油管涂层的摩擦学性能实验研究
王优强 李忠晓 刘立涛
润滑与密封
摘要:为了治理有杆泵井的管杆偏磨问题,在油管上喷涂了一层耐磨防腐涂层,并对比研究了抽油杆和油田常用的油管摩擦副及喷涂耐磨涂层后的油管摩擦副的摩擦磨损性能。结果表明:与45#钢对磨时, N80的耐磨性要比J55好;当45#钢与J55涂层油管对磨时, J55涂层油管的耐磨性比J55油管提高了5倍,并且配对的45#钢的磨损量也降低了1/2;因此45#钢与J55油管涂层配合使用时防偏磨效果十分理想。
关键词:抽油杆;油管;耐磨涂层;表面形貌
随着油井中、高含水期开采阶段的到来,我国油田的生产油井不断向老龄化过渡,机械采油过程中的管杆偏磨问题日益突出,因有杆泵井管杆偏磨造成的报废井、待修井、作业井井次正在逐年上升,因偏磨造成的油井维护工作量所占比例也大幅上升。以胜利油田东辛采油厂为例,目前发现存在偏磨井占抽油机井的27%,占抽油井开井数的44%,因管杆偏磨造成的维护工作量占总维护工作量的35%左右。其它采油厂和全国其它油田也存在类似问题,管杆偏磨井数也基本保持在这个比例。抽油杆和油管的偏磨不仅降低抽油杆的强度,造成抽油杆断裂,而且还会磨穿管壁,造成油管漏失,影响油井的正常生产。2000年濮城油田共有偏磨井228口,占总井数的38%,其躺井次数占抽油井躺井数的5615%,因偏磨造成更换油管1 170 t,更换抽油杆814×104m,累计直接经济损失达2 530万元[1]。而在常规抽油系统中,有杆泵采油是一种最常用的机械采油方法。管杆偏磨问题严重影响着各大油田高效、低耗生产的发展。随着油井含水的不断上升,管杆偏磨现象将更加突出,解决管杆偏磨问题已经成为我国乃至世界采油工程的主要课题。
目前我国大部分油田已进入中、高含水期开采阶段,抽油井的井况发生了较大的变化,致使抽油生产中的偏磨问题变得越来越突出。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,加快了管杆磨损速度。这使得油井免修期明显降低,维护工作量大大增加,明显提高了采油成本。
对管杆偏磨腐蚀问题,研究者提出了一些偏磨机制和防治措施与对策,在一定程度上缓解了抽油杆的偏磨问题,取得了一定的效果;其中,采用油管涂层,可以大大降低管杆偏磨的程度。本文作者对油管涂层的摩擦磨损性能进行了实验研究。
1 摩擦副对磨实验
111 实验试件
选取油田最常用的J55和N80油管与45#钢调质抽油杆进行摩擦副配对实验,利用MG-200型高温高速摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验,试验试件为环状对环状。油管和抽油杆材料做成的试件表面喷涂山西中天公司提供的涂料粉末。实验用的5对摩擦副配对情况如表1所示。
实验时每对摩擦副取3组进行试验。各种材料表面处理后的硬度如表2所示。
112 实验介质
抽油杆和油管的偏磨发生在井下一定深度的油井产出液中,选择的介质为油田产出的污水,水中的矿物质含量:氯离子11 000 mg/L、二氧化碳25 mg/L、钙离子25 mg/L、碳酸氢根离子30 mg/L、镁离子13mg/L、总铁8 mg/L。试验介质温度为常温;试验载荷为150N;试验转速为300 r/min;总转数为7×104转。
113 实验参数与计算公式
2 实验结果与讨论
摩擦磨损的试验结果如表3所示,摩擦因数取3组的平均数。
