摘要 油田機采井抽油桿接箍與油管在工作狀態(tài)下構(gòu)成滑動摩擦副，同時還承受介質(zhì)腐蝕 和交變載荷，產(chǎn)牛磨損、腐蝕和疲勞斷裂失效。隨著油田開發(fā)不斷深入，綜合含水逐年 上升，我國大部分油田機采井管桿偏磨問題日益突出，使得油井免修期明顯降低，維護 作業(yè)量大大增加，明顯提高了采油成本。目前的防偏磨措施主要有采用扶正器、涂覆防 腐耐磨涂層等，這些方法取得了一定成效，但存在操作復(fù)雜、環(huán)境污染等問題。為了解 決有桿泵井的管桿偏磨問題，本文采用5 k w 橫流c 0 2 激光器對油管內(nèi)壁和接箍表面進 行強化處理，以提高油管的整體耐磨耐蝕性能。本文主要從以下三個方面研究了油管與 接箍的管桿偏磨問題： 研究了激光表面改性后組織的變化；用硬度計測試試樣的宏觀硬度與顯微硬度。結(jié) 果發(fā)現(xiàn)：相變硬化區(qū)的組織為黑色細針狀淬火馬氏體和少量殘余奧氏體，白色鐵素體， 仍呈帶狀分布；熔覆層的組織主要由y n i 基固溶體及其上分布著的網(wǎng)狀或者針狀的硼化 物、碳化物和硅化物組成；普通油管的硬度是h r c 2 4 ，普通接箍的硬度是h r c l 8 8 ； 激光強化處理的油管內(nèi)壁表面的硬度是普通油管的1 6 倍：激光熔覆n i 3 5 合金粉末后的 接箍表面的硬度是普通接箍的1 9 5 倍；激光熔覆n i 6 0 包3 0 w c 接箍表面硬度是普通 接箍的3 倍，激光熔覆n i 3 5 接箍距表層0 4 6 m m 處硬度最高，在4 6 0 h v o 3 左右；油管 相變硬化層的最高硬度在5 5 0 h v o 3 左右，隨著距離表面的深度增大，硬度隨之降低。 研究了水介質(zhì)下的管桿磨損性能。水介質(zhì)下的管桿磨損試驗表明：相變硬化油管與 n i 6 0 包3 0 w c - 熔覆接箍組合的摩擦副比較好，不論是油管還是接箍整體磨損趨勢均比 較低，且經(jīng)過五天的磨損后油管的相變硬化層仍大量存在，其磨損率較低、耐磨性較好， 進而激光相變硬化處理的油管與n i 6 0 包3 0 w c 熔覆接箍相互配合時，抽油桿管桿摩 擦副防偏磨的能力得以提高。通過s e m 分析可知，在摩擦磨損過程中，磨損接觸層形 成的氧化膜不斷剝落，形成磨屑造成磨粒磨損，進而管桿間磨損以磨粒磨損為主。 研究了3 5 n a c l 溶液下的管桿磨蝕性能。3 5 n a c l 溶液下的管桿磨蝕試驗表明： 結(jié)合摩擦副整體配合失重，相變硬化處理油管與n i 6 0 包3 0 w c 熔覆接箍組合的摩擦 副比較好，抽油桿管桿摩擦副防偏磨的能力得以提高。 本文驗證得出：相變硬化處理油管與n i 6 0 包3 0 w c 熔覆接箍組合的摩擦副較佳。 關(guān)鍵詞：激光相變硬化，激光熔覆，管桿偏磨，磨損率 m a t c h i n gs t u d y o fa n t i w e a ra n da n t i c o r r o s i o no fl a s e rs u r f a c e m o d i f i c a t i o nt u b i n ga n dc o u p l i n g z h a n gg u a n g m i n g ( m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gy o n g a b s t r a c t o i l - s u c k e rr o dc o u p l i n ga n do i lt u b i n gc o n s t i t u t es l i d i n gf r i c t i o np a i ri nt h ew o r ks t a t ei n t h eo i lw e l l s ，m e a n w h i l ew i t h s t a n d sc o r r o s i o na n da l t e r n a t el o a d ， w h i c hc a u s ew e a r ， c o r r o s i o na n df a t i g u ef a i l u r e w i t ht h ee x p l o i t i n go ft h eo i ld e p o s i t ，t h ec o m p o s i t ew a t e rc u to f t h eo i lw e l l si sa s c e n d i n gd r a s t i c a l l y , t h ee c c e n t r i cw e a rc o n d i t i o ni n o i lw e l l si sb e c o m i n g w o r s ea n dw o r s ei nm o s to i lf i e l d so fc h i n a a m o u n to fm a i n t e n a n c ew o r ka n dt h ef a b r i c a t i n g c o s ta r ea s c e n d i n gw i t ht h es e r v i c ei n t e r v a lo ft h ew e l l sb e c o m i n gs h o r t e rc a u s e db ye c c e n t r i c w e a r c e n t e r i n gd e v i c ea n da n t i s e p t i cw e a rp r o o fc o a t i n ga r eu s e df o rp r o h i b i t i n ge c c e n t r i c w e a r , a n dt h ep r o b l e m ss u c ha sc o m p l e xo p e r a t i o na n de n v i r o n m