铝合金套管干摩擦行为试验研究*

幸雪松 张会增 李 隽

(1.中海石油(中国)有限公司北京研究中心 2.中国石油勘探开发研究院)

0 引 言

套管损坏一直是油气钻井行业中面临的严重问题，而套管磨损是引起套管失效的一个主要原因[1]。随着井身结构复杂性的增加，套管面临的工作环境将更加恶劣。例如，在页岩气水平井以及大斜度井钻井过程中，套管与旋转的钻杆在狗腿处发生接触，将引发套管的持续磨损，导致其强度降低，失效风险增加[2]。气体钻井技术是为克服非正常地层井壁遇水失稳、保证井控安全、提高机械钻速以及实现完全欠平衡钻进的新兴钻井技术[3]。然而，在空气钻井过程中，由于缺乏钻井液润滑，在干燥条件下，钻柱与套管之间的摩擦磨损将变得更加严重。

许多学者针对油气井套管磨损问题开展了相关研究。魏少波等[4]开展了正交磨损试验并建立了磨损-效率模型来预测井下套管的磨损，分析了正压力、转速、钢级和钻井液类型对套管摩擦磨损的影响。毛良杰等[5]采用相似试验的方法对N80套管在钻井液中的摩擦磨损行为进行了试验研究，研究结果表明，磨粒磨损和腐蚀磨损为套管的主要磨损机理，油基钻井液比水基钻井液具有更好的润滑性能。储胜利等[6]基于钻杆接头磨损量、钻柱组合和钻时数据，建立了套管磨损量分析模型，并利用该模型开展了现场测试，测试结果表明，该模型可以用于各井深处套管磨损体积计算与检测，且精度较高。陈江华等[7]以油田实例井为例，分析了超深井以及定向井钻井过程中钻井参数对油气井套管磨损的影响，分析结果表明，影响套管磨损的主要因素有转盘转速、机械钻速、钻井液密度与类型、钻具组合等。聂荣国等[8]在钻井液中加入纳米级二氧化硅颗粒，分析了不同纳米级二氧化硅含量对套管摩擦磨损行为的影响，分析结果表明，在钻井液中加入纳米级二氧化硅可以显著降低套管磨损率，最佳的纳米级二氧化硅添加量为2%。唐伟等[9]采用球盘式摩擦磨损试验机研究了耐腐蚀合金和低合金钢在氯化钠溶液中的摩擦磨损行为。其研究结果表明，耐腐蚀合金易于与铁基材料发生黏附，磨损率较高，而低合金钢套管能够避免表面氧化引起的黏附，磨损率较低。综合以上文献，在钻井液循环钻井过程中的套管磨损问题已经得到了充分研究，影响套管磨损的主要因素是钻井工况、材料性能以及钻井液性能。

近年来，为适应井下各种复杂条件，铝合金成为新兴的套管制作材料，它能够满足高温高压井、酸性油气井及超深井对套管材料性能的要求[10]。众多学者对铝合金材料在各种条件下的摩擦行为进行了研究[11-14]。然而，在石油工业中，由旋转钻杆与套管接触引起的铝合金套管的摩擦磨损问题还没有得到足够重视，尤其是在干摩擦条件下。研究铝合金套管在不同接触载荷和滑动速度下的干摩擦行为具有重要的科学和工程意义。为此，笔者借助西南石油大学摩擦实验室的UMT-TriboLab摩擦试验机，以40CrNiMo钢和7075铝合金(T6)为研究对象，采用销盘磨损试验系统地研究了接触载荷和滑动速度对7075铝合金套管干摩擦性能的影响。研究结果对减轻空气钻井时铝合金套管的磨损具有指导意义。

1 试验研究

1.1 试验材料

为了保证试验结果具有实际工程意义，需要保证试验条件与实际条件的一致性。因此用销钉销盘摩擦副模拟钻柱与套管的表面接触形式[15]，采用无润滑干摩擦模拟空气钻井环境。销和盘分别采用40CrNiMo钢和AA7075铝合金(T6)制作。形状和大小如图1a所示。AA7075铝合金的硬度为150 HB，表面粗糙度为0.678。40CrNiMo钢的硬度为260 HB，表面粗糙度为0.623。AA7075铝合金和40CrNiMo钢的化学组成如表1所示。

表1 AA7075铝合金和40CrNiMo钢材化学组成

1.2 试验参数设计

在实际钻井工程中，钻柱与套管之间的最大接触应力一般发生在狗腿段，接触应力可达2.069 MPa(300 psi)[16]。因此，试验设计了10、20、30、40、50、60和70 N共7组不同的接触载荷。销与盘的接触面积约为3.117×10-5m2，各试验载荷对应的接触应力值分别为0.321、0.642、0.962、1.238、1.604、1.925和2.246 MPa。钻杆的转速一般在15～150 r/min。对于ø88.9 mm的普通钻柱，其与套管接触的瞬时线速度可达到0.069～0.698 m/s。在本试验中，销的旋转半径为30 mm，因此试验设计销的转速为0.157、0.235、0.314、0.392、0.471、0.549和0.628 m/s，对应的模拟钻柱转速为50、75、100、125、150、175和200 r/min。采用UMT TriboLabTrimeter试验机(见图1b)在室温下进行磨损试验，每组试验的滑动周期为3 000转，即565.5 m。