由表3可以看出喷涂后的油管与抽油杆和喷涂后的抽油杆和油管之间的摩擦因数明显比未喷涂的要低,而且喷涂耐磨涂层后的油管和抽油杆的磨损率是未喷涂的1/6~1/5。为了更加直观地进行比较分析,将最终试验结果分成以下几种情况进行分析讨论,并把磨损率制成直方图的形式(图1)。
211 45#钢抽油杆分别与J55、N80油管配对从图1可以看出, 45#钢抽油杆分别与J55和N80油管组合时, 45#钢与N80组合的耐磨性要高于与J55的组合,而且在同样条件下对45#钢制成的抽油杆的减磨作用更明显。这2对组合的摩擦因数基本相同,这样就耐磨性来说, 45#钢抽油杆与N80油管配合使用较好。
212 45#钢抽油杆分别与J55和J55喷涂油管配对从图1可以看出, 45#钢抽油杆与J55油管表面喷涂涂层后的组合,其耐磨性要明显好于45#钢抽油杆与J55油管的组合,油管表面喷涂后其耐磨性与不喷涂相比提高近5倍,同时对45#钢抽油杆的减磨效果也非常明显,磨损量降低近1/2,这说明J55油管表面喷涂后对抽油杆和油管本身的减磨作用非常好。从表3的磨损率和摩擦因数实验结果可以看出,油管表面喷涂涂层可以有效的起到降摩和减磨的作用。
213 45#钢抽油杆喷涂分别与J55和N80油管配对
从图1可以看出, 45#钢表面喷涂抽油杆与N80组合的耐磨性要明显好于与J55的组合,而2种组合的摩擦因数基本相等。45#钢同样与J55和N80组合,表面喷涂与不喷涂相比,耐磨性提高显著。当与J55组合时,表面喷涂后耐磨性提高3倍,当与N80组合时,表面喷涂后耐磨性提高5倍。同时45#钢表面喷涂抽油杆对J55和N80油管还有很好的减磨作用,与45#钢不喷涂相比,油管磨损量减小近1/3。
无论是J55油管喷涂,还是45#钢抽油杆喷涂,都能显著提高油管或抽油杆本身的耐磨性,同时还对与喷涂油管或抽油杆相组合的抽油杆和油管起到有效的减磨作用,这种效果对于45#钢抽油杆和J55油管组合使用时,喷涂在J55油管上效果更好。
214 微观形貌分析
采用S-3500N型扫描电子显微镜(SEM)观察试件磨损后的表面形貌,分析其磨损机制。图2是45#钢与未喷涂耐磨涂层的J55油管对磨时,磨损表面的扫描电镜(SEM)照片。从图中可以看出,当45#钢与未喷涂耐磨涂层的J55油管对磨时,表面发生了明显的粘着磨损,不规则的疤痕和材料堆积是粘着磨损所造成的。
图3是45#钢与喷涂耐磨涂层的J55油管对磨时,磨损表面的扫描电镜(SEM)照片。从图中可以看出,当45#钢与喷涂耐磨涂层的J55油管对磨时,表面光滑平整、无任何损伤,而且上面出现了一层喷涂的耐磨涂层材料的转移膜。这层转移膜对45#钢工作表面起到一定的保护作用,因而,在磨损过程中减轻了其工作表面受到的损伤程度。
图2, 3磨损表面的形貌表明:在相同试验条件下,喷涂耐磨涂层可以有效降低磨损表面受摩擦损坏的程度,从而提高摩擦副的耐磨性。
3 结论
(1) 45#钢抽油杆分别与J55和N80油管组合时,N80的耐磨性要好于与J55,这2对组合的摩擦因数基本相同。
(2) 45#钢抽油杆与J55油管表面喷涂涂层后的组合,其耐磨性要明显好于45钢抽油杆与J55油管的组合,油管表面喷涂后其耐磨性与不喷涂相比提高近5倍,同时对45#钢抽油杆的减磨效果也非常明显,其磨损量降低近1/2,这说明J55油管表面喷涂后对抽油杆和油管本身的减磨作用非常好。
(3)磨损试件表面的SEM照片表明,喷涂耐磨涂层可以有效降低磨损表面受摩擦损坏的程度,从而提高摩擦副的耐磨性。
参考文献略
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