e n t a lc o n t a m i n a t i o ne x i s t w i t hs o m ee f f e c t i v e n e s s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m so ft h es i d ew e a rb e t w e e nt h eo i l t u b i n ga n dc o u p l i n gi nt h eo i lw e l l s a5 k wt r a n s v e r s e - f l o wc 0 2l a s e ri sa p p l i e df o rl a s e r c l a d d i n gc o u p l i n ga n dl a s e rh a r d e n i n gt h eo i lt u b i n gi n w a l l t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e dt h e f o l l o w i n gt h r e ea s p e c t so ft h ep a r t i a lr o da n dt u b i n gw e a ri s s u e s ： t h ec h a n g eo ft h em a j o ro r g a n i z a t i o na f t e rl a s e rs u r f a c em o d i f i c a t i o ni ss t u d i e d ； s p e c i m e n s m a c r o h a r d n e s sa n dm i c r o h a r d n e s sa r et e s t e d t h er e s u l t ss h o w e d ：t h e o r g a n i z a t i o n a lt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n ga r e ai s b l a c ka n df i n en e e d l es m a l la m o u n to f q u e n c h i n gm a r t e n s i t e a n dr e s i d u a la u s t e n i t e ，f e r r i t ew h i t e ，c o n t i n u e dt os h o waz o n a l d i s t r i b u t i o n ；c l a d d i n gi sc o m p o s e db yt h e 丫- n ib a s e ds o l i ds o l u t i o na n dd i s t r i b u t e do nt h e m e s ho rt h en e e d l eo ft h eb o r i d e ，c a r b i d ea n ds i l i c i d ；o r d i n a r yt u b i n gh a r d n e s si sh r c 2 4 ，t h e h a r d n e s so fc o m m o nc o u p l i n gi sh r c18 8 ：h a r d n e s so fl a s e r - e n h a n c e dp r o c e s s i n gp i p e l i n e i n n e rw a l ls u r f a c ei s1 6t i m e st h a nt h eo r d i n a r yt u b i n g ；t h ec o u p l i n gs u r f a c eh a r d n e s so fn i 35 l a s e rc l a d d i n ga l l o yi s1 9 5t i m e st h a no r d i n a r yh o o p ；t h ec o u p l i n gs u r f a c eh a r d n e s so fl a s e r c l a d d i n gn i 6 0p a c k a g e3 0 w ci st h r e et i m e st h a nt h eh a r d n e s so fo r d i n a r yc o u p l i n g ；t h e h a r d n e s st h a ti s0 4 6 m mf r o ms u r f a c eo fl a s e rc l a d d i n gn i 3 5h o o pi st h eh i g h e s t ，4 6 0 h v 0 3 a r o u n d ；t h eh i g h e s th a r d n e s so ft r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n gt u b i n gi s5 5 0 h v 0 3a r o u n d ，t h e d e p t ho ft h es u r f a c ew i t ht h ed i s t a n c el a r g e r , t h eh a r d n e s sd e c r e a s e s r o dw e a ru n d e rw a t e ri sm a i n l ys t u d i e d t h ew e a rt e s tr e v e a l e dt h a tt r a n s f o r m a t i o n h a r d e n i n gt u b i n ga n dn i 6 0p a c k a g e3 0 w c c l a dh o o p i s t h eb e t t e rc o