图1 销钉和销盘示意图以及摩擦试验机照片

试验严格按照ASTM G1999—17标准进行，以确保磨损试验过程的规范性。在每次测试前，销钉和销盘放入超声波清洗机中用石油醚清洗10 min，然后在烘干机中烘干。在每种测试条件下进行3次独立的滑动测试，以确保试验的可重复性。每次试验都使用新的样品。试验过程中的摩擦因数连续记录，并根据下式计算磨损率:

(1)

式中：V是磨损体积，mm3(磨损质量除以7075铝合金的密度)；F是接触载荷，N；L是总滑动距离，m。

1.3 表征方法

试验结束后，将销钉和销盘放入超声波清洗机中用石油醚清洗10 min，然后在烘干机中烘干，用三维光学显微镜(ContourGTInMotion)测量了磨损盘表面的磨损深度和三维形貌。采用JSM-6610A扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对磨损表面的微观结构特征和元素组成进行了表征。

2 试验结果

2.1 摩擦因数

图2给出了不同接触载荷下的平均摩擦因数。由图2可知，摩擦因数随接触载荷的增加先逐渐增大，然后迅速减小，在50 N的接触载荷下摩擦因数最大，约0.5。图3显示了不同滑动速度下的平均摩擦因数。由图3可知，随滑动速度的增大，摩擦因数呈现先迅速增大然后逐渐减小的趋势，在0.314 m/s的滑动速度下摩擦因数最大，约0.5。

图2 不同接触载荷下的平均摩擦因数

图3 不同滑动速度下的平均摩擦因数

2.2 磨损率

图4显示了销盘在不同接触载荷下的磨损率。由图4可知，随着接触载荷的增加，磨损率呈现出先减小后增大的趋势。在接触载荷为10 N的情况下，磨损率最大，约为40.0×10-5mm3/(N·m)，在接触载荷为50 N时，磨损率最小，约为5.3×10-5mm3/(N·m)。图5显示了销盘在不同滑动速度下的磨损率。从图5可以看出：随着滑动速度在0.157～0.471 m/s范围内逐渐增加，销盘磨损率缓慢下降，但是降低得不明显；而随着滑动速度在0.471～0.628 m/s范围内逐渐增加，销盘磨损率迅速增加；在0.471 m/s时磨损率最小，约为4.0×10-5mm3/(N·m)，在0.628 m/s时磨损率最大，约为12.8×10-5mm3/(N·m)。

图4 销盘在不同接触载荷下的磨损率

图5 销盘在不同滑动速度下的磨损率

2.3 表面三维磨损形貌

图6为不同接触载荷下销盘磨损面的三维形貌图。如图6a所示，在10 N接触载荷下磨损表面沿滑动方向有大量平行沟槽和划痕，并有部分表层脱落，表现为磨粒磨损和分层磨损。相应地，在这种情况下，磨损率也比较高。如图6b所示，在30 N接触载荷时，沟槽和剥落显著减少，磨损率降低。随着接触载荷进一步增加到50 N，磨损表面形成了不连续的沟槽和轻微的划痕(见图6c)，主要表现为磨粒磨损，几乎没有材料脱落。因此，在这种情况下，磨损率最低。在最大试验载荷70 N下时(见图6d)，磨损表面的沟槽和划痕消失，取而代之的是大面积的剥落和剥落坑的连续分布，这是典型的分层现象，导致了更高的磨损率。

图6 销盘在不同接触载荷下的磨损表面三维形貌图

图7为不同随滑动速度下的销盘表面三维形貌图。由图7可知，销盘磨损表面形貌特征以磨粒磨损形成的沟槽为主。从图7a可以看出，当滑动速度在0.157 m/s的滑动速度下，所形成的犁沟和划痕较宽且连续。在0.157～0.474 m/s范围内，随着滑动速度的增加，犁沟逐渐增大，犁沟变窄、变浅(见图7b和图7c)。相比之下，在高滑动速度(0.628 m/s)和高接触载荷(70 N)下，铝合金销盘的磨损更为严重。磨损率的变化趋势与磨损表面的三维形貌吻合。

