钻杆接头耐磨带材料研究进展

王镇全，张　凯，王德国，赵　波

(中国石油大学(北京) a.石油工程学院；b.机械与储运工程学院，北京 102249)①



钻杆接头耐磨带材料研究进展

王镇全a，张凯b，王德国b，赵波b

(中国石油大学(北京) a.石油工程学院；b.机械与储运工程学院，北京 102249)①

摘要：随着钻井技术的不断发展，对钻杆接头的防磨、减摩特性提出了更高的要求。在众多钻杆接头防磨技术中，钻杆接头耐磨带操作方便，效果最好，是减少钻杆、套管磨损的最有效措施。分析了钻杆接头耐磨带的工作原理及其对材料性能的要求，综述了国内外钻杆接头耐磨带材料研究的历史和现状，并介绍了国内外各类钻杆接头耐磨带材料的优缺点，指出了我国钻杆接头耐磨带材料研究的不足和发展方向。

关键词：钻杆接头；耐磨带；材料

随着油气田勘探开发钻井技术的不断发展，深井、大位移井、水平井、多分支井、大斜度井等复杂井身结构的应用越来越广泛，石油钻井过程中地层结构也越来越复杂，其中强研磨性地层的数量急剧增加，这都对钻杆的防磨与减摩特性提出了更高的要求。

钻杆接头是钻杆的重要组成部分，采用较大壁厚，接头外径大于钻杆本体外径，用以连接钻杆形成管柱。在钻进过程中，当井斜角较大或钻柱受到侧向力作用时，钻杆接头与井壁或套管内壁接触摩擦，造成钻杆接头和套管壁的双向磨损。目前，钻杆接头防磨技术主要有：钻杆接头耐磨带、钻杆胶皮护箍、旋转钻柱接头、钻杆保护器等，其中钻杆接头耐磨带操作方便，效果最好，是减少钻杆、套管磨损的最有效措施。

在研磨性较强的地层中，常规材料钻杆接头的耐磨带磨损严重，使得钻杆的使用寿命显著降低，胀扣、脱扣、断钻杆等井下事故明显增加，钻杆接头的返修率急剧升高，维修费用和钻杆报废量急剧增加。在井身结构较复杂的井中，由于套管层次多、钻柱变形弯曲严重，常规材料钻杆接头耐磨带对套管的磨损比较大，起不到防磨保护的作用。

随着钻杆接头耐磨带材料在现场应用中出现的问题的逐步解决，新型耐磨带材料不断被推出，耐磨带的材料品种也越来越丰富。本文综合评述钻杆接头耐磨带材料的发展及其应用，为推动钻杆接头耐磨带技术的进一步完善具有重要意义。

1钻杆接头耐磨带对材料性能的要求

耐磨带是在钻杆接头、钻铤或加重钻杆上固定一层硬化层。该硬化层将钻杆接头与套管或井壁隔离，具有一定的硬度，可保护钻杆接头。摩擦因数低于钻杆接头，可减少对套管的磨损。耐磨带通常采用惰性气体保护焊工艺固定在钻杆母接头末端，如图1。

图1　钻杆耐磨带焊接过程及焊接完成后的耐磨带

钻杆接头耐磨带早在20世纪30年代就已出现，早期主要用来保护钻杆和其他工具免受磨粒磨损，延长使用寿命。但是随着大位移井、水平井、高温高压井等复杂井的增加，钻杆接头耐磨带对套管磨损严重，套管失效事故增加，每年给油田造成上百万美元的维修、侧钻甚至全井报废成本。此后，新型耐磨带注重减轻钻柱在旋转钻进和起下钻过程中对套管的磨损，与此同时却牺牲掉了耐磨带对钻杆接头的保护作用。20世纪90年代中期，由于钻杆的价格、运输时间、运输成本增加，人们开始重新重视耐磨带对钻杆的保护作用，新的“套管友好型”耐磨带引入到钻井工业中。经过近20 a的发展，耐磨带材料已经可以有效地解决套管、隔水管和钻杆接头的磨损问题[1-7]。