m b i n a t i o no ff r i c t i o n p a i r , w h e t h e rt u b i n go rc o u p l i n gt r e n d si nt h eo v e r a l lw e a ri sl o w e r , a n da f t e rf i v ed a y so f w e a ra n dt e a r ，t h et u b i n gp h a s eh a r d e n e ds t i l le x i s ti nl a r g en u m b e r s ，l o w e rw e a rr a t e ，b e t t e r w e a rr e s i s t a n c e ，t h e nl a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n gt u b i n gw i t ht h en i 6 0p a c k a g e3 0 w c c l a dc o u p l i n gi n t e r a c t i o n ，t h es u c k e rr o df r i c t i o n sa n t i b i a sm i l lc a p a c i t yc a nb ei m p r o v e d i t i ss h o w e dt h a ti nt h ep r o c e s so ff r i c t i o na n dw e a r , o x i d ef i l mf o r m e do nw e a rc o n t a c tl a y e r c o n s t a n t l yf a l l i n go f f , a b r a s i v ew e a rc a u s e db yt h ef o r m a t i o no fw e a rd e b r i s ，t h e nb e t w e e n t h e r o da n dt u b i n gw e a ri sm a i n l ya b r a s i v ew e a r , b ys e ma n a l y s i s r o da b r a s i o np e r f o r m a n c eu n d e r3 5 n a c ii sm a i n l ys t u d i e d t h ea b r a s i o nt e s tw a s f o u n dt h a tc o m b i n e dw i t hf r i c t i o np a i ra saw h o l ew i t ht h ew e i g h tl o s s ，t r a n s f o r m a t i o n h a r d e n i n gt u b i n ga n dn i 6 0p a c k a g e30 w c c l a dc o m b i n a t i o no ff r i c t i o np a i rc o u p l i n gi s - b e t t e r ，s u c k e rr o df r i c t i o n sa b i l i t yt op r e v e n tp a r t i a lw e a rc a n b ei m p r o v e d t h ep a p e ri sv a l i d a t i o no b t a i n e dt h a tt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n gt u b i n gw i t ht h en i 6 0 p a c k a g e30 w cc o u p l i n gi st h eb e t t e rc o m b i n a t i o no f f r i c t i o n a lp a i r s k e y w o r d s ：l a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n g ，l a s e rc l a d d i n g ，o i lw e l le c c e n t r i cw e a r , r a t e r n f w e a r 關(guān)于學(xué)位論文的獨創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨立進行研究工作所取得的 成果，論文中有關(guān)資料和數(shù)據(jù)是實事求是的。盡我所知，除文中已經(jīng)加以標注和致謝外， 本論文不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含本人或他人為獲得中國石油 大學(xué)( 華東) 或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷證書而使用過的材料。與我一同工作的同志 對研究所做的任何貢獻均已在論文中做出了明確的說明。 若有不實之處，本人愿意承擔相關(guān)法律責(zé)任。 學(xué)位論文作者簽名瓠整! 三9日期：2 。和年鄉(xiāng)月2 日 學(xué)位論文使用授權(quán)書 本人完全同意中國石油大學(xué)( 華東) 有權(quán)使用本學(xué)位論文( 包括但不限于其印 刷版和電子版) ，使用方式包括但不限于：保留學(xué)位論文，按規(guī)定向國家有關(guān)部f - j ( 機 構(gòu)) 送交學(xué)位論文，以學(xué)術(shù)交流為目的贈送和交換學(xué)位論文，允許學(xué)位論文被查閱、 借閱和復(fù)印，將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，采用影印、 縮印或其他復(fù)制手段保存學(xué)位論文。 