压裂工况下工具材料及表面涂层冲刷磨损机理研究

发布时间：2019-10-30 17:20

【摘要】：压裂技术是油气生产领域普遍应用的技术,其主要目的是人为增加油气流动的通道,提高油气层的渗透能力,从而增加油气产量。在压裂施工过程中,随着对压裂效率要求的提高,高压、大砂量压裂技术不断采用,使得管柱和井下工具的冲刷磨损越来越严重,甚至造成冲刷磨损失效,严重影响压裂生产的正常进行。为研究冲刷磨损机理,评价不同材料的腐蚀磨损性能,筛选抗冲刷磨损性能优良的材料,本文进行了不同材料的制备及系统的冲刷磨损实验研究。选用P110钢级的29CrMo44作为对比材料,经930-940℃淬火和610-620℃回火,组织为回火索氏体,晶粒度等级7.5-8级,屈服强度870MPa,抗拉强度921MPa,硬度21.5HRC,延伸率19.5%,力学性能优良。利用激光熔覆技术在P110钢基础上制备了含Cr量分别为20%、30%和40%的激光熔覆层(LCCs),熔覆层的稀释率分别为7%、5%、6%。沿熔覆涂层截面组织依次为平面晶、胞状晶和树枝晶,组织由马氏体和少量的残余奥氏体及铁素体组织,随Cr含量的增加,组织由柱状、树枝晶逐渐过渡到出现较多的碳化物,熔覆区主要物相为α(Fe,Ni),含铬量高时会出现Cr23C6、Cr7C3及其它形式的碳化物。熔覆层最高硬度513HV,平均硬度分别为350HV、376HV和462HV,明显高于P110钢。利用电磁感应炉熔技术,炼制了Fe-Cr-Mo-Mn-W-B-C-Si母合金,并用雾化装置制备非晶合金粉末,并使用XEM和XRD对粉术进行评价,表明粉末颗粒尺寸小于45μm,为完全非晶态结构。利用超音速热火焰喷涂技术,分别制备了厚度为200μm和400gm的非晶合金涂层(AMCs)。涂层化学成分分布均匀,孔隙率较小,分别为1.25%和1.45%。SEM下未观察到晶粒和晶界形态,TEM下发现存在少量晶体相,利用DSC法测定涂层中非晶相的含量,分别为74.9%和70.1%,证明涂层以非晶态结构为主。XRD分析显示,涂层中主要晶体相包括Fe2C、Cr7C3、Cr2B、M23C6和极少量的氧化物。显微维氏硬度测量表明涂层最高硬度可达900HV左右,平均硬度分别为828.3HV和713.2HV,涂层性能优良。以13Cr钢组分为基础,设计了铁基高铬合金的成分,并利用等离子熔炼装置制备了铁基高铬合金(FHCs)。用光谱仪测定了合金的化学成分,发现合金成分成分均匀,满足设计要求,属于超级13Cr系列。XEM形貌观察表明,合金组织由层片状马氏体构成,晶粒细小呈树枝状。XRD物相分析证实,合金的物相主要由马氏体相和Fe-Cr合金相组成。维氏测试结果显示合金的硬度达到296HV,高于普通0Cr13不锈钢。利用自制的冲刷磨损实验装置进行了冲刷磨损实验,对四种不同材料材料的冲刷磨损性能进行了总结评价,’冲刷磨损抗力由高到低分别为：非晶合金涂层激光熔覆层铁基高铬合金P110钢。其中非晶合金涂层和激光熔覆层表现出较强的抗冲刷磨损性能,是比较理想的抗冲刷磨损材料。铁基高铬合金可以应用于强腐蚀环境并具有较强冲刷的工况中。四种材料的冲刷磨损机理不同,P110钢、低Cr激光熔覆层和铁基高Cr合金属于典型的塑性冲刷磨损,高Cr激光熔覆层属于脆性冲刷磨损,非晶涂层冲刷磨损规律与脆性材料类似,但冲刷磨损机理明显不同。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH117.1;TE934.2

【参考文献】