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QPQ表面处理技术及提高工具耐冲蚀性能试验研究.pdf

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    QPQ 表面 处理 技术 提高 工具 冲蚀 性能 试验 研究
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    2 0 1 7 年第4 6 卷石油矿场机械 第3 期第4 1 页 O I LF I E L DE Q U I P M E N T 2 0 1 7 ,4 6 ( 3 ) :4 1 - 4 5 文章编号:1 0 0 1 3 4 8 2 ( 2 0 1 7 ) 0 3 0 0 4 1 0 5 Q P Q 表面处理技术及提高工具耐冲蚀性能试验研究 孔学云。严孟凯。张亮,左凯,陈胜宏,刘晓峰,齐海涛,李宝龙 ( 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津3 0 0 4 5 2 ) 摘要:为了提高海洋石油用井下工具的耐磨和耐冲蚀性能,采用理论和试验方法,开展了4 1 4 5 材质 的Q P Q 表面处理技术的应用研究并口耐冲蚀性能试验研究。结果表明:在模拟现场压裂作业工况 ( 高砂比、大排量) 下,Q P Q 处理工具的平均冲蚀厚度约3m m ,Q P Q 处理的工具较磷化处理的工具 有较高的耐腐蚀性能和良好的自润滑性能。Q P Q 处理后的整套压裂工具在渤海油田某井成功应 用,满足压裂作业的要求。 关键词:井下工具;表面预处理;冲蚀;试验 中图分类号:T E 9 3 4 2 0 7文献标识码:A d o i :1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 7 0 3 0 0 9 Q P Q S u r f a c eT r e a t m e n tT e c h n o l o g ya n dT e s tR e s e a r c hf o r I m p r o v i n gE r o s i o nR e s i s t a n c eP r o p e r t yo fT o o l s K O N GX u e y u n ,Y A NM e n g k a i ,Z H A N GL i a n g ,Z U OK a i ,C H E NS h e n g h o n g , L I UX i a o f e n g ,Q IH a i t a o ,L IB a o l o n g ( C N O O CE n e r T e c h D r i l l i n g & P r o d u c t i o nC o ,T i a n j i n3 0 0 4 5 2 ,C h i n ) A b s t r a c t :I no r d e rt oi m p r o v et h eo f f s h o r eo i ld o w n h o l et o o lw e a ra n de r o s i o nr e s i s t a n c ep r o p e r t y , t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fQ P Qs u r f a c et r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n de r o s i o nr e s i s t a n c ep r o p e r t yf o r 414 5w a ss t u d i e dw i t ht h et h e o r ya n dt e s tm e t h o d T h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h es i m u l a t e d c o n d i t i o no ff i e l df r a c t u r i n go p e r a t i o n ,t h em e a ne r o s i o nt h i c k n e s so fQ P Qt r e a t m e n tt o o li sa b o u t 3m m ;Q P Qt r e a t m e n tt o o l sh a v eh i g h e rc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n ds e l f l u b r i c a t i n gp r o p e r t i e st h a n p h o s p h a t et r e a t m e n tt o o l s As e to ff r a c t u r i n gt o o l st h r o u g hQ P Qt r e a t m e n tw a ss u c c e s s f u l l ya p p l i e di naw e l lo fB o h a iO i l f i e l d ,a n df u l l yp r o v et h a tt h et o o l sm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ef r a c t u r i n gf i e l do p e r a t i o n K e y w o r d s :d o w n h o l et o o l ;s u r f a c ep r e p a r a t i o n ;e r o s i o n ;t e s t i n g 海洋油气田的作业工况恶劣,井下工具要承受 拉力、压力和扭力矩等复杂交变应力,同时要经受大 排量和高流速的钻完井液、泥浆、砂液等冲蚀。因 此,要求井下工具具有高强度、高耐磨和耐冲蚀的综 合性能。鉴于对工具性能的高要求,单凭借优选材 料是不够的,还需采用材料表面处理工艺来提高材 料的综合性能 1 。6 。 