钻杆接头耐磨带材料必须同时具有3方面的性能：

1)耐磨性。该材料耐磨带在裸眼井壁中抵抗地层岩石磨损的能力。

2)减摩性。该材料耐磨带可以将其对套管的磨损控制在可以接受的范围内。

3)摩擦因数。某一材料耐磨带摩擦因数大小首先与其减摩性的优劣息息相关，摩擦因数越小，与套管之间的摩擦力越小，对套管造成的磨损也越小，此外，摩擦因数低可大幅降低钻柱的转矩和起下钻阻力，有利于减少能量的损耗，节省成本。

2国外耐磨带材料的发展现状

钻杆接头耐磨带材料的发展过程分为2个阶段：第1阶段为硬质合金材料阶段，从20世纪30年代到90年代初；第2阶段为“套管友好型”材料阶段，20世纪90年代至今。

2.1硬质合金材料阶段

硬质合金材料耐磨带在20世纪30年代由休斯工具公司发明并投入市场，主要用来防止钻杆接头在裸眼井段的磨粒磨损，提高钻杆使用寿命。

这种耐磨带由低碳钢基体和硬质合金颗粒构成，在耐磨带焊接过程中将硬质合金颗粒均匀分布到熔融状态的低碳钢熔池中。该材料耐磨带可以防止钻杆接头与裸眼井壁接触，在油田工业早期大都是浅井(<1 500 m)和直井(井斜低于2°)时是一种非常有效的保护钻杆接头的方法[8-9]。

但是，随着世界范围的井结构越来越复杂、井深越来越深、井斜角越来越大，人们开始关注硬质合金耐磨带引起的套管失效问题。试验研究证实在旋转钻进和起下钻过程中，由于这种耐磨带的基体合金相对较软，镶嵌其中的硬质合金颗粒很快出露，对套管壁造成严重的磨粒磨损，并最终导致套管的失效。

此后，油田公司为了避免套管失效造成的损失决定停用硬质合金耐磨带，只允许使用无耐磨带的光钻杆或其他防磨技术(例如钻杆保护器、旋转钻柱接头、防偏磨器等[10]。使用光钻杆时钻杆寿命大幅降低，且不能改善套管的磨损问题，这种做法很快被禁止；其他防磨技术可以在一定程度上降低套管的磨损，但普遍面临成本高、结构复杂、安装困难、寿命低、容易造成井下事故等问题。

因此，各大技术服务公司开始研发新的材料来代替硬质合金，这些材料的普遍特点是摩擦因数低，对套管的磨损小，硬度较高，可以在一定程度上保护钻杆接头，此后钻杆接头耐磨带材料的发展进入了“套管友好型”材料阶段。

2.2“套管友好型”材料阶段

“套管友好型”材料具有低的摩擦因数，这种材料耐磨带与套管内壁接触时产生的摩擦力和摩擦热小，造成较低的套管磨损。“套管友好型”材料主要有2种：一种是“非晶态”材料耐磨带，另一种是“晶态”材料耐磨带。晶态材料是指材料内部的原子排列遵循一定的规律。反之，内部原子排列处于无规则状态的材料称为非晶态材料。

2.2.1“非晶态”材料耐磨带

1990年，Liquidmetal科技有限公司研发了一种叫Armacor MTM的铬合金耐磨带材料，该材料是一种“非晶态” (加工硬化)材料，该合金材料微观结构没有晶界，呈单一的原子结构分布，此种金属结构突出的特点是具有非常低的摩擦因数，因此对套管的磨损很小，可大幅降低套管的磨损，是第一种“套管友好型”耐磨带材料，使耐磨带技术向前迈进了一大步。该耐磨带材料的缺点是耐磨能力不足，原因是“非晶态”耐磨带只有一层很薄的只有几微米厚的非晶态保护(加工硬化)层，承受高压磨损的能力差，不能很好地保护钻杆接头[11]。