图7 销盘在不同滑动速度下的磨损表面三维形貌图

2.4 SEM形貌

图8为通过SEM观察得到的铝合金销盘在不同接触载荷下试验后的微观形貌。如图8a所示，在10 N的接触载荷下，部分表面材料发生了剥离，而未剥落区域则出现了垂直于滑动方向的裂纹。在铝合金的摩擦磨损过程中，裂缝是由于接触应力达到了材料的强度极限而产生的。相比之下，在接触载荷30 N时，磨损表面除了沟槽、剥落碎片、裂纹和摩擦层破碎外，还出现了分层(见图8b)。当接触载荷增加到50 N时，磨损表面特征为宽深的犁沟及其附近弥散附着的磨粒(见图8c)，同时磨损表面的摩擦层也发生了局部损伤，留下了凹坑。凹坑周围破碎的摩擦层形成较大的片状碎片，凹坑内的材料则碎成较小的磨屑颗粒。在70 N的接触载荷下，从图8d可以看到大量的塑性变形和剥落，以及大块的碎屑粘附在磨损表面。

滑动速度对7075铝合金销盘磨损表面形貌的影响如图9所示。在较低的滑动速度范围内(0.157～0.314 m/s)，磨损表面具有类似的特征，出现磨损颗粒堆积、划痕和剥落坑等现象。当滑动速度为0.471 m/s时，磨损表面出现大量平行或交错划痕，划痕中部和周围残留更细小的碎屑(见图9c))。当滑动速度为0.628 m/s时，磨损表面出现大量的裂纹，裂纹相互交叉，部分区域的摩擦层脱落，表面仍留有较大的磨料颗粒(见图9d)。

图9 销盘在不同滑动速度下的磨损表面SEM照片

2.5 EDS分析

图10和图11分别为销盘在不同接触载荷和滑动速度下的磨损表面EDS图谱。

图10 销盘在不同接触载荷下的磨损表面EDS图谱

图11 销盘在不同滑动速度下的磨损表面EDS图谱

由图10可以看出，图8中选取的各个位置的EDS分析表明所有测点的元素都相同。在滑动摩擦过程中氧元素与铝容易形成Al2O3，由于Al2O3的硬度高，在磨损过程中作为三体磨粒会加剧磨损。当它大量产生，并在磨损盘表面形成连续的氧化物层时，将减少金属之间的直接接触，从而减少磨损。如图10所示，未剥离区在接触载荷为10、30、50和70 N下，含氧的质量分数分别为14%、20%、26%和30%。氧化物含量随接触载荷的增加而增加，这可以解释为接触载荷增加引起了温度升高，加剧了接触区域的材料氧化。对图9中标记区域的EDS分析可知，氧含量随着滑动速度的增加而增加，这可以归因于高速滑动导致的高温促进了金属的氧化。以上结果表明，在接触载荷和滑动速度的影响下，一直存在氧化磨损。

3 讨 论

3.1 接触载荷

在10 N接触载荷下，磨损表面形貌特征主要表现为磨粒磨损引起的划伤和氧化膜剥离引起的分层(见图6a和图8a)。通常氧化层的形成会降低磨损率，但试验结果表明，在10 N接触载荷下，销盘表面具有极高的磨损率，这归因于低接触载荷下生成的氧化层不紧密，导致其抗拉强度较低，容易与表面分离。由分离的氧化物碎片形成的三体磨料会在滑动过程中切割表面材料。因此，金属氧化物在10 N接触载荷下并没有起到保护作用，而是促进磨损，导致磨损率较高。

增大接触载荷不仅会增大摩擦副之间的接触应力，还会使接触面之间的温度升高，这两种现象都会促进氧化膜的形成。氧化层对金属的保护作用与其连续性和稳定性有关。因此在30 N的接触载荷下，氧化层变得更加连续和致密，其对金属的保护作用得到体现，从而大大降低了磨损率。50 N接触载荷下磨损率低于30 N接触载荷下的原因是随着氧化膜中氧化物质量分数增加，其硬度增加，导致磨损率降低。然而，从磨损表面的三维形貌(见图6c)和SEM形貌(见图8c)可以看出，两种磨损机制变化不大，主要是磨粒磨损和氧化磨损，磨损率仅略有下降。在70 N接触载荷下磨损率上升，可以解释为循环摩擦过程中累积的应变超过了其屈服极限，从而使氧化层断裂，当裂纹在氧化层中扩展相交时，高温导致磨削面之间的强附着力(见图8d)，使氧化层大面积剥落，出现连续分层(见图6d)。因此，在不同接触载荷下，氧化层的性质不同导致不同的销盘磨损率。

氧化层不仅对磨损率有影响，对摩擦因数也有影响。在10～50 N的接触载荷范围内，摩擦因数随接触载荷的增加而逐渐增大，这主要是粗糙表面之间的粗糙峰啮合度增强和切削力增大所致。接触载荷的增加同样也导致接触面温度升高，使表面材料的抗拉强度降低。因此，磨损表面的形貌特征是低载荷下大量划痕，高载荷下更平滑的塑性流动，进而使摩