钻杆用耐高温短碳纤维铝基复合材料组织与力学性能研究

发布时间：2020-11-01 05:38

　　 随着我国油气井钻探及科学钻探深度的不断拓展,对钻杆的要求也越来越高,传统G105、S135等型号钢钻杆因自重大、有磁性、耐腐蚀性能差等局限性无法完全满足超深井及特深井钻探工程的需求。过去几十年来,铝合金钻杆因其密度低、比强度高、耐酸腐蚀性能好等优点逐步赢得业内人士的青睐,并已经在美国、俄罗斯等工业发达国家形成一些列产品,被广泛应用于超深井、大位移井等高难钻井作业中。然而,铝合金材料的软化温度较低,在高温下其力学性能衰退明显,容易导致钻杆在深部高温地层的过早失效,这很大程度上限制了铝合金钻杆的应用与推广。本文面向超深井油气钻探和科学钻探对轻质、耐高温钻杆材料的需求,在现有2024铝合金钻杆材料的基础上,利用碳纤维本身高强度、热稳定性能好的特性,研究碳纤维增强铝基复合材料的强韧化机理,为研制新一代轻质高强耐高温碳纤维铝基复合材料钻杆提供理论依据。本文首先利用粉末冶金法制备了小含量的短碳纤维增强2024 Al基(SCFs/2024 Al)复合材料,微观组织观察表明,碳纤维在基体中随机分布,无明显方向性。在碳纤维和Al基体的界面处观察到较为剧烈的界面反应,伴有Al_4C_3界面产物生成,在界面处还可以观察到Al_2Cu和富Mn相的偏析,且随着环境温度的升高,各个界面产物均出现粗化现象。碳纤维的加入可以有效提高SCFs/2024 Al复合材料的整体硬度,并且对碳纤维周围基体的硬度和模量的提升最为明显,纳米压痕试验结果表明最靠近碳纤维的基体其硬度和模量最高,分别为2.51 GPa和93.53 GPa。拉伸试验结果表明,SCFs/2024 Al复合材料的屈服强度和抗拉强度会随碳纤维含量的增加呈现先增加后下降的趋势,其中,4 vol.%SCFs/2024 Al拥有最高的屈服强度,在室温、150oC和250oC拉伸温度下,相较于2024 Al分别提高了19.6%、45.6%和36.7%。另外,SCFs/2024 Al复合材料的塑性相较于2024 Al显著降低,在室温下,由于残余热应力和界面产物导致的过强界面结合,碳纤维在室温复合材料拉伸断口上的主要断裂形式为剪切破坏。当温度升高后,随着残余应力的回复以及界面产物和偏析产物的粗化,碳纤维与Al基体的界面结合减弱,这时碳纤维在拉伸过程中主要被拔出或者与基体发生脱粘。随后,针对前文研究发现的碳纤维低应力脆断导致复合材料抗拉强度提升不明显及塑性下降明显现象,将热压烧结后的SCFs/2024 Al复合材料进行热挤压工艺处理,实现了较大含量的碳纤维在基体中沿挤压方向的定向排布。在挤压力恒定的前提下,挤压速度会随碳纤维含量的增加,温度的降低和挤压比的增大而下降。挤压速度下降反映了挤压过程中Al基体高温流变能力的下降,使碳纤维在基体中的无序程度加剧,表现为碳纤维与挤压方向的平均偏差角度加大。碳纤维的加入可以有效降低Al基体的晶粒尺寸,其晶粒细化效果对碳纤维周围的基体最为明显。在高温下,碳纤维可以有效抑制Al基体的晶粒长大。在界面处仍然可以观察到大量的Al_4C_3界面产物以及偏析现象。在室温下,SCFs/2024 Al复合材料的抗拉强度随着碳纤维含量的增加呈现先上升后下降的趋势,屈服强度随着碳纤维含量的增加不断上升。当碳纤维含量固定为8 vol.%,改变挤压参数时,460oC挤压温度和14.6挤压比条件下的复合材料抗拉强度最大,为514 MPa。挤压态SCFs/2024 Al复合材料的强化机理包括载荷传递、晶粒细化、织构转变及位错堆积。复合材料塑性急剧衰退是因为碳纤维的脆断,这是由于界面反应及残余热应力带来的的过强界面结合导致的。在高温下,SCFs/2024 Al复合材料和2024 Al的拉伸强度都有所下降,但碳纤维可以有效抑制复合材料强度的衰退,这主要得益于碳纤维高温性能稳定和对Al基体晶粒在高温下长大的抑制。此外,高温下碳铝界面处残余热应力的回复以及Al基体的软化使得碳纤维的脆断现象缓解,裂纹在界面处的应力集中减弱,界面可以发挥裂纹偏转机制,从而提高高温下复合材料的塑性,还可以进一步发挥碳纤维传递载荷的作用,提高复合材料的高温强度。无论是烧结态还是挤压态SCFs/2024 Al复合材料,在碳纤维和Al基体的界面处都观察到了较为剧烈的界面反应。为了抑制界面处发生的碳铝界面反应,在碳纤维表面通过Ti-I_2体系CVD工艺制备Ti镀层,并在粉末冶金和热挤压工艺的研究基础上,研究了镀层的引入对SCFs/2024 Al复合材料界面及拉伸性能的影响。通过热力学理论计算确定了当Ti和I_2的摩尔比为1:1.6时,TiI_3和TiI_2在反应腔体内的平衡浓度最大,最有利于Ti镀层的沉积。XRD及Raman结果表明,在降温过程中通入少量氧气,可以使碳纤维表面的镀层成分转化为TiO_2和非晶C的组合。在900oC镀层温度下,镀层的厚度会随保温时间的延长而不断增加。在SCFs/2024 Al复合材料中,镀层的引入可以有效缓解界面处的碳铝界面反应,Al_4C_3的数量下降明显。在复合材料中,碳纤维表面的镀层转变为TiC、TiO_2、MgO、Ti和非晶C的复杂成分。相较于挤压态SCFs/2024 Al复合材料,镀层SCFs/2024 Al复合材料的抗拉强度和塑性得到较大提升,这是由于镀层的引入改变了界面处的结构。裂纹偏转机制可以调节复合材料界面处的应力分布,避免界面处的应力集中,从而延长碳纤维有效传递载荷的时间,从而提高复合材料的力学性能和塑性。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：P634.3
【部分图文】：

吉林大学博士学位论文27018米，是亚洲国家实施的最深大陆科学钻井[7]。如今，我国将计划进一步提高钻探能力，目标实现13000米的钻探深度，更加近距离地聆听地球的“心跳”。为实现这一远大目标，除了进一步提高深部科学钻探装备的荷载能力，还应该力求在钻杆柱、钻头、钻井液材料以及钻井工艺上取得更大突破。譬如，通过采用铝合金等低密度材料，研制新型轻质高强钻杆，可以实现在现有钻机吨位的前提下，进一步提高钻孔深度。图1.2“地壳一号”万米钻机整机系统（图/新华社）[7]Figure1.2Drillrig‘Crustone’[7]在油气资源钻井及地质钻探工程中，钻杆连接钻机地表设备和位于钻井底端钻头[8]。钻杆的基本用途包括起下钻头、施加钻压、传递动力、输送钻井液等[9]。尽管钻杆在钻井作业中属于结构相对简单的工具，但其重要性不言而喻。在井内，钻杆的工作条件十分严苛，要求其必须能够承受一定的内外压、摩擦磨损、弯曲、扭曲、振动和钻井液腐蚀[4]。国际上，自地质钻探和油气钻井行业诞生以来，钢钻杆一直被广泛应用。然而，随着钻井行业的发展，钻探深度逐步向万米迈进，传统钢钻杆（如G105钢钻杆和S135钢钻杆）因其自重大、不耐酸腐蚀、有磁性等特点，已无法完全满足超深井及特深井钻探的需求[10,11]。例如，川渝气田罗家2井发生的钻具硫化氢应力腐蚀开裂以及克深1井发生的钻具断裂失效事故表明，常规的S135

吉林大学博士学位论文6模具、挤压工艺、挤压液配比和挤压针等进一步优化设计。（2）热处理及管体自动矫直技术：为了保证铝合金钻杆管体在固溶过程中温场均匀，需要备有大型的垂直淬火炉。在经过固溶处理及淬火后，还需对管体进行拉伸矫直处理，以消除纵向的弯曲变形及应力。最后，在矫直后的16小时内，必须对铝合金钻杆管体进行人工时效处理。（3）螺纹加工：由于铝合金硬度相较于钢更低，钻杆螺纹加工应保证表面光洁度及尺寸公差，避免出现裂纹、毛刺等缺陷，影响螺纹的连续性和强度。（4）钻杆与接头的装配技术：铝合金钻杆杆体和钢接头的装配方式一般有两种，即“热装配”和“冷装配”技术。“热装配”时将钢接头升温并使其体积膨胀，随后将其装配至钻杆杆体上，通过雾化冷却的方式实现钢接头与钻杆杆体的过盈配合。与之相对应地，“冷装配”技术通常是将钻杆杆体端部螺纹通过液氮浸泡等降温方法使其体积收缩，与钢接头连接后恢复室温即可实现过盈配合。与“热装配”技术相比，“冷装配”技术所需的设备更加简单，接头处抗扭转性能更优，钻杆杆体与钢接头的接触应力更校更重要的是，通过“冷装配”，不用担心铝合金因为“热装配”中的高温导致微观组织上的转变。图1.3铝合金钻杆的生产制造流程[27,28]Figure1.3Schematicdiagramofaluminumalloydrillpipefabrication[27,28]在铝合金钻杆结构优化方面，吉林大学曹宇[29]将变断面一次挤压成型技术应用到铝合金内加厚管体加工中，并成功挤压出内加厚铝合金钻杆管体。在钢接

吉林大学博士学位论文8量达7000m，最大钻深达630m，总钻进时间接近6000小时。2009年，勘探技术研究所开始对地质岩心钻探用铝合金钻杆进行研发。如图1.5所示，2010年，隶属于安徽地矿局的325钻井队在淮北彭桥煤矿进行铝合金钻杆钻进试验，所使用的Φ52×7.5mm的外螺纹铝合金钻杆取得较好的试验结果，钻进总进尺接近2000m，最大钻深达到960m[27]。图1.5Φ52×7.5mm铝合金钻杆地质岩心钻进试验[27]Figure1.5GeologicalcoredrillingtestonΦ52×7.5mmaluminumdrillrods[27]2008年，国内惠州HZ25-4油田大位移井作业中首次将铝合金钻杆与陶瓷保护衬套结合使用。如图1.6所示，与常规钻杆相比，使用铝合金钻具所受的侧向力减少20%左右。使用铝合金钻杆可以有效降低起下钻时的磨阻，下钻时降低磨阻约28%，起钻时降低磨阻约18%[34]。此外，铝合金钻杆在使用过程中具有良好的液压传送能力，在弯曲旋转情况下具有优良的抗疲劳性能。图1.6铝合金钻杆和常规钻杆钻进过程中所受侧向力对比[34]Figure1.6Comparisoninlateralforcebetweenaluminumdrillpipeandnormaldrillpipe[34]
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