2.2.2“晶态”材料耐磨带

1992年末，安科科技公司研发了新一代的碳化铬合金耐磨带ARNCO 200XTTM。这种材料耐磨带既可以有效地降低套管的磨损又可以保证钻杆接头在裸眼井段的耐用性以最大限度地减轻钻杆接头的磨损。但是ARNCO200XT在敷焊过程中易产生微裂纹，虽然在使用过程中没有影响，但在重新敷焊时要将有裂纹的部分全部铲掉。随后，安科公司又陆续开发出ARNCO 100XT、ARNCO 300XT、ARNCO 150XT和ARNCO 350XT钻杆接头耐磨带材料，克服了ARNCO200XT存在的问题。如表1～2。

1)ARNCO100XT耐磨带合金[12]。ARNCO 100XT是一种包含铬、锰和钼的铁基合金，可实现无缝焊接；洛氏硬度达50以上，可较好地保护钻杆接头；固有的低摩擦因数是Arnco100XT耐磨合金最显著的特性，在安科系列产品中其减摩性能最优，可有效降低钻井管柱与套管、隔水管、防喷器接触造成的磨损，延长相关设备的使用寿命。

2)ARNCO300XT耐磨带合金[13]。ARNCO300XT是美国安科技术公司的“第三代” 产品，是一种包括镍、硼和铌的铁基合金，属于无铬金属材料，对环境污染小，可以在100XT和150XT旧耐磨带上直接加焊；洛氏硬度高达60以上，耐磨能力较强，可在极度研磨地质结构的裸眼地层中使用，同时可降低对套管的磨损，对套管内侧的径向磨损为最低。

3)ARNCO150XT耐磨带合金[14]。ARNCO150XT是安科公司第四代产品，是一种高级无裂纹、套管友好耐磨带，继承了100XT 和 300XT的优点，耐磨带能力介于ARNCO100和ARNCO300之间，摩擦因数低，减摩能力高于ARNCO300和ARNCO100，其焊接简单且焊接过程产生很少的火花和烟尘，且保持一定的韧性可承受在大位移井、深井和水平井的严苛钻井条件下产生的大转矩和高温；能在多种外界环境下补焊，而不会产生裂纹和脱落，同时抗硫化氢腐蚀。

表1　安科系列耐磨带性能对比

4)ARNCO350XT耐磨带合金[15]。ARNCO350XT是安科公司的最新一代的产品。与300XT相比，耐磨性进一步增强了，对套管的损伤也进一步降低，是目前安科公司耐磨性能最强的产品，其洛氏硬度达60以上，100%无裂纹，具有硬、坚韧、高耐磨、套管友好等特性；可容易地焊接在新钻杆接头上，并且可无限次地直接在100XT、150XT、 350XT以及大多数无裂纹的其他耐磨带产品上直接焊接，无需去除原有耐磨带。

表2　安科系列耐磨带合金兼容性

注：1)√为可在旧耐磨带上焊接新材料。

2)×为不可在旧耐磨带上焊接新材料。

3国内耐磨带材料的发展现状

国内耐磨带材料的发展过程基本与国外一致，但是发展时间相对滞后，耐磨带材料性能及相关配套工艺与发达国家相比还有一定差距，拥有自主知识产权的耐磨带材料大多数仍为硬质合金耐磨带，“套管友好型”材料只在一些专业刊物上偶有报道，且大多为参考国外成型产品。尽管如此，我国的“套管友好型”耐磨带材料已经起步，一些材料已经取得了很大的进步，部分性能甚至超过了国外同类耐磨带材料。只是大多数仍然停留在研究和试验阶段，并没有大规模量产并投入应用[16]。

下面就近几年国内企业自主研发的产品进行介绍：

1)Nate 505J耐磨带材料[17]。

西安纳特石油技术有限责任公司研制的Nate 505J耐磨带材料是一种高抗裂性钻杆接头耐磨带合金。该材料耐磨带熔敷金属硬度高达60 HRC 以上。Nate 505J 钻杆耐磨带现场堆焊试验表明：①钻杆接头堆焊Nate 505J 耐磨带后一般不会产生明显的冷热裂纹；②堆焊时飞溅很少或几乎没有飞溅，耐磨带成型平整；③该焊丝还具有很好的重复堆焊性，工艺简单。

