钻井工况下钛合金钻杆与钢制钻杆摩擦磨损性能对比研究

摘要

钛合金材料由于具有高的比强度、低弹性模量，优异的韧性、疲劳性能和耐蚀性，已经成为深井、超深井及大位移水平井工况环境下钻杆及井下工具的热门候选材料，但在钻井条件下对钛合金钻杆的摩擦磨损性能缺乏研究，与钢制钻杆的性能优劣缺乏对比数据。通过硬度试验、冲击磨损试验、往复摩擦和模拟工况摩擦磨损对比试验，对钛合金钻杆和钢制钻杆的摩擦磨损性能及表面形貌进行对比分析。结果表明，由于抗划痕性能和硬度的差异，钛合金钻杆材料耐冲击磨损性能低于钢制钻杆材料，尤其在100r/min的中等冲击频率下钛合金钻杆材料耐冲击磨损性能明显低于钢制钻杆材料；在空气中的往复磨损试验中，钛合金钻杆材料的摩擦系数显著低于钢制钻杆，与岩石对磨时为典型的磨粒磨损机制，与金属对磨时为典型的粘着磨损机制；在钻井液环境中，钛合金钻杆的耐摩擦磨损性能不如钢制钻杆，但在水基钻井液中，钛合金钻杆与岩石材质对磨时，其耐磨性能最强、摩擦系数最低。建议在使用钛合金钻杆钻井时采用水基钻井液。下一步研究应提高钛合金材料耐磨性能或进行表面处理以提高钛合金钻杆的耐磨性。