保密學(xué)位論文在解密后的使用授權(quán)同上。 學(xué)位論文作者簽 指導(dǎo)教師簽名： b 規(guī)：矽 o 年多日乙6 日 日期：如一年鄉(xiāng)月i 臼 中國石油大學(xué)( 華東) 碩士學(xué)位論文 1 1 課題的來源及意義 第1 章緒論 有桿泵是在國內(nèi)應(yīng)用最為普遍的一種機械采油方式，目前由于斜井，水平井日漸增 多，以及受油井高含水、注聚合物等因素的影響，油管與抽油桿間的摩擦與磨損問題日 顯突出，成為近年來困擾油氣生產(chǎn)并被廣泛討論的熱點問題之一。油管與抽油桿間的相 對運動是發(fā)生在沖程范圍內(nèi)的往復(fù)運動，運動速度通常在l m s 以下，屬于低速運動，在 此范圍內(nèi)如果發(fā)生管桿間的相對接觸，必將發(fā)生摩擦現(xiàn)象，此時若管桿間潤滑不良，則 將會引起磨損。管桿間的表面接觸問題十分復(fù)雜，因為受井身結(jié)構(gòu)、工作制度、桿柱結(jié) 構(gòu)、井液性質(zhì)等多方面因素的影響，所以摩擦與磨損現(xiàn)象并不僅僅發(fā)生于斜井或水平井 當中，當油井處于高含水期，或受到注聚合物等因素的影響時，油管內(nèi)壁與抽油桿間液 體潤滑條件變差，即使是在直井中，也同樣會發(fā)生摩擦與磨損現(xiàn)象。偏磨井數(shù)量多、分 布廣泛，近幾年來，抽油機井表現(xiàn)出來的抽油桿與油管之間的磨損現(xiàn)象日益嚴重。這些 偏磨增大了油水井管漏、斷脫等事故發(fā)生率，增加了油水井維修次數(shù)和成本，減少了油 水井有效工作時間，給油田帶來了巨大的經(jīng)濟損失【l 】。 抽油桿工作環(huán)境極其的惡劣，作業(yè)現(xiàn)場的資料分析結(jié)果表明，管桿的偏磨，大部分 發(fā)生在泵上3 0 0 7 0 0 m 處，油井抽油桿集中表現(xiàn)在1 9 m m 桿的接箍和桿體上。油管多表 現(xiàn)在公扣1 5 m 處左右，且平式管比加大管嚴重，抽油桿接箍的偏磨程度大于油管的偏磨 程度。通過回收、清洗、檢測、解剖等可以發(fā)現(xiàn)，其偏磨特征大體歸納為以下兩個方面： 油管與抽油桿接箍的偏磨約占偏磨總數(shù)的7 0 。1 9 m m 、2 2 m m 兩種規(guī)格的抽油桿 發(fā)生的偏磨情況居多，前者比后者嚴重，其原因可能是井身不直，抽油桿在上下運動中 接箍磨損油管，造成接箍一面或兩面變薄，削弱了接箍與桿頭錐承臺階間的預(yù)緊力，嚴 重偏磨致使其脫扣，同時將油管磨出溝槽，直至穿孔或開裂。抽油桿主體或接箍與油 管內(nèi)表面的角度磨損。這種磨損表現(xiàn)為抽油桿和油管的兩邊磨損，且一邊在上，一邊在 下，磨損面形狀似三角形，1 9 m m 、哇) 2 2 m m 抽油桿經(jīng)常會發(fā)生這種偏磨。 目前，大多油田都針對抽油桿、管偏磨現(xiàn)象進行了成因分析，并針對桿、管偏磨采 取了減少抽油桿、管偏磨措施，但都不同程度地存有其局限性【l 】。目前，主要的防偏磨 措施包含有使用扶正器、涂覆耐磨耐蝕涂層、優(yōu)化桿柱組合等，但這些措施存在操作復(fù) 雜、污染環(huán)境、效果不明顯等缺點。因此，提出利用激光器對油管內(nèi)壁及接箍外表面進 第1 章緒論 行激光強化處理，提高油管與接箍的防偏磨性能，以便最大限度的提高機采井中管桿的 防偏磨能力，提高其使用壽命，達到節(jié)約能源、材料以便提高經(jīng)濟效益的目的。 激光表面改性技術(shù)不僅實現(xiàn)了光、機、電技術(shù)相結(jié)合，更是一種先進制造技術(shù)，而 且目前正處于向傳統(tǒng)制造技術(shù)中許多工藝過程積極滲透的階段。激光合金化、熔凝及相 變硬化可顯著提高金屬材料的表面硬度，耐磨性及耐蝕性；并且相對于電弧噴涂、滲碳、 滲氮等生產(chǎn)工藝來說具有冶金結(jié)合強度高、清潔、節(jié)約能源、節(jié)省材料等諸多優(yōu)點。 1 2 抽油井管桿偏磨成因及治理措施 1 2 1 抽油井管桿偏磨成因 油井管桿發(fā)生偏磨的因素主要包括以下六個方面： ( 1 ) 井斜角變化較大井段的偏磨：井斜又分為兩種情況：自然井斜引起偏磨：由 于井斜的原因，抽油桿質(zhì)量在油管的徑向存在一個分量，即抽油桿與油管之間存在一個 壓力，當抽油桿在油管中沿油管軸向做往復(fù)運動時，便會使抽油管接箍磨損失效，或者 油管被磨穿造成管漏；地層蠕動造成井斜引起偏磨：深井中，由于地層發(fā)生蠕動，使 套管進而使油管偏移，油井就形成了有一定傾角的斜井，此時與自然井一樣，井斜是造 成抽油井管桿偏磨的最主要原斟1 1 。 ( 2 ) 桿管屈曲失穩(wěn)導(dǎo)致的偏磨：抽油桿柱與管柱由于長徑比過大，在一個運動周期 內(nèi)，桿管交替承受拉壓載荷的作用，根據(jù)工程力學(xué)的壓桿失穩(wěn)原理，當油管柱或抽油桿 柱底部受到壓載荷達到一定的數(shù)值時，便可產(chǎn)生屈曲。屈曲到一定的程度可使抽油桿與 油管內(nèi)壁發(fā)生接觸，在抽油桿作往復(fù)運動時，便可發(fā)牛偏磨。油管屈曲發(fā)生在上沖程過 程中，抽油桿屈曲則發(fā)生在下沖程過程中2 1 。 ( 3 ) “狗腿”變向引起磨損：在有“狗腿”地方，彎曲度小，油管與接箍產(chǎn)生摩擦，上 下沖程是單面摩擦；彎曲度較大時，油管與接箍，油管與抽油桿本體均產(chǎn)生摩擦，上下 沖程造成雙面摩擦【1 1 。 ( 4 ) 套管變形引起偏磨：由于地層蠕動，使井段出現(xiàn)彎曲，繼而套管變形，擠壓油 管使之發(fā)生變形，導(dǎo)致油管在井筒內(nèi)偏移，而抽油桿垂直，在抽油桿與油管間往復(fù)運動 的摩擦作用下，必然會發(fā)生磨損失效現(xiàn)象【l 】。 ( 5 ) 日常管理對偏磨的影響f 3 】：礦化度含砂量、含水率、沉沒度、井v i 回壓、結(jié)蠟、 結(jié)鹽均會對偏磨產(chǎn)生不同程度的影響。礦化度含砂量：當油井產(chǎn)出液中含有少量砂粒時， 可以減緩桿管間的磨損，當抽油桿管在含有大量具有較強磨礪性砂粒的產(chǎn)出液中摩擦 2 中國石油大學(xué)( 華東) 碩士學(xué)位論文 時，這些砂粒會在摩擦表面產(chǎn)生磨粒磨損，產(chǎn)出液中隨含沙量的增加，磨損速度增大： 高含水率：產(chǎn)出液含水越高，偏磨越嚴重。產(chǎn)出液含水率低時，桿管摩擦面處于良好的 油潤滑狀態(tài)，動摩擦因數(shù)較小，磨損較輕；產(chǎn)出液含水高時，桿管摩擦處于水潤滑狀態(tài)， 動摩擦因數(shù)大大增加，加快了桿管磨損；沉沒度：當供液充足時，動液面較淺，泵的沉 沒度較大，這樣不但增加了桿管接觸磨損面積，而且加重了抽油機載荷，桿管間的正壓 力也隨著增大，導(dǎo)致偏磨可能性增大。 ( 6 ) 油管材質(zhì)類型、抽油桿材料與扶正器材料的材質(zhì)、桿管間的正壓力、生產(chǎn)參數(shù) 等對偏磨的影響：j 5 5 鋼級油管的磨損率要高于n 8 0 鋼級油管的磨損率；隨著正壓力的 增加，磨損率逐漸增大。這可能是由于在正壓力很大的接觸面上缺少潤滑膜而引起的， 當正壓力足夠大時，就可使抽油桿與油管之間的潤滑膜破裂，導(dǎo)致抽油桿與油管內(nèi)壁直 接接觸，從而加速了油管的磨損【4 】；沖程短沖次快時，抽油桿與油管相對摩擦部位的面 積較小，摩擦次數(shù)增多，磨損較快；而沖程長沖次慢時，抽油桿與油管摩擦部位的面積 相對較大，摩擦次數(shù)減少，因此磨損較慢，管桿使用壽命相對也較長一些。 1 2 2 管桿偏磨治理措施 ( 1 ) 采取抗磨接箍、抗磨副、反饋泵、加裝抽油桿扶正器( 如：k z x 型偏磨扶正 器) 、內(nèi)襯管( 例如：h d p e 內(nèi)襯油管 5 1 ) 等防偏磨治理措施。 ( 2 ) 應(yīng)用新型防偏磨抽油泵：大流道抽稠油整筒防偏磨泵、柱塞底部加重式防偏磨 抽油泵、c y b 雙沖程平衡防偏磨增效抽油泵、旋流旋轉(zhuǎn)柱塞式防偏磨抽油泵、大反饋 力防偏磨抽稠油泵、偏閥式防偏磨抽油泵等【6 j 。 ( 3 ) 合理設(shè)計并優(yōu)化工作參數(shù)：盡量采用長沖程、慢沖次的工作制度，降低抽油桿 所受的慣性載荷。 ( 4 ) 在油管方面：在偏磨較嚴重的深抽油井泵上加油管錨，合理設(shè)計尾管長度，改 善油管受力狀況，減少因交變載荷引起的彎曲變形，進而減少由于油管彎曲造成的桿管 偏磨；偏磨不太嚴重的油井上安裝井口油管旋轉(zhuǎn)器，采用油管旋轉(zhuǎn)裝置，使油管在生產(chǎn) 過程中自動旋轉(zhuǎn)，將桿管之間的線摩擦通過油管的旋轉(zhuǎn)變?yōu)槊婺Σ粒層凸苋轿荒Σ粒?以延長油管壽命；使用外加厚涂料油管，減少抽油桿接箍與油管內(nèi)壁摩擦；對于油管腐 蝕、結(jié)垢嚴重的井，要進行高壓清水除垢或更換新油管，以降低摩擦系數(shù)；對于出砂嚴 重，且地層返吐厲害的井，要及時沖砂洗井【4 矧。 ( 5 ) 在抽油桿方面：為提供在下沖程開始時打開游動閥所需的力，并能使抽油桿柱 3 第1 章緒論 在下沖程時處于拉伸狀態(tài)，建議在桿柱上裝加重桿；用抗腐蝕性強、抗拉強度大、耐磨 性好的高強桿；優(yōu)化抽油桿組合；安裝井口抽油桿旋轉(zhuǎn)器；使用防磨器，這是目前現(xiàn)場 上諸多防偏磨措施中比較實用的一種【4 羽。 ( 6 ) 防井斜工藝的配套實施：安裝井口盤根盒( 防噴盒) ：應(yīng)用旋轉(zhuǎn)懸繩器：該裝置 通過抽油桿的不斷旋轉(zhuǎn)，不但可以避免抽油桿與油管的單方向偏磨，還可以有效防止活 塞與泵筒的單向偏磨，并具有一定的防抽油桿脫扣功能；應(yīng)用旋轉(zhuǎn)井口，通過使油管旋 轉(zhuǎn)角度，可以使管桿相互均勻偏磨，防止油管被抽油桿磨穿造成躺井，目前旋轉(zhuǎn)井口與 旋轉(zhuǎn)懸繩器還可以復(fù)合使用，提高了防治偏磨的效剿4 叫。 ( 7 ) 迸一步優(yōu)化管桿組合：目前油井通常采用抽油桿三級組合方式，1 9 m m 桿位于 中部，起著關(guān)鍵的連接作用，在運行過程中承受的應(yīng)力較大，容易出現(xiàn)彎曲和偏磨，最 終導(dǎo)致抽油桿斷脫，在許多井的作業(yè)現(xiàn)場中也可以證實這一點，因此建議將較易發(fā)生偏 磨的1 9 r a m 桿更換為高強度桿，以減少其斷脫率，延長抽油井的免修期【4 咖。 管桿防偏磨技術(shù)還有在偏磨油井上推廣應(yīng)用連續(xù)抽油桿，潤滑防偏磨技術(shù)，使用無 管采油、柔性桿采油等技術(shù)。且在日常管理中應(yīng)注意：制定合適的生產(chǎn)參數(shù)組合，選擇 合理的沉沒度，降低回壓，定期實施井筒清理措施等問題。 1 3 激光表面改性技術(shù)簡介 激光表面改性技術(shù)的研究始于2 0 世紀6 0 年代，但到2 0 世紀7 0 年代初期才研制出 大功率激光器，之后激光表面改性技術(shù)才獲得實際的應(yīng)用，并在接下來的十年內(nèi)得到迅 速的發(fā)展。激光表面改性技術(shù)是在材料表面形成一定厚度的處理層，由于可以改善材料 表面的力學(xué)性能、冶金性能、物理性能，從而提高了零件、工件的耐磨、耐蝕、耐疲勞 等一系列性能。圍繞激光表面改性的特點，人們相繼研究并開發(fā)出一些具有工業(yè)應(yīng)用前 景的激光表面處理技術(shù)，大致上分為激光相變硬化、激光表面合金化、激光表面熔覆、 激光非晶化、激光沖擊硬化和激光熔凝1 7 以6 1 。 激光表面改性的原理【1 7 - 1 9 】：當激光束照射到材料表面時，激光被材料吸收變?yōu)闊崮埽?表層材料受熱升溫。因為功率集中在一個很小的表面上，所以在很短時間( 1 0 1 0 。