2)Nate707J耐磨带材料[18]。

西安纳特石油技术有限责任公司开发研制的Nate707J耐磨带材料是一种铁基非晶态合金型耐磨带材料。该材料耐磨带熔敷金属硬度在50 HRC 以上，试验证明其高耐磨性与ARMACOR Mstar非晶态耐磨带的耐磨性基本相当，是ARNCO 100XT材料堆焊的耐磨带的3.8～3.9倍。

3)PT100耐磨带材料[19]。

由于合金粉末钻杆接头耐磨带对套管造成严重的磨损，不适用于现在的钻井作业，但国外“套管友好”型材料耐磨带价格高昂，因此，中原石油勘探局与国内某焊接材料研究机构合作开发出PT100耐磨带材料，其性能和特点如下：①焊接过程稳定，残渣、飞溅少；②耐磨能力高于硬质合金耐磨带；③摩擦阻力降低，对套管磨损更小；④二次加焊能力好。

4)BoTn3000耐磨带材料[20]。

上海博腾焊接材料有限公司生产的BoTn3000耐磨带材料是一种无铬耐磨带材料。该材料耐磨带熔敷金属硬度在50 HRC 以上，焊接工艺性良好、飞溅小，可以堆焊在各种钻杆接头、整体加重钻杆、摩擦焊加重钻杆、钻铤及各种井下工具表面，延长寿命。该材料耐磨带硬度高、耐磨性好，已达到国外同类产品先进水平。

5)金刚石复合材料钻杆接头防磨材料[21-22]。

中国石油大学(北京)王镇全开发研制的耐磨带材料是一种金刚石复合材料钻杆接头防磨材料。该耐磨带材料与其他材料不同，是聚晶金刚石复合材料，由聚晶金刚石、铸造碳化钨以及铜、钴、镍合金组成。该耐磨带材料具有极强的耐磨性，在强研磨性地层中可很好地防止钻杆接头的磨损，对铁基金属材料的磨损能力弱，对套管具有良好的保护作用，摩擦因数小，在旋转过程中摩擦阻力小。

6)其他。

国内有关钻杆接头耐磨带材料研制的报道相对较少，国内一些单位、高校、研究所等机构正在研究生产新型耐磨带材料。例如已在业内使用的产品“耐特3000”，北京加倍德工程技术有限公司研制出的一种套管友好型耐磨带材料[23]，以及北京工业大学贺定勇等人开发研制的一种铁基钻杆接头耐磨带[24]，不含铬元素，是一种环境友好型耐磨带材料，具有高耐磨和高抗裂的综合性能。新型高性能钻杆接头耐磨带材料的开发研制，已引起了业内人士的重视，这必将推动我国新型耐磨带材料技术的发展。

4结论

1)目前国内、外钻杆接头耐磨带材料的研究还处于“套管友好型”材料阶段。国外钻杆接头耐磨带材料正在向高耐磨性、高套管友好性、高重焊性的方向发展。国内“套管友好型”耐磨带材料只在一些专业刊物上偶有报道，且大多为模仿国外成型产品的跟风之作，而且材料性能与发达国家相比还有一定差距。

2)美国安科技术公司研发的ARNCO系列耐磨带仍然是目前性能最好的耐磨带材料，其最新一代的产品ARNCO350XT是目前安科公司耐磨性能最强的产品，也是目前所有耐磨带产品中综合性能最好的产品，具有硬、坚韧、高耐磨、套管友好等特性，可保证100%无裂纹。

3)国内研究机构应注重国产新型耐磨带材料的开发，并及时了解国外主要公司的产品动态，引进国外先进的钻杆接头耐磨带材料，对其消化吸收，加快开发出价格合理、性能优良的新型耐磨带材料，从而提升我国自主研发能力和国内技术水平。

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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

中图分类号：TE921.204

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.021

作者简介：王镇全(1965-)，男，山东人，高级工程师，主要从事超硬材料在石油工程中的应用、岩石破碎机理与破岩工具、钻井工程技术的研究和教学工作，E-mail：wangzhenquan@126.com。

基金项目：国家国际科技合作专项项目(2012DFR70160)

收稿日期：①2015-08-11

文章编号：1001-3482(2016)02-0094-05