【摘要】：壓裂技術(shù)是油氣生產(chǎn)領(lǐng)域普遍應(yīng)用的技術(shù),其主要目的是人為增加油氣流動(dòng)的通道,提高油氣層的滲透能力,從而增加油氣產(chǎn)量。在壓裂施工過(guò)程中,隨著對(duì)壓裂效率要求的提高,高壓、大砂量壓裂技術(shù)不斷采用,使得管柱和井下工具的沖刷磨損越來(lái)越嚴(yán)重,甚至造成沖刷磨損失效,嚴(yán)重影響壓裂生產(chǎn)的正常進(jìn)行。為研究沖刷磨損機(jī)理,評(píng)價(jià)不同材料的腐蝕磨損性能,篩選抗沖刷磨損性能優(yōu)良的材料,本文進(jìn)行了不同材料的制備及系統(tǒng)的沖刷磨損實(shí)驗(yàn)研究。 選用P110鋼級(jí)的29CrMo44作為對(duì)比材料,經(jīng)930-940℃淬火和610-620℃回火,組織為回火索氏體,晶粒度等級(jí)7.5-8級(jí),屈服強(qiáng)度870MPa,抗拉強(qiáng)度921MPa,硬度21.5HRC,延伸率19.5%,力學(xué)性能優(yōu)良。 利用激光熔覆技術(shù)在P110鋼基礎(chǔ)上制備了含Cr量分別為20%、30%和40%的激光熔覆層(LCCs),熔覆層的稀釋率分別為7%、5%、6%。沿熔覆涂層截面組織依次為平面晶、胞狀晶和樹(shù)枝晶,組織由馬氏體和少量的殘余奧氏體及鐵素體組織,隨Cr含量的增加,組織由柱狀、樹(shù)枝晶逐漸過(guò)渡到出現(xiàn)較多的碳化物,熔覆區(qū)主要物相為α(Fe,Ni),含鉻量高時(shí)會(huì)出現(xiàn)Cr23C6、Cr7C3及其它形式的碳化物。熔覆層最高硬度513HV,平均硬度分別為350HV、376HV和462HV,明顯高于P110鋼。 利用電磁感應(yīng)爐熔技術(shù),煉制了Fe-Cr-Mo-Mn-W-B-C-Si母合金,并用霧化裝置制備非晶合金粉末,并使用XEM和XRD對(duì)粉術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),表明粉末顆粒尺寸小于45μm,為完全非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。利用超音速熱火焰噴涂技術(shù),分別制備了厚度為200μm和400gm的非晶合金涂層(AMCs)。涂層化學(xué)成分分布均勻,孔隙率較小,分別為1.25%和1.45%。SEM下未觀察到晶粒和晶界形態(tài),TEM下發(fā)現(xiàn)存在少量晶體相,利用DSC法測(cè)定涂層中非晶相的含量,分別為74.9%和70.1%,證明涂層以非晶態(tài)結(jié)構(gòu)為主。XRD分析顯示,涂層中主要晶體相包括Fe2C、Cr7C3、Cr2B、M23C6和極少量的氧化物。顯微維氏硬度測(cè)量表明涂層最高硬度可達(dá)900HV左右,平均硬度分別為828.3HV和713.2HV,涂層性能優(yōu)良。 以13Cr鋼組分為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了鐵基高鉻合金的成分,并利用等離子熔煉裝置制備了鐵基高鉻合金(FHCs)。用光譜儀測(cè)定了合金的化學(xué)成分,發(fā)現(xiàn)合金成分成分均勻,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,屬于超級(jí)13Cr系列。XEM形貌觀察表明,合金組織由層片狀馬氏體構(gòu)成,晶粒細(xì)小呈樹(shù)枝狀。XRD物相分析證實(shí),合金的物相主要由馬氏體相和Fe-Cr合金相組成。維氏測(cè)試結(jié)果顯示合金的硬度達(dá)到296HV,高于普通0Cr13不銹鋼。 利用自制的沖刷磨損實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了沖刷磨損實(shí)驗(yàn),對(duì)四種不同材料材料的沖刷磨損性能進(jìn)行了總結(jié)評(píng)價(jià),’沖刷磨損抗力由高到低分別為：非晶合金涂層激光熔覆層鐵基高鉻合金P110鋼。其中非晶合金涂層和激光熔覆層表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗沖刷磨損性能,是比較理想的抗沖刷磨損材料。鐵基高鉻合金可以應(yīng)用于強(qiáng)腐蝕環(huán)境并具有較強(qiáng)沖刷的工況中。四種材料的沖刷磨損機(jī)理不同,P110鋼、低Cr激光熔覆層和鐵基高Cr合金屬于典型的塑性沖刷磨損,高Cr激光熔覆層屬于脆性沖刷磨損,非晶涂層沖刷磨損規(guī)律與脆性材料類(lèi)似,但沖刷磨損機(jī)理明顯不同。
【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類(lèi)號(hào)】：TH117.1;TE934.2

【參考文獻(xiàn)】

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