【摘 要】
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绳索取心钻杆的高钻进效率、低劳动强度和节省成本的特点常常应用于地质勘探中,但其复杂的载荷状态和恶劣的工作环境可能会出现钻杆的破坏失效的现象,这将严重影响钻井工程的发展。本文实验研究真实钻探使用的27Cr Mo V基体和WC-10Co4Cr涂层在模拟钻井液下不同温度、流速下的腐蚀规律和不同载荷下的摩擦磨损规律,依据实验结果作为仿真边界条件,对钻杆在模拟真实工况下的电化学腐蚀、流动冲蚀进行多物理场耦合
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“5000米智能地质钻探技术装备研发及应用示范”课题三“高性能薄壁绳索取心钻杆研制”;
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绳索取心钻杆的高钻进效率、低劳动强度和节省成本的特点常常应用于地质勘探中,但其复杂的载荷状态和恶劣的工作环境可能会出现钻杆的破坏失效的现象,这将严重影响钻井工程的发展。本文实验研究真实钻探使用的27Cr Mo V基体和WC-10Co4Cr涂层在模拟钻井液下不同温度、流速下的腐蚀规律和不同载荷下的摩擦磨损规律,依据实验结果作为仿真边界条件,对钻杆在模拟真实工况下的电化学腐蚀、流动冲蚀进行多物理场耦合仿真研究,实验与仿真互为验证,得到较为可靠的物理模型,为工程应用提供参考。主要的研究内容如下:(1)模拟动态下有无WC-10Co4Cr涂层的27Cr Mo V钢钻杆耐蚀性能研究。研究在压力为4MPa的模拟钻井液环境中,温度分别为40℃、80℃、120℃、流速分别为0.25m/s、0.45m/s下有无WC-10Co4Cr涂层的27Cr Mo V钻杆基体的腐蚀性能研究。结果表明:随着温度升高,基体的腐蚀越为严重,但到120℃时腐蚀开始放缓,而涂层保护性随温度升高效果越好。基体和涂层的耐腐蚀程度都会随着流速的升高而下降,但各流速下涂层的自腐蚀电流仍远低于基体。(2)有无WC-10Co4Cr涂层的27Cr Mo V钢钻杆耐磨损性能研究。研究1000g、1500g、2000g载荷下27Cr Mo V基体和WC-10Co4Cr涂层的耐磨损性能规律,结果表明:随着载荷的增加,涂层优于基体的耐磨损性能会逐渐降低。27Cr Mo V基体表面的磨损机理以粘着磨损和少量的氧化磨损,WC-10Co4Cr涂层的主要磨损机理是磨粒和疲劳磨损。在本次摩擦磨损实验中涂层尚未被破坏,基体和涂层摩擦实验后分别生成了Fe3O4和Cr的氧化物。(3)模拟真实工况下钻杆井中腐蚀和冲蚀的多物理场仿真研究考虑扩散、电迁移、流场、温度、应力场存在情况下,对钻杆井下腐蚀进行模拟仿真,结果表明:钻杆腐蚀厚度随着深度的增加而增加,并且温度对腐蚀的影响高于应力。同时在电化学腐蚀的基础上考虑冲蚀对钻杆的影响,得出钻杆内壁的冲蚀模式主要以碰撞冲蚀为主,外壁是碰撞冲蚀与切削冲蚀共同作用,均在钻杆和钻杆接头连接附近,涂层的耐腐蚀、耐冲蚀性能均高于基体。
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