本文主要针对4 1 4 5 常规井下工具材料,开展表 面Q P Q 盐浴复合处理工艺的应用研究,并模拟油 气井压裂作业工况,对Q P Q 处理的井下工具进行 耐冲蚀试验,评价Q P Q 工艺对井下工具的耐腐蚀 和耐冲蚀性能的提高效果睁8 。 1 Q P Q 盐浴炉复合处理技术介绍 Q P Q 盐浴炉复合处理技术包括盐浴氮化处理、 氧化处理、抛光处理和第2 次氧化处理4 个过程。 收稿日期:2 0 1 6 1 2 1 4 基金项目:中国海洋石油总公司项目“完井防砂系列工具研制I I I 期”( C N O O C K J1 3 5K J X MN F G J 2 0 1 6 - 0 1 ) 作者简介:- K 学云( 1 9 8 0 一) ,女,内蒙古乌盟人,高级工程师,2 0 0 7 年毕业于内蒙古科技大学材料加工工程专业,现从事石油 工具研发工作,E m a i l :k o n g x y c n o o c c o r n c n 。 万方数据 4 2 石油矿场机械 2 0 1 7 年5 月 盐浴氮化处理技术是核心,主要是将氮化盐中氰酸 根的分解而产生的活性氮原子渗入工件,在工件表 面形成耐磨性和抗腐蚀性很高的化合物层和耐疲劳 的扩散层。氧化处理主要是彻底分解工件从氮化炉 带出来的氰根( C N 一) ,同时,在工件表面形成黑色 氧化膜,增加防腐能力,对提高耐磨性也有一定好 处。抛光处理主要是去除氮化物层外面的疏松层, 经2 次氧化可以进一步提高工件的抗腐蚀性能和耐 磨性能 。 24 1 4 5 材料的Q P Q 表面处理工艺分析 对调质态的4 1 4 5 材料进行Q P Q 处理,工艺参 数如图1 。然后对其进行盐雾试验、金相检测和硬 度检测,测试Q P Q 处理前后材料的表面硬度,并分 析有效硬化层厚度及耐腐蚀性能。 图14 1 4 5 材料Q P Q 表面处理工艺示意 1 ) 表面硬度及金相组织测试。 调质后的4 1 4 5 材料经过Q P Q 处理后,材料的 微观组织如图2 。表面硬度较处理前提高约5 倍, 有效硬化层厚度约6 6 z m ,数据如表1 。 图24 1 4 04 才料Q P Q 处理后微观组织 表14 1 4 5 材料Q P Q 处理前后性能参数 2 ) 盐雾试验。 按照N a C L 质量分数5 、喷射角度2 0 。( 与垂 直方向) 、试验槽温度3 5 的条件进行盐雾试验,接 受的喷雾量为0 0 2m L ( c m 2 h ) 。从图3 可以看 出,4 1 4 5 材料经表面Q P Q 处理后,耐腐蚀性能明显 提l 岛 图3 4 1 ,15 材料Q P Q 处理后烟雾试验 3 Q P Q 表面处理工具的冲蚀试验 3 1 试验目的 选择4 1 4 5 基材经过磷化处理和Q P Q 处理的2 种井下工具,模拟压裂充填完井作业工况( 高砂比、 大排量) 进行试验,检验和评价该工具的耐腐蚀和耐 冲蚀性能 1 。 3 2 试验方案 冲蚀试验是模拟2 4 4 5m m ( 9 英寸) 套管井 多层砾石充填作业工艺,选取冲蚀管柱段为“液体由 充填孔出来,进入充填短节和延伸筒环空,并经滑套 孔进入滑套、滑套密封筒与套管环空”。管柱主要由 内层、中层和外层3 层工具串组成,管柱上下端通过 变扣、短节和堵头进行连接。 由批 昆撬出来的携砂液,经过2 台泵泵入冲蚀 管柱,然后再回到批混撬,对管柱进行连续循环冲 蚀。冲蚀试验流程如图4 所示。冲蚀试验管柱结构 如图5 所示。 万方数据 第4 6 卷第3 期孔学云,等:Q P Q 表面处理技术歧提I I 具耐冲叭 陡i - 刈:? s t ,i 允t i i 4 L 延伸简滑套孔滑奁常埘简套管 图5冲蚀试验管柱结构 3 3 试验要求及参数 1 ) 试验工况参数。 本试验模拟压裂充填实际工况进行试验参数设 计。介质为水和石英砂,石英砂颗粒直径0 2 5 0 8 3m m ( 4 0 6 0 目) ,砂泵排量0 0 5 8m 3 s ( 2 2 b p m ) ,砂比2 3 9k g m 3 ( 2p p g ) ,累计泵入石英砂约 2 26 7 9k g ( 5 0 00 0 0l b s ) 。 2 ) 试验管柱参数。 冲蚀管柱分为2 种:被冲蚀管柱工具表面进 行磷化处理;被冲蚀管柱工具表面进行Q P Q 处 理。管柱工具清单如表2 所示。 表2 管柱工具清单 3 4 试验过程 2 0 1 6 0 6 ,在中海油钻采试验培训基地进行压裂 充填完井管柱冲蚀试验。试验现场如图6 所示。 a 冲蚀试验管十 , 少j ! 图6 冲蚀试验现场 将试验管柱工具与设备连接,并进行管柱试压 ( 3 5M P a ,稳压1 0m i n ) 。先用清水逐渐开泵至 0 0 5 8m 3 s ,进行管线及工具试运行,然后将批混撬 逐步加砂至约1 3 6k g ( 混砂撬体积已知,由砂比2 3 9 k g m 3 计算得知) ,累计泵入石英砂约2 26 7 9k g ,试 验结束,停泵。 拆卸设备、管柱及工具,并将工具运回试验室进 行冲蚀结果分析。 4 试验结果分析 4 1 冲蚀情况宏观分析 充填短节、充填孔、延伸筒表面冲蚀宏观形貌如 图7 所示。 a 左边磷化处理充填孑L 和右边Q I Q 处理充填孔 b 充填孑L 正对的延伸筒 图7充填孔及充填孔正对延伸筒宏观冲蚀形貌 万方数据 石油矿场机械2 0 1 7 年5 月 由图7 可见,充填短节上的充填孔下端、以及充 填孔正对延伸筒是整个管柱冲蚀最严重的部位,有 明显的变形和冲蚀缺口。表面进行Q P Q 处理的充 填短节,其充填孔下端的表面硬化层已经被冲蚀脱 落。表面进行磷化处理的工具有明显锈蚀,而表面 进行Q P Q 处理的工具表面基本没有锈蚀,表明 Q P Q 处理表面具有很好的耐腐蚀性。 4 2 冲蚀情况实测数据对比分析 磷化处理和Q P Q 表面处理的2 种充填短节, 其冲蚀试验数据如表3 。2 种工艺下,充填孔的长度 平均增加2 7 3 1m m ,充填孔的上端尺寸没有明 显变化,而下端肉眼可见变形部位尺寸平均增加 6 6 3 7 1 0m m 。局部冲蚀比较严重。测量延伸筒 的冲蚀厚度,其平均冲蚀厚度约3m m 。 表3充填孔冲蚀前后尺寸变化 4 3 滑套冲蚀后密封性能测试 由图8 可知,表面Q P Q 处理的滑套较表面磷 化处理的滑套挂携砂液少,说明
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