s ) 內(nèi) 即把材料加熱到高溫( 加熱速度高達1 0 5 1 0 9 。c s ) ，使材料發(fā)生固態(tài)相變、熔化甚至蒸發(fā)。 當激光束被切斷或移開后，材料表面快速冷卻( 冷卻速度高達1 0 4 c s ) ，自然冷卻后就能 實現(xiàn)表面改性。根據(jù)激光束與材料表面作用的功率密度、作用時間及作用方式的不同， 可實現(xiàn)不同類型的激光表面改性。 4 中固石油大學(xué)( 華東) 碩一t - 學(xué)位論文 1 3 1 激光熔覆技術(shù) 激光表面熔覆技術(shù)是指在激光束作用下將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加 熱并熔化，光束移開后自然冷卻的一種表面強化方法，具有以下優(yōu)點： a 冷卻速度快( 高達1 0 6 c s ) ，組織具有快速凝固的典型特征； b 熱輸入和畸變較小，涂層稀釋率低( 一般小于5 ) ，與基體呈冶金結(jié)合： c 粉末選擇幾乎沒有任何限制，特別是在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金； d 能進行選區(qū)熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能價格比； e 光束瞄準可以使難以接近的區(qū)域熔敷； f 工藝過程易于實現(xiàn)自動化【2 0 2 1 1 。 自從2 0 世紀8 0 年代開始，激光熔覆技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，目前已成為國內(nèi)外激光 表面改性研究的熱點。正是由于理論上的支持和實踐的需要，激光熔覆技術(shù)在工業(yè)化上 邁出了巨大的一步，其應(yīng)用領(lǐng)域非常寬，它可以用于機械制造與維修、汽車制造、紡織 機械、航海與航天和石油化工等領(lǐng)域。在刀具、模具、閥體上熔覆陶瓷層已獲得了廣泛 的應(yīng)用。此外，對灰鑄鐵的汽車發(fā)動機排氣閥進行c r 的激光合金化處理，合金層硬度可 達h r c 6 0 ，節(jié)約成本高達8 0 ，在c u 上熔覆a g 作為電接觸材料也是激光熔覆的重要應(yīng)用。 中南工學(xué)院石世宏2 2 ，2 3 1 等使用5 k w 橫流c 0 2 激光器在石化閥門密封面奧氏體基體上熔 覆n i 基自熔合金，并與傳統(tǒng)等離子噴焊層進行對比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)激光熔覆的石化閥門密封面 能獲得厚度達3 0 m m 、表面較光滑平整的合金層。在組織和性能上均明顯優(yōu)于等離子噴 焊工藝。王新林幽2 5 】等采用5 k w 橫流c 0 2 激光器，對不同基體材料的石化高參數(shù)閥門密 封面進行激光熔覆，所用合金粉為c o c r w b 與n i c r f e b s i 。在研究解決了厚層單道熔覆裂 紋問題的基礎(chǔ)上，得到了厚2 3 5 m m 、表面平整、無質(zhì)量缺陷的激光熔覆層。 1 3 2 激光相變硬化 激光相變硬化【2 6 1 ( 又稱激光淬火，或稱為l a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n g ，簡稱l t h ) 是激光熱處理的一種，它是以激光為熱源，通過高能量的激光束掃描工件，使工件表面 極薄一層的小區(qū)域內(nèi)快速( 1 0 一1 0 s ) 吸收熱量而溫度急劇上升，工件材料淺表面內(nèi)的溫 度在材料的熔點和奧氏體轉(zhuǎn)變臨界溫度之間的部分發(fā)牛固態(tài)相變。由于加熱時速度很快 ( 加熱速度高達1 0 5 1 0 9 c s ) ，進而奧氏體轉(zhuǎn)變臨界溫度a c l 升高，材料在奧氏體轉(zhuǎn)變臨界 溫度上停留時間很短，但珠光體晶粒一般都能完成碳擴散，轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織。此時工 件基體仍處于冷態(tài)，由于熱傳導(dǎo)的作用，表面熱量迅速傳到工件的其它部位上，在瞬間 5 第l 章緒論 可進行自冷淬火。在快速冷卻過程中，碳原子來不及擴散，使得馬氏體含碳量極高，而 且殘余奧氏體也獲得了極高的位錯密度，進而實現(xiàn)工件表面的相變硬化。經(jīng)過激光相變 硬化處理后，工件表面硬度可達h r c 5 5 6 5 以上，淬硬層深達0 1 2 0 m m ，疲勞強度增大， 且加工后表面變形小。 激光相變硬化由于以上的優(yōu)點而得到了較為廣泛的應(yīng)用。1 9 8 7 年由原石油部組織鑒 定，油田井下使用結(jié)果表明，泵筒經(jīng)激光淬火后，使用壽命提高了一倍，但變形甚微， 耗電量僅為鍍鉻工藝的1 2 。他們還進行了整筒4 5 鋼柱塞和球鐵鉆井泵缸套的激光相 變硬化試驗，均取得了很好的效果【2 6 】。勝利油田錢暉對內(nèi)徑4 4 8 3 m m 、長3 0 0 m m 組 合抽油泵缸套進行了激光相變硬化處理缸套內(nèi)表面硬度達到h r c 6 0 6 6 ，硬化層深度 達到o 仙6 m m ，缸套直徑上變形僅為0 0 3 m m 左右，遠遠低于常規(guī)熱處理的變形量， 大幅度提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王揚【2 8 】等介紹了一種采用 y a g 固體激光器和光纖導(dǎo)光對抽油泵整體泵筒進行激光表面淬火的新方法，該方法將 管內(nèi)機器人技術(shù)和激光相變硬化技術(shù)相結(jié)合，形成了泵筒激光處理系統(tǒng)，并用該系統(tǒng)進 行了激光相變硬化工藝實驗，結(jié)果表明：處理過的泵筒表面硬度和耐磨性均顯著提高。 1 4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 - 4 1 激光表面改性技術(shù)在石油工業(yè)中的應(yīng)用情況 激光表面改性技術(shù)從問世以來就得到石油工業(yè)的關(guān)注并獲得了一定應(yīng)用，如激光切 割石油割縫篩管、激光焊接輸油管道、高能激光器鉆油井、激光測量、激光打標及激光 表面強化等。例如：抽油泵泵筒內(nèi)激光淬火( 即相變硬化) ，常用的油管和套管材質(zhì)( p 1 0 5 ， c 7 5 ，j - 5 5 ) 的激光表面相變硬化；4 5 # 鋼作為鉆井泵缸套材料在中頻淬火的基礎(chǔ)上再進 行激光相變硬化處理；為解決油管粘扣問題，利用激光淬火工藝對油管螺紋進行淬火； 采用高功率c 0 2 激光器，利用正交實驗法對鉆桿表面進行淬火處理；粉碎機錘片上，發(fā) 動機搖臂表面上，鼓風(fēng)機葉片上利用激光技術(shù)熔覆硬質(zhì)合金粉末，提高使用壽命；利用 激光技術(shù)在鋼齒鉆頭表面熔覆碳化鎢( w c ) ；牙輪殼體表面進行的激光熔覆處理；鋼齒鉆 頭表面熔覆w c ；鉆頭軸承表面進行激光熔覆處理；抽油泵泵筒內(nèi)壁通過激光熔覆進行 強化和修復(fù)等【7 j 。 6 中國石油大學(xué)( 華東) 碩七學(xué)位論文 1 4 2 油管和抽油桿接箍表面強化技術(shù)研究 ( 1 ) 在油管內(nèi)表面強化方面，已研發(fā)各種技術(shù)以提高油管內(nèi)壁耐磨蝕性，主要有以 下幾種： 油管內(nèi)壁噴涂一層山西中天公司提供的耐磨涂層【2 9 】：在油管上噴涂耐磨涂層可以 有效降低磨損表面受摩擦損壞的程度，從而提高摩擦副的耐磨性，故可以大大降低管桿 偏磨的程度。4 5 # 鋼抽油桿與j 5 5 油管表面噴涂涂層后的組合，其耐磨性要明顯好于4 5 # 鋼抽油桿與j 5 5 油管的組合，油管表面噴涂后其耐磨性與不噴涂相比提高近5 倍，同時 對4 5 # 鋼抽油桿的減磨效果也非常明顯，其磨損量降低近1 2 ，這說明j 5 5 油管表面噴涂 后對抽油桿和油管木身的減磨作用非常好；可看出：噴涂耐磨涂層可以有效降低磨損表 面受摩擦損壞的程度，從而提高摩擦副的耐磨性。另有北京化工大學(xué)顏廷俊等人針對我 國東部地區(qū)油田抽油桿油管井下偏磨嚴重這一實際情況，提出在抽油桿或油管接觸表面 進行噴涂耐磨涂層的防磨措施。在摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗。試驗證明，經(jīng) 噴涂工藝處理的管與抽油桿進行摩擦?xí)r，耐磨性能較好，摩擦系數(shù)與磨損率都較低。可 以使抽油桿油管這對摩擦副的磨損狀態(tài)得到顯著改善，有效的保護了抽油桿和油管、延 長了使用壽命，減少了現(xiàn)場作業(yè)費用。 油管滲氮3 0 1 技術(shù)：氮化防腐油管是用于解決油、水井油管腐蝕或偏磨問題的新型 防腐油管，經(jīng)過勝利油田2 0 0 余口井的現(xiàn)場試驗，沒有出現(xiàn)因油管質(zhì)量問題導(dǎo)致油、水 井重新作業(yè)的情況，平均使用壽命己達到1 年以上，取得了良好的應(yīng)用效果。 電鍍化學(xué)鍍技術(shù)：化學(xué)鍍層有結(jié)合力強，硬度高，耐磨性能好，耐蝕性能優(yōu)良等 優(yōu)點。鎳磷合金鍍管非晶態(tài)鎳磷( n i p ) 合金鍍層具有良好的耐磨耐蝕性能。 碳鋯復(fù)合樹脂內(nèi)涂層油管3 1 】：碳鋯復(fù)合樹脂涂料是將具有自潤滑性能的非金屬和 超硬金屬材料與環(huán)氧、尼龍等樹脂復(fù)合而成。將碳鋯復(fù)合樹脂涂料在一定條件下通過熱 熔融方式涂覆在油管內(nèi)表面，經(jīng)高溫固化后形成碳鋯復(fù)合樹脂內(nèi)涂層油管技術(shù)。固化后 生成的保護涂層呈網(wǎng)狀交聯(lián)，在微觀上有一定的孔洞，具有微觀彈性，能減輕一定的正 壓力作用產(chǎn)生的磨損，具有超強耐磨和優(yōu)良防腐雙重性能。 油管內(nèi)表面激光改性處理【3 2 】：激光相變硬化處理可提高油管內(nèi)表面的硬度、耐磨 性等性能。n 8 0 級油管鋼經(jīng)激光相變硬化處理后硬度提高，且組織晶粒得到細化，改善 了材料表面的機械性能。因此，具有良好的耐磨性，抗磨損能力得以大大提高。激光表 面熱處理工藝在油管上的應(yīng)用，既提高了油管產(chǎn)品的耐磨性能，又提高了油管產(chǎn)品的耐 腐蝕性能，大大提高了油管產(chǎn)品的技術(shù)含量。 7 第1 章緒論 此外還有h d p e 內(nèi)襯油管、改性玻璃鋼內(nèi)襯油管、雙金屬復(fù)合防腐油管、涂料油管 等。 ( 2 ) 接箍表面強化技術(shù)主要包括以下幾種： 雙向保護接箍【3 3 】：雙向保護抽油桿接箍是在普通接箍表面涂覆一層a o c 1 6 0 耐磨 耐蝕減摩涂層，經(jīng)過特殊表面處理工藝加工而成，嚴格按照a p is m 標準制造。a o c 1 6 0 涂層中特有的成分在涂層( 接箍的硬表面) 與油管( 軟表面) 摩擦過程中，以片狀形式轉(zhuǎn)移 到油管表面，并附著在油管表面上，保護和減緩了油管表面的磨損。同時片狀物的存在 降低了接箍和油管之間的摩擦系數(shù)，起到了減摩的作用。 磷化接箍【蚓：磷化膜是磷酸鹽溶液與金屬鐵相互作用生成的。磷化液是由磷酸錳 鐵鹽( 馬日夫鹽) 或磷酸二氫鋅和少量磷酸二氫鐵溶于水中而形成的，它們在水中進行水 解，水解出來的大量氫離子與工件表面的鐵接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，由于氫氣的不斷形成， 氫離子不斷減少，這樣水解反應(yīng)的化學(xué)平衡即被破壞，水解過程不斷進行，結(jié)果在溶液 中產(chǎn)生了較多的磷酸氫根和磷酸根，再與溶液中的錳離子作用形成磷酸鹽。當磷酸鹽在 溶液中過飽和時，便在接箍表面上結(jié)晶析出形成磷化膜。隨著磷化膜的生成并連成一片， 使零件表面與溶液隔離。 抽油桿防脫防磨接箍【3 5 】：此接箍是由接箍本體和防磨架構(gòu)成。接箍本體由2 0 c r m o 或3 5 c r m o 鋼制成，其外圓面兩端各加工有用來安裝防磨架的徑向止1 2 1 ( 臺階) ，中間銑出 兩個對稱平面，以便用扳手旋轉(zhuǎn)。內(nèi)國面兩端各加工成一止口，其中間留退刀槽，兩止 口之間n - r 出陰螺紋。該螺紋為一種特殊結(jié)構(gòu)的螺紋，其主要特征是，螺紋帶有2 5 0 一3 0 0 的斜齒根，齒形半角不相等。實踐證明，這種特殊結(jié)構(gòu)的螺紋有自鎖能力，可有效防止 脫扣。防磨架由具有聚四氟乙烯成分的粉末擠壓而成，其外圓面均勻分布4 個導(dǎo)向防磨 筋，內(nèi)圓面尺寸與接箍本體外團面相配合。實踐證明這種用粉末擠壓成型的防磨架，其 摩擦系數(shù)極小，耐磨性很高。 接箍表面激光相變硬化處理【3 6 ，3 7 】：調(diào)質(zhì)態(tài)4 0 c r 表面激光處理后磨損性能較基體具 有大幅度提高，4 0 c r 基體表面激光相變硬化處理后，硬化層生成高硬度耐磨馬氏體以及 對耐磨性有利的殘余奧氏體，故耐磨性比基體提高了7 6 倍。 接箍表面激光熔覆處n t 3 6 ，3 7 】：激光熔覆是一種快速熔化、擴展和凝固的過程。4 0 c r 鋼表面激光熔覆鐵基合金粉末后，強化層顯微組織特征是以細小的共晶萊氏體為基底， 上面分布著先共晶滲碳體，是一種凝固組織，其強化層中不僅含有大量的合金滲碳體， 而且還有馬氏體、殘余奧氏體和原位析出的顆粒。載荷在3 0 0 9 左右時，熔覆層的摩擦系 8 中國石油大學(xué)( 華東) 碩上學(xué)位論文 數(shù)都隨著載荷的增加而減小，表現(xiàn)了良好的耐磨性能。 此外還有三面旋轉(zhuǎn)接箍、鍍鉻處理的抗磨接箍、鍍鋅接箍、雙金屬復(fù)合接箍等，該 類技術(shù)特點是通過對抽油桿接箍表面的處理，提高表面硬度，降低表面粗糙度，提高接 箍的抗磨和減磨效果。該類技術(shù)目前主要用在直井、斜井、高含水井中，起到抗磨、延 長抽油桿接箍壽命的目的。 1 4 3 抽油井管桿摩擦副耐磨蝕性能試驗研究 青島理工大學(xué)的王優(yōu)強，劉丙生，王民軒等對油田常用的幾種管桿材料在不同溫度 和徑向載荷作用下的磨蝕規(guī)律進行了試驗研究。選用的油管材料有j 5 5 油管、n 8 0 油管、 氮化油管以及涂層油管；接箍材料有2 0 c r m o ，f g 2 0 ( t 調(diào)質(zhì)鋼) 以及球鐵q t - 6 0 的試驗材 料。在腐蝕介質(zhì)為清水，溫度為室溫，磨蝕試驗在自制的磨蝕試驗機上進行，油管和接 箍試件的相對運動為往復(fù)式試驗條件下進行試驗。j 5 5 油管與2 0 c r m o 、非調(diào)質(zhì)鋼及q t - 6 0 接箍配對，在相同條件下，優(yōu)先選用q t - 6 0 接箍與j 5 5 油管配合；n 8 0 油管與2 0 c r m o 、非 調(diào)質(zhì)鋼及q t - 6 0 接箍配對，在工況條件相同和n 8 0 油管選定的情況下，優(yōu)先采用q t - 6 0 接 箍；氮化油管與2 0 c r m o 、非調(diào)質(zhì)鋼及q t - 6 0 接箍配對，非調(diào)質(zhì)鋼接箍與氮化油管配合； 涂層油管與2 0 c r m o 、非調(diào)質(zhì)鋼及q t - 6 0 接箍配對，在相同工況條件下，優(yōu)先選用非調(diào)質(zhì) 鋼接箍。實驗表明，涂層油管的表面具有良好的耐磨性，同時對相配對的另一方還有比 較好的減磨作用；噴涂耐磨涂層可以有效降低磨損表面受摩擦損壞的程度，從而提高摩 擦副的耐磨性。若采用涂層油管時，建議優(yōu)先選用非調(diào)質(zhì)鋼接箍【3 8 , 3 9 】。 噴涂耐磨涂層的油管與非調(diào)質(zhì)鋼接箍磨損配合時磨損率最低，若對油管內(nèi)壁進行激 光表面強化，提高其耐磨性，與同樣利用激光處理的接箍進行磨損試驗，獲得最佳配合， 不失為另一種減少管桿偏磨的措施。 1 5 課題研究目標和研究內(nèi)容 1 5 1 研究目標 對抽油管、接箍的鋼材材質(zhì)特點及抽油井的工作過程深入了解，通過一定的分析手 段研究抽油井油管與接箍配合使用時的磨損機理；運用激光器對油管內(nèi)壁進行激光相變 硬化處理及對接箍外表面進行激光熔覆處理，進行強化油管與接箍的磨損實驗；根據(jù)抽 油桿接箍與油管配合使用磨損情況，得到最佳匹配。 9 第1 章緒論 1 5 2 研究內(nèi)容 ( 1 ) 用d l h l t 5 0 0 0 激光器對n 8 0 油管內(nèi)壁進行激光相變硬化處理，接箍表面進 行激光熔覆處理；研究激光表面改性后組織的變化：用硬度計測試試樣的宏觀硬度與顯 微硬度； ( 2 ) 通過課題組設(shè)計的磨損試驗機對油管及抽油桿接箍進行水介質(zhì)下的磨損試驗， 通過失重量分析，結(jié)合掃描電鏡對各組油管與接箍對磨后磨損表面進行磨損形貌的分 析，研究管桿偏磨失效機理；研究摩擦磨損配合使用情況，最終得到最佳匹配； ( 3 ) 進行n a c l 3 5 溶液介質(zhì)下的磨蝕試驗，通過失重量分析，研究摩擦磨損配合 使用情況，最終得到最佳匹配。 1 0 中國石油大學(xué)( 華東) 碩士學(xué)位論文 2 1 試驗材料 第2 章試驗材料、設(shè)備及方法 進行管桿磨損試驗時，選用的油管材料為普通n 8 0 油管和激光相變硬化處理的n 8 0 油管，油管短節(jié)試件規(guī)格為：0 7 9 x 3 0 0 m m ，兩孔間距2 6 0 m m ，n 8 0 油管牌號為3 5 m n 2 v ， 其化學(xué)成分如表2 1 所示；