам для твердосплавных покрытий.
Michael Jellison (М. Джеллисон) занимает пост вице-президента по разработке и проектированию в подразделении Drilling Products and Services компании Grant Prideco. В 1980 г. с отличием закончил Техасский
A&M университет, получив степень бакалавра по механике. В Grant
Prideco организовал работу по разработке и изготовлению 5-дюймовых
бурильных труб. Опубликовал многочисленные технические статьи в
SPE, IADC, ASME и ряде профессиональных журналов. В 2000-2002 гг.
был членом редакторского комитета в Journal of Petroleum Technology.
Является инженером, прошедшим квалификационные испытания и зарегистрирован как специалист.
Harvey Stone (Х. Стоун), руководитель буровой установки в Noble Drilling (Canada) Ltd.; руководит морскими операциями, и руководит проектом бурения компании и участвует в его разработке. М-р Стоун работает в компании с 1996 г. Ранее работал в компании Zapata Offshore,
принимал участие в международных операциях, в том числе бурении в
Южно-Китайском море, Новой Зеландии, Австралии, в Северном море и
Бразилии. Имеет большой производственный опыт в бурении.
Greg Jeffers (Г. Джефферс) с 2002 г. работает старшим менеджером по
трубным изделиями и активами в компании Nabors Drilling USA LP. Он
занимается прогнозами, закупками и программами по трубным изделиям. Ранее занимал различные должности по организации каналов поставок в компаниях El Paso Global Networks – El Paso Energy, Splitrock
Services –McLeodUSA и Cytex Plastics – RDC/Cytex. В 1995 г. получил
степень бакалавра по бухгалтерскому учету в Государственном университете Сэма Хьюстона.
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
№11 ноябрь • 2008
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
6
Размер файла
745 Кб
Теги
488
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа