（材料加工工程专业论文）油管内壁激光表面强化研究.pdf

摘要 随着油田开发不断深入，综合含水逐年上升，我国大部分油田机采井管杆磨蚀问题日益 突出，使得油井免修期明显降低，维护作业量大大增加，大大明显提高了采油成本。目前的 防偏磨措施主要有采用扶正器、涂覆防腐耐磨涂层等，这些方法取得了一定成效，但存在操 作复杂、环境污染等问题。本文采用5 k w 横流c o z 激光器及内导光系统对油管内壁进行熔凝 处理，以提高油管的整体耐磨耐蚀性能。 确定了涂料成分及球磨工艺，然后利用正交试验方法对三个变量进行优化，配制了适合 内壁喷涂的激光涂料。试验表明，球磨时间越长，颗粒越细化，喷涂成型能力越强，吸光性 能越好；在所选水平范围内，当氧化钇含量7 5 ，膨润土含量5 时，涂料吸光率最高：针 对内壁喷涂这种特殊的喷涂形式，利用高速旋转雾化原理自行研制了内壁喷涂系统。 研究了油管内壁不同的表面状态( 喷砂+ 涂料、喷丸+ 涂料、未处理+ 涂料、未处理) 对 熔凝效果的影响。结果表明，喷砂、喷丸表面处理后，熔凝层表面硬度比基体可提高1 2 0 。 在满足表面平整的要求下，喷砂、喷丸处理后，试样获得较厚熔凝层的能力比表面不处理状 态高1 5 以上。对比喷砂与喷丸工艺，喷砂后熔凝成型较喷丸差。因此，喷丸最适合做为激 光熔凝处理的表面预处理工艺。 对油管基体及熔凝层进行显微组织分析表明，母材三维组织具有沿轴向的带状组织特征， 主要由带状的铁素体与珠光体组成。激光熔凝后，显微组织明显细化。熔凝区主要由板条马 氏体及残余奥氏体组成，而相变区主要由针状马氏体及铁素体组成，相变区与高温回火区都 有一定的带状组织特征。对熔凝层进行显微硬度及电化学测试表明，随着扫描功率的升高， 熔凝层平均硬度有所降低，但油管整体耐蚀性能上升。 对普通油管及螺旋强化的油管进行磨蚀试验，结合磨蚀失重、扫描电镜观察、显微硬度 及电化学测试数据等进行分析，结果表明，螺旋强化油管磨蚀性能优于普通油管；而对于激 光强化油管，激光功率较高、螺距较小时，耐磨蚀性能较好。扫描电镜分析表明，激光螺旋 强化的机理主要是：具有高耐磨耐蚀性能的螺旋强化带对非强化区起到了支撑保护作用，使 非强化区只受冲刷腐蚀作用，明显降低了非强化区的磨蚀失重速度，从而大大减小了强化油 管的整体磨蚀速度。 关键词：激光熔凝，螺旋强化，管杆偏磨，吸光涂料 i n v e s t i g a t i o no nl a s e r s u r f a c eh a r d e n i n go fo i lt u b ei n w a l l m ah o n g w e i ( m a t e r i a lp r o c e s s i n ge 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 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 ft h eo i lw e l l si sa s c e n d i n g d 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 no i lw e l l si sb e c o m i n gw o r s ea n dw o r s ei nm o s to i l f 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 gc o s ta r ea s c e n d i n g 、析mt h e s 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 cw e a l c e n t e r i n gd e v i c ea n d a 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 cw e a r , a n dt h ep r o b l e m ss u c ha s c 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 谢n ls o m ee f f e c t i v e n e s s 5 k wl a s e r e q u i p m e n ta n dl i g h tg u i d i n gs y s t e mw a su s e df o rh e l i xh a r d e n i n go nt u b ei n w a l lt oe l e v a t et h e a n t i g a l l i n ga b l i t yo ft h et l l b e f i r s t l yt h ec o a t i n gc o m p o s i t ea n dt h eb a l l m i l lp r o c e s sa r ed e f i n e d ，a n dt h el a s e rc o a t i n ga r e m a n u f a c t u r e db yu s i n go r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o dw h i c hc a no p t i m i z et h et h r e ev a r i a t i o n s e x p e r i m e n ta p p r o v e st h a tt h ec o a t i n gh a sh i g h e ra b i l i 锣o fc o a t i n gf o r m i n ga n dl i g h ta b s o r b i n g 谢mg r a i ns i z eb e c o m i n gs m a l l e ra n de v e n l y i nt h ed e f m e de x t e n t ，t h ec o m i n g 谢m7 5 y 2 0 3 ， 5 s o a pc l a ya n d3 h o u r sb a l l m i l l i n gi st h eb e s t i n w a l lc o a t i n gs y s t e mi sm a n u f a c t u r e du s i n gt h e 1 1 i g hs p e e dr o t a t ep u l v e r i z i n gp r i n c i p l et oc o a t i n gt h et u b ei n w a l l t h el a s e rm e l t i n ge f f e c t so ff o u rd i f f e r e n ts u r f a c es t a t e s ( b l a s t i n ga n dc o a t i n g ，c l o u db u r s t i n g a n dc o a t i n g ，p r i m a r ya n dc o a t i n g ，p r i m a r y ) a r et e s t e d t h er e s u l ta p p r o v e st h a tt h es u r f a c e h a r d n e s so fl a s e rm e l t i n gl a y e ra f t e rb l a s t i n ga n dc l o u db u r s t i n gc a nb ea s12 0 h i g h e ra st h a to f t h eb a s es t e e l a n dt h ea b i l i t yo fg e t t i n gt h i c k e rm e l t e dl a y e ro ft h es t a t e sa f t e rb l a s t i n ga n dc l o u d b u r s t i n gi sl a g e ra sm u c ha s15 t h a nt h eo r i g i n a ls t a t ei nt h er e q u i r eo ff o r m i n gs m o o t h l y c o m p a r et h eb l a s t i n ga n dc l o u db u r s t i n gp r o c e s s ，c l o u db u r s t i n gs a m p l eh a sab e t t e rm e l t e d f o r m i n g c l o u db u r s t i n gi st h eb e s tp r e p r o c e s sf o rl a s e rm e l t i n g m e t a l l o g r a p h i ce x a m i n a t i o ni sd o n et ot u b es t e e la n dm e l t e dz o n e ，a n dt h eb a s em e t a lh a sa t r i a x i a lf e a t u r eo fb a n d e dm i c r o s t r u c t u r ei na x i a ld i r e c t i o n , m a i n l yc o m p o s e db yf e r r i t ea n d p e a r l y t e t h em i c r o s t r u c t u r eb e c o m e so b v i o u s l yf i n ea f t e rt h el a s e rm e l t i n g m e l t e dz o n ei sm a i n l y c o m p o s e do fp a n e lm a r t e n s i t ea n dr e s i d u a la u s t e n i t e ，a n dt h ep h a s ec h a n g ez o n e i s m a i n l y c o m p o s e do fa c i c u l a rm a r t e n s i t ea n df e r r i t e b a n d e dm i c r o s t r u c t u r ef e a t u r ei sr e s i d e d i nb o t hp h a s e c h a n g ez o n ea n dh i g ht e m p e rz o n e m i c r o h a r d n e s sa n de l e c t r o c h e m i s t r y c o r r o s i o nt e s t i n g a p p r o v e dt h a t , t h em e d i u m m i c r o h a r d n e s sd e c l i n e sn e g l i g i b l y ，a n dt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c ea s c e n d s i ns o m ed e g r e e 、i lt h es c a n i n gp o w e ra s c e n d i n g w e a rt e s to fo r d i n a r yt u b ea n dh a r d e n i n gt u b ei sa n a l y z e db ym e a n so fw e i g h tl o s s ，s e m ， m i c r o h a r d n e s sa n de l e c t r o c h e m i s n yc o r r o s i o nt e s t i n g ，i ta p p r o v et h a t ：h e l i xh a r d e n i n gt u b eh a sa b e t t e rw e a rr e s i s t a n c et h e no r d i n a r yt u b e ，a n dt h eh a r d e n i n gt u b ew i t hh i g h e rs c a n n i n gp o w e ra n d s m a l l e rp i t c hh a sb e t t e rw e a rr e s i s t a n c et h a nt h a tw i t hl o w e rs c a n n i n gp o w e ra n db i g g e rp i t c h t h e m e c h a n i s mo fh e l i xh a r d e n i n gi st h a t ：t h eh e l i xh a r d e n i n gz o n ew h i c hh a sh i g hw e a rr e s i s t a n c ea n d a n t i c o r r o s i o na b i l i t yh a sap r o t e c te f f e c tt ot h ep r i m a r yz o n e ，t h ew e i g h tl o s ss p e e do fp r i m a r yz o n e i sd e c r e a s e de v i d e n t l yd u et ot h eo n l yc o r r o s i o nf u n c t i o n ，t h e nt h eg a l l i n gs p e e do ft h ew h o l e t u b e i sd e c r e a s e de v i d e n t l y k e yw o r d s ：l a s e rs u r f a c em e l t i n g ，h e l i xh a r d e n i n g ，o i lw e l le c c e n t r i cw e a l 7 , l a s e ra b s o r b i n g c o a t i n g 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期m 7 年f 月 f 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：t 呻年月fe 1 日期：砷年6 月i e l 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的来源及意义 第一章绪论 有杆泵采油具有结构简单、操作方便、经济实用等特点，是世界各国油田常用的一种机 械采油方式，目前国内外油田8 0 - - 8 5 以上的机械采油井选用此种方式。但由于井体本身 所具有的结构特点及井液介质的腐蚀性，抽油杆与油管之间发生磨蚀，在连续不断的往复运 动条件下，最终导致抽油杆或油管强度破坏，严重影响正常生产。目前，随着油田开发的不 断深入，综合含水量逐年上升，我国大部分油田已进入了中、高含水期开采阶段，抽油井的 井况发生了较大的变化，致使机采井管杆磨蚀问题日益突出，因磨蚀造成的油井维护工作量 所占比例大幅上升。而偏磨使抽油杆外表面钢质受到破坏，腐蚀作用加剧，磨损与腐蚀相互 作用，加快了管杆磨蚀速度。这使得油井免修期明显降低，维护作业量大大增加，明显提高 了采油成本【1 1 。 管杆偏磨直接导致油井维护量的增加，也严重影响采油效率。据统计，胜利油田有限公 司胜利采油厂2 0 0 1 2 0 0 3 年年平均维护作业达1 2 0 0 井次，其中因管杆偏磨造成的油井维护 作业井次占总维护作业的4 0 以上，严重影响了油田整体开发效果 2 1 。卫城油田的主要产油 区块w 2 2 区块，由于产出水的强腐蚀和偏磨等因素，致使井下油管和抽油杆腐蚀、偏磨严重， 停产检修井次急剧增多，由1 9 9 5 年的6 0 井次上升到1 9 9 6 年的9 9 井次【3 】。 管杆偏磨不但直接影响采油效率，同时还消耗了钢铁资源，造成重大的经济损失。图1 1 为胜利油田东辛采油厂最近四年管杆偏磨对生产造成的影响测算表，由图中可以看出，东辛 采油厂每年用于防偏磨的费用急剧上升，到2 0 0 6 年已达到4 0 0 0 万左右。其它油田每年也会 因管杆偏磨造成重大的经济损失：文留油田年报废抽油杆2 5 0 0 多根，报废油管2 1 5 7 根【4 j 。 中原油田平均每年因腐蚀造成的经济损失仅油管一项就达到了5 7 0 0 万元等【5 j 。 为了降低油井维护工作量，节约钢铁材料，节约能源，降低采油成本，各油田都开展了 抽油井防偏磨工作。目前，主要的防偏磨措施主要有使用扶正器、涂覆耐磨耐蚀涂层、优化 杆柱组合等，但这些措施存在操作复杂、污染环境、效果不明显等缺点。因此，提出利用激 光器对油管内壁进行强化处理，以提高油管的防偏磨性能。激光加工技术实现了光、机、电 技术相结合，是一种先进制造技术，目前正处于向传统制造技术中许多工艺过程积极渗透的 阶段。激光相变硬化及合金化处理可显著提高金属材料表面硬度、耐磨性及耐蚀性；同时激 光相变硬化或合金化处理相对电弧喷涂、渗氮、渗碳等生产工艺具有冶金结合强度高、节约 第一章绪论 能源、清洁、节省材料等优点 6 - 7 1 。 旺 稻( 霸 爨 隧 愍 栽 恤 鹰 图1 - 1 东辛采油厂偏磨对生产的影响情况 f i g 1 - 1 t h ei m p a c to fe c c e n t r i cw e a ro nt h ef a b r i c a t i o no fd o n g x i no nm i n i n gf a c t o r y 因此，提出利用激光表面加工技术，对油管内表面进行强化处理，可以在节约能源，提 高效率，注重环保的同时，最大限度的提高机采井中管杆的防偏磨能力，具有很大的经济效 益和很好的社会应用前景。 本课题来自东营新吉利技术装备有限公司的“石油抽油管激光表面改性技术 项目。 1 2 管杆偏磨的特点及原因分析 1 2 1 管杆偏磨的特点 ( 1 ) 油管与抽油杆间的相对运动是发生在冲程范围内的往复运动，运动速度通常在1 m s 以下，属于低速运动。管杆间的表面接触问题复杂，受井身结构、工作制度、杆柱结构、井 液性质等多方面的因素影响。 ( 2 ) 油井中管杆偏磨普遍存在：偏磨并不仅仅发生于斜井或水平井当中，当油井处于高 含水期，或受到注聚合物等因素的影响时，油管内壁与抽油杆间液体润滑条件变差，即使是 在直井中，也同样会发生管杆偏磨。例如腰英台油田8 0 以上的油井存在较严重的偏磨。 ( 3 ) 从偏磨的深度范围看：管杆偏磨多发生在杆柱中下部，这与杆柱组合、井身结构及 产出液性质等因素相关。 ( 4 ) 从偏磨部位看，抽油杆表现为接箍或油杆本体一侧被磨平；而油管表现为内壁被磨 出一条平行于轴心的凹槽。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 5 ) 偏磨是腐蚀与磨损相互作用的综合结果，腐蚀与磨损普遍存在于抽油井中，但根据 油井状况不同，腐蚀与磨损的作用也不相同【8 j 。 1 2 2 管杆偏磨原因分析 管杆偏磨是抽油杆断杆、油管磨穿、漏失、油层套管破坏的一个主要因素。偏磨现象普 遍存在于直井、斜直井、定向井、水平井等各类生产井中，偏磨原因较为复杂，但归根结底 都汇集为三个方面【8 - l o 】：管杆接触，管杆磨损，管杆腐蚀。 造成管杆接触的原因有井斜、管弯曲、杆弯曲等。 一、井斜是造成管杆接触偏磨的主要原因，井斜又主要分为三种情况：1 ) 自然井斜：在 钻井过程中，随着钻井深度的增加，钻头与井口的同心度变差。不同井深的井中心与井口中 心的相对位置，从平面上看，是在井口中心周围的点的集合群；而垂直来看，井筒是一条弯 曲旋扭的线条，一般油井井深超过6 0 0 - - - 8 0 0 m 以后，出现扭曲现象；2 ) 定向井斜：随着钻井 技术发展和油田开发需要，定向斜井不断增多；3 ) 地层蠕变：地层蠕变造成套管变形，使井 段出现弯曲，俗称“狗腿予 ，地层蠕变严重时会造成油井套管破裂、错断，甚至报废。 二、油管弯曲与抽油杆接触，产生磨损。油管在中性点以下由于受压应力作用，产生弯 曲。抽油杆在上冲程时，抽油杆拉直，在油管弯曲处使管杆接触产生磨损。油管弯曲造成的 偏磨主要局限于泵上部附近，即中性点以下到泵位置。中性点位置又与泵以下尾管的长度有 关。如尾管加长，则泵下油管的重力加大，就可以把弯曲应力抵消。在多油层油井分层开发 过程中，要使用封隔器将油层分开。封隔器坐封需要一定的坐封力，坐封力也会导致油管弯 曲，坐封力越大油管弯曲度越大，管杆偏磨也越严重。 三、抽油杆弯曲与油管接触，产生磨损。抽油杆弯曲产生于下冲程。下冲程时，抽油杆 主要受两个方面的力：一个是自身在液体中向下的重力，另一个是活塞下冲程时受到的向上 的阻力。阻力随着活塞直径、抽油杆在油管内的各种摩擦阻力、抽油泵冲次以及液体运动粘 度( 原油黏度) 的变大而加大。而两个方向力的平衡点是中性点，在中性点以上抽油杆呈拉 伸状态，中性点以下的抽油杆受压而弯曲，由于抽油杆弯曲，使抽油杆与油管发生偏磨。在 井体结构及生产工艺参数不合理、原油结蜡严重的情况下，杆柱会发生失稳。杆柱“失稳”是 偏磨的主要原因之一，中性点越低，杆柱的“失稳”程度越轻，杆柱偏磨现象越轻。“失稳”引 起的偏磨均为双面偏磨。由于偏磨，使抽油杆强度变低，加之交变载荷的影响，抽油杆容易 疲劳。因此，底部抽油杆出现断脱的情况也较多。 管杆磨损：在相同的管杆接触条件下，对偏磨产生影响的主要是油井的冲程与冲次。在 3 第一章绪论 偏磨腐蚀的油井中，冲程短、冲次高时，偏磨的部位相对较小偏磨次数频繁，磨损较严重， 破坏力大。在冲程与冲次不合理的情况下，油杆会发生共振现象。抽油杆柱的组合特性决定 了其弹性很大，理论研究时假设为弹性体。在悬点开始向上与开始向下且静变形结束时，杆 柱会发生两次振动。由于井下存在各种阻力，使振动的振幅在冲程进行中逐渐减小。但是， 当悬点的运动频率，即迫使振动频率和抽油杆柱的自振动频率相同或成整数倍时，就会产生 共振现象，使振幅越来越大，恶化抽油杆柱服役条件，易使杆柱发生疲劳失稳，产生偏磨。 因此，在实际选择冲次时，要注意不能与抽油杆自振频率的整数倍相合。抽油杆自振频率 = 7 2 1 3 7 6 泵挂深度式中：泵挂深度的单位是米。如：桥口油田的桥2 9 2 4 井，1 9 9 8 年有两次断 脱检泵时，发现下泵深度为1 8 0 0 m ，计算出的抽油杆自振频率为4 0 ，当冲次为5 次m i n 时，冲 次正好为抽油杆自振频率的8 倍。 对管杆腐蚀产生影响的主要是产出液的性质：1 ) 综合含水的影响：随着开发时间的增长， 产出液综合含水逐年上升，偏磨腐蚀的油井逐渐增多。据统计，在淮城油田，1 9 9 3 年产出液 平均含水6 5 ，偏磨腐蚀井8 口。随含水的上升，2 0 0 1 年偏磨腐蚀井数达至u 2 2 8 口。有资料证 明：当油井含水大于7 4 0 2 时，产出液换相，由油包水型转换为水包油型，管杆表面失去了 原油的保护作用，产出水直接接触金属，腐蚀速度增大。润滑剂由原油变为产出水，失去原 油润滑作用，管、杆磨损速度加快，磨损严重；2 ) 腐蚀介质的影响：例如濮城油田油井产出 水具有“六高一低”特点：即矿化度高，c l 。含量高，c 0 2 含量高，h 2 s 含量高，细菌含量高，温 度高( 5 0 - - - - 1 2 0 。c ) ，p h 值低( 5 0 6 5 ) ，显弱酸性。产出水中h 2 s 与铁反应生成f e s 和h 2 ，对 油管和抽油杆在强腐蚀体系中产生氢脆腐蚀；3 ) 缝隙腐蚀和冲蚀明显：由于含水较高的产出 液腐蚀性强，在油管、抽油杆丝扣连接处会产生缝隙腐蚀。同时，由于产出水对油管公扣外 缘的冲刷作用，再加上产出水的强腐蚀性，会发生冲蚀，易使油管公扣老化。油管丝扣连接 处在偏磨腐蚀、缝隙腐蚀和冲蚀的综合作用下，产生刺漏，甚至断脱； 需要指出的是：偏磨和腐蚀并不是简单的叠加，而是相互作用，相互促进，二者结合具 有更大的破坏性。管杆偏磨，表面氧化层保护膜或防护层脱落，在井温和摩擦表面产生的热 能的作用下，使管杆表面铁分子活化，同时产出液具有强腐蚀性，使偏磨处优先被腐蚀。由 于偏磨处表面被活化，成为电化学腐蚀的阳极，从而形成了大阴极小阳极的电化学腐蚀，而 产出液是强电解质，对电化学腐蚀起到了催化作用，更加剧了腐蚀。由于腐蚀，使管杆偏磨 表面更加粗糙，从而磨蚀更严重。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 管杆偏磨理论研究及防偏磨应用现状 1 3 1 国内外偏磨理论研究 5 0 年代到6 0 年代初，l u b i n s k i ，b l e n k a r n ，a l t h o u s e ，l o g a n 等人先后研究了钻柱及抽油 井油管在垂直井眼中的平面( 正弦) 屈曲；分析了油管内外液体压力对油管屈曲的影响，提 出了油管内外液体压力引起油管屈曲“虚构力”的概念，提出油管螺旋屈曲会影响抽油井的效 率并给出了提高泵效的措施；同时对带封隔器管柱在内外压力、温度、轴力联合作用下的应 力、变形、螺旋屈曲进行了研究。6 0 年代中期，p a s l a y 、b o g y 等利用能量法对管柱在斜直圆 井中的稳定性进行了理论分析，导出了管柱在斜直井眼中发生正弦屈曲的临界载荷计算公式。 7 0 年代后期，h a m m e r l i n d i 对带封隔器的多级组合杆柱的受力、应力和位移的计算进行了分 析，进一步扩大了l u b i n d s k i 理论的使用条件和范围i l 卜1 2 1 。 8 0 年代，有不少学者分析了受压杆柱在水平井、斜井、竖直井中的失稳螺旋屈曲问题。 他们的研究都证实了井下杆柱在压力屈曲后，随着载荷的增加，杆轴线逐渐由正弦曲线形状 变为螺旋线形状。m i t c h e l l 还得到了在大变形情况下受压杆柱屈曲后的挠度曲线的微分方程。 c h e a t h a m 、p a t t i l l o 等用能量法分析了无重管柱在轴压作用下的螺旋后屈曲构形i l 弘1 4 1 。进入9 0 年代，随着丛式井、定向井及水平井钻井、完井技术以及挠性油管技术的不断完善和发展， 开展了管柱在水平井眼以及弯曲井眼中的稳定性和屈曲行为的分析和研究：1 9 9 0 年，y u c h e c h e l a 、y u - h s ul i n 、c h e a t h a m 等利用能量法得出管柱在水平井眼中发生正弦屈曲和螺旋屈曲 的临界载荷计算公式。1 9 9 1 年，s c h u h 对斜弯并眼中管柱的临界屈曲力和应力作了研究，得 到了计算垂直井和斜弯井眼中i 临界屈曲力的计算方法。1 9 9 3 年，y u - c h ec h e n 、s a r m a d a d n a n 等人研究了受弯曲井眼限制的管柱的屈曲行为。j i a n gw u 、j u v k a m w o l d 对水平井中管柱的扭 曲行为进行了理论分析和实验研究，发现管柱在由稳定状态一正弦屈曲一螺旋屈曲的形成过 程中，摩擦力的影响可以忽略不计，然而一旦完全形成螺旋屈曲后，摩擦力将急剧增加，严 重时会发生自锁现象【1 5 1 。1 9 9 4 年，s u r y a n a r a y a n a 和m c c a n n 对摩擦影响受横向限制管的屈曲 和后屈曲行为进行了实验研究。p a s l a y 对钻柱的应力问题作了分析，他将重点放在受扭的钻 柱上，对钻柱静力、动力响应力的应力均作了分析，同时也指出了以前工作中存在的缺陷。 1 9 9 8 年，w e i y o n g q i 运用拉格朗日算子逼近法( l a g r a n g em u l t i p l i e ra p p r o a c h ) 分析了直井、 斜井和连续弯曲井眼中的管柱和井壁的作用力，给出了管柱发生正弦屈曲和螺旋屈曲是对应 的管柱和井壁之间的接触力( 压力) 的计算公式。同时，w e i y o n g q i u 用能量法对连续弯曲并 眼中的钻柱( 挠性管) 的屈曲行为进行了分析，给出了管柱开始发生屈曲时的载荷表达式、 5 第一章绪论 稳定的正弦屈曲载荷的表达式、以及临界螺旋屈曲载荷的表达式【1 每1 7 1 。 与国外研究成果相比，国内在这一方面的研究工作起步较晚，不论在理论研究还是在实 验分析方面的科研文献都比较少。 8 0 年代初，张宁生、曾现平、江汉采油工艺研究所等结合l u b i n s k i 、h a m m e r l i n d l 等人的 文献对封隔器管柱的受力、应力即变形分析方法进行了系统地介绍。1 9 8 8 年，龚伟安用弹性 力学方法分析了液压作用下管柱的弯曲( 屈曲) 问题。9 0 年代期间，国内的高德利、高国华、 崔笑秉【1 8 。2 1 】等也曾对井下管杆柱的力学屈曲问题进行过深入研究，但主要研究的是单纯无重 管柱的屈曲问题，而没有考虑管杆柱共同作用下的力学屈曲运动配合问题。1 9 9 4 年以来，高 国华教授对管柱在井眼中的屈曲行为进行了较为系统的研究，建立了正弦和螺旋后屈曲的数 学、力学模型。通过对微元体的受力分析，由静力平衡方程、变形几何方程和物理方程道出 了管柱在弯曲井眼中的三维屈曲方程： 可d 4 0 + 剐盖一6 ( 纠斗扣伽 这是一个四阶的非线性常微分方程。该方程有三种不同形式的解，分别对应于管柱的三 种平衡状态。零解对应于管柱的稳定平衡状态，线性化方程的解( 周期解) 对应于管柱的正 弦屈曲状态，非线性化方程的非周期解( 螺旋线解) 对应于管柱的螺旋屈曲状态。焦永树、 张永宏、张焱 2 2 - 2 4 1 等分别研究了流体流动、接触压力振动对管柱屈曲行为的影响，但没有考 虑抽油杆的屈曲问题。1 9 9 9 年，刘凤梧和徐秉业【2 5 1 曾研究了受压扭作用的杆柱在水平井中的 屈曲问题。2 0 0 0 年陈杰和李尧臣 2 6 - 2 7 研究了在最一般情况下受杆柱在水平井、斜井和竖直井 中的屈曲问题，并利用有限单元法求得了初始屈曲时的临界压力和杆柱的轴线形状。并进一 步利用最小势能原理研究了圆截面杆柱在曲线井中的屈曲问题，得到了受压杆柱在圆弧形井 中屈曲的非线性微分方程及相应的本质边界条件和自然边界条件，并利用有限单元法求得了 初始屈曲时的临界压力和杆柱轴线形状。最近，丛蕊、董世民【2 8 1 就直井中抽油杆柱产生多次 螺旋屈曲变形的临界力、屈曲变形后偏磨点的位置、抽油杆柱屈曲变形后的杆柱形状、屈曲 变形规律和失稳临界条件等进行了研究，但没有考虑管柱的屈曲问题和管柱内外流体压力和 流动的影响，因此理论模型也很不完善，无法在实践中指导管杆偏磨问题的防治。 1 3 2 防偏磨措施应用现状 有杆泵井的管杆偏磨腐蚀问题，我国在9 0 年代初开始引起重视。9 0 年代以来随我国大 部分油田逐渐进入中后期开采阶段，有杆泵井的管杆偏磨问题日益突出，因此有关管杆偏磨 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 腐蚀机理方面的研究和相应的防治对策研究逐渐成为热点 2 9 - 3 2 】：陈春江等研制了防管杆偏磨 腐蚀的防腐扶正器；张晓芳等研制了使油管磨损均匀防止磨漏的油管旋转器；李泉美等根据 桥口油田抽油机井的井况和工况，在分析导致杆、管断脱、漏失的多种因素的同时，重点对 偏磨腐蚀的机理进行了研究，并提出了相应的对策，通过桥2 9 2 4 井现场应用，取得了良好 的效果；范春字等所作的胜利油田有杆泵采油系统提高抽油效率的工作等；冯耀忠等提出了 减缓有杆泵井腐蚀和磨损的措施【3 3 】；李健康等提出了防止或减轻偏磨的技术对策：( 1 ) 改进抽 油杆扶正器的结构和材质；( 2 ) 采用坐封吨位控制器和低载荷封隔器；( 3 ) 配置加重秆和油管、 抽油杆旋转装置；( 4 ) 采用长冲程、低冲次的抽油机生产参数等【3 4 1 。大庆油田研究表明偏磨则 与井下含聚物的升高有很大关系，如萨中油田6 4 4 的抽油机井见聚，平均见聚浓度为 9 9 5 m g l ，对不同井网5 5 1 口抽油机井见聚浓度及偏磨情况调查发现，各套井网均不同程度 的见聚，且见聚浓度越高，偏磨发生的几率越大【3 5 1 。 国内各科研单位和其他油田生产单位研究者也提出了一些管杆磨蚀的机理和相关防治措 施与对策，孙爱军、李士瑞等人根据对吉林油区部分油田的统计结果，对形成管杆磨损的多 种因素进行了系统地分析：主要有机械磨损和腐蚀磨损。他们指出这类问题的出现，需要首 先判别是机械磨损还是腐蚀磨损，然后才能有针对性地采取正确的预防治施。着重阐述了两 大磨损产生的原因，并提出了具体的预防措施。在部分油田予以实施，有效地延长了抽油井 的检泵周期，达到了预防管杆磨损的最佳效果，取得良好的经济效益。靳从起、赵普春等针 对中原油田w 2 2 区块油井管杆腐蚀偏磨，停产待检修井增多等问题，经过检修井起出的管杆 检查和油井产出水水质监测分析，认识到油井管杆被腐蚀偏磨，一是产出水有盐酸溶液的强 腐蚀性；二是井身倾斜，形成偏磨；三是缝隙腐蚀和冲蚀综合作用等。他们提出：在油井 注入缓蚀剂；在抽油杆表面涂防腐涂料和使用高强度抽油杆；安装稳定器和使用旋转井 口装置；变换抽油杆接箍位置。通过应用以上综合技术，使w 2 2 区块油井检泵周期延长 2 2 0 天，投入与产出比1 ：4 8 8 ，创经济效益1 4 6 9 万元。冉箭生、王海绘等针对抽油杆常见 的断、脱、偏磨、腐蚀、偏磨加腐蚀等事故原因进行了详细分析，并切合实际提出了防断、 防脱、防偏磨、防腐蚀的防治对策，其防治措施通过在文留油田2 7 口井上的成功应用，经济 效益显著，其防治措施对实际生产有一定的借鉴作用。杨正友、郑登才等通过对马厂桥口二 油田抽油机生产井工况的大量矿场统计，并对形成抽油井中的油管与套管内壁、抽油杆与油 管内壁间的偏磨的多种因素进行较为系统的分析，提出了解决偏磨的方法，从而有效地延长 抽油机井的生产周期。赵子刚，陈会军从生产实际出发，结合理论分析，较全面地分析了聚 7 第一章绪论 合物驱油后出现杆、管偏磨现象的机理并提出了综合防治的基本措施与方法。杨超、范士鹃 等针对直井中引起抽油杆柱偏磨的主要原因是下冲程抽油杆柱下部发生螺旋弯曲变形，分析 了引起抽油杆偏磨的井液与抽油杆之间的摩擦力、抽油泵柱塞与衬套之间的摩擦力、井液通 过游动阀时的阻力等主要载荷，给出了确定扶正间距、扶正器个数及抽油杆柱偏磨高度的计 算方法，编制了计算抽油杆柱偏磨高度的计算机程序并用于实际计算，计算结果与抽油杆实 际偏磨高度的相对误差小于8 。李秀竹、杨建华针对濮城油田已进入高含水开发后期，井 下技术状况逐渐变差，在抽油井生产过程中，井下管杆偏磨严重，躺井数增加，已严重影响 抽油井的正常生产，增大了油田开发成本，为此，他们研究开发出了抽油井井下“三位钵” 综合防偏配套技术，效果明显，具有较大的推广应用价值。洪岩、王研等针对萨中油田抽油 偏磨井的检泵率及检泵返工率不断上升的情况，提出了解决该问题的一些措施，在实际应用 中效果明显。另外中原油田在高含水研究方面做了很多工作，如杨建华和宋怀保针对濮城油 田抽油井井下油管与抽油杆偏磨原因进行了分析，提出了有针对性的相应治理方法，并在现 场得到了应用，有效地延长了抽油井的检泵周期，达到了控本增效的目的。刘建刚和杨建华 根据濮城油田特点，分析了井下管、杆偏磨原因，推广使用了热固塑尼龙扶正抽油杆技术， 通过现场大面积的实施表明，井下管杆偏磨程度大大减轻，减少了躺井，也达到了控本增效 的目的，具有较大的推广实用价值；石油大学在管杆磨擦磨损方面也做过很多探索性的工作， 例如张金中在分析了引起管杆偏磨的各种原因以及影响偏磨的各种因素，指出了管杆偏磨是 机械磨损、磨蚀磨损和湿磨粒磨损联合作用的结果，在目前条件下是难以避免的，同时也提 出了用摩擦学系统方法研究管杆的偏磨问题【3 6 j 。 目前，对于管杆偏磨，有相当部分的解决措施为机械方式，例如扶正器等。这些措施虽 然起到了扶正减磨的作用，但油管的磨损依然存在。只有真正解决油管内表面耐磨性问题， 再配合机械方法，才能从根本上达到防治管杆偏磨的目的。 1 4 课题研究目的和研究内容 1 4 1 研究目的 充分发挥激光表面改性的优越性，利用激光设备及导光系统对油管内壁进行熔凝强化， 通过磨蚀试验及s e m 、动电位扫描等方法对普通油管的失效机理及强化油管的强化机理进行 分析，最终通过表面状态分析及不同工艺( 不同功率、不同螺距) 强化效果分析，提出最优 的油管内壁强化方案。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 4 2 研究内容 本文的研究内容主要有： ( 1 ) 利用正交试验方法对吸光涂料中各成分配比及处理工艺进行优化，配制出适用于内 壁喷涂，且具有良好成型能力及较高吸光率的吸光涂料。 ( 2 ) 设计制造内壁喷涂设备，并调试设备，进行吸光涂料内壁喷涂。 ( 3 ) 对油管母材三维基体特征进行分析，并对熔凝层微观组织进行观察分析，同时对熔 凝层的显微硬度及电化学腐蚀性能进行测试及分析。 ( 4 ) 通过自制的磨蚀试验机对普通油管及强化油管进行磨蚀试验，通过失重分析，并结 合s e m 、显微硬度及动电位扫描等方法分析强化油管的强化机理。 ( 5 ) 通过分析不同表面状态对激光熔凝的影响，以及不同加工工艺( 不同的螺距、不同 的加工功率) 对油管内表面强化效果的影响，提出优化的油管内壁加工工艺。 9 第二章吸光涂料的配制及内壁喷涂 第二章吸光涂料的配制及内壁喷涂 由于c 0 2 激光器具有输出功率高、稳定、连续可调、寿命长等优点，所以金属材料的激 光表面处理多使用高功率c 0 2 激光器。大多数金属对c 0 2 激光都有很高的反射率，一般高于 7 0 ，而光亮的金属甚至可达8 0 9 0 。这是对金属材料进行激光表面改性处理的一大障碍 3 7 - 3 9 。这不仅造成了大量宝贵激光能量的损失，而且也严重威胁着操作人员的身体健康。因此， 在激光热处理中，如何提高金属表面对激光辐照能量的吸收率，降低激光热处理的生产成本是 一个非常重要的问题。在金属表面预置吸光涂层，可以显著提高激光吸收率 4 0 】。 在油管内壁激光表面强化过程中，油管内壁的吸光涂料喷涂是本课题的重要部分。内壁喷 涂与普通喷涂主要有三个方面不同：( 1 ) 喷涂设备：普通喷涂采用高压喷枪，操作简单；内壁 喷涂尚无专用设备，首先应自制内壁喷涂系统，操作较复杂。( 2 ) 喷涂压力：自制的内喷涂系 统旋杯雾化效果及喷涂压力低于高压喷枪。( 3 ) 喷涂位置：高压喷枪一般适用于平板喷涂；而 内壁喷涂位置为油管内壁，涂料的成型受到重力的影响。由上所述，内壁喷涂相对普通喷涂， 对涂料的成型能力、粘稠度及固化时问有更加苛刻的要求。目前市售涂料价格昂贵，且性能不 能很好的满足内壁喷涂。因此，本试验选择合适的涂料成分及加工工艺，配制出适合内壁喷涂 的工业化吸光涂料。 2 1 试验材料、方法及设备 吸光涂料骨料采用s i 0 2 ，纯度 9 9 9 ，粒度3 2 0 0 目；防沉剂采用膨润土，又名皂土； 助剂选取y 2 0 3 做为活化剂，纯度 9 9 9 ；粘结剂采用虫胶片饱和的酒精溶液；在平板试验 中稀释剂选用无水乙醇，纯度 9 9 7 ，在内壁喷涂时改用稀料( 主要成分为二甲苯) ，这是由 于稀料相比无水乙醇有更高的挥发速度。 使用b s 2 2 4 s 型电子天平( 误差垒o 1 m g ) 称重涂料各组分，按正交试验方案对涂料进行 配制及球磨。使用拉曼光谱设备对球磨后涂料的粒度进行观察分析。将配制好的涂料与一定 比例的稀释剂及粘结剂进行混合。利用空气压缩机及高压喷枪将涂料喷涂到试块上，并对涂 料的成型能力进行记录。利用d l h l t 5 0 0 0 c 0 2 激光器及d l l p m i v 型多功能数控激光加 工机床对喷涂试块进行激光相变硬化处理，激光参数选定p = 2 1 0 0 w ，f = l o o o m m m i n ，光斑为 lo m m l m m 矩形光斑。用h t 5 0 0 洛氏硬度计对激光处理后的试样沿宽度方向等距离测试表 面硬度，取平均值，做为涂料吸光性能的评价指标。最后，使用红外吸收光谱仪对涂料的吸 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 光性能进行验证。 2 2 吸光涂料成分确定及评价指标 2 2 1 涂料成分确定 激光吸光涂料的成分按其功能分主要有：骨料、基料( 包括稀释剂与粘结剂) 、增稠剂、 助剂等。其中，骨料是吸光的主要成分。基料主要起到稀释与粘结作用。增稠剂可以调节涂 料的喷涂工艺性能，它与基料相结合，应满足涂料表面成型的要求。不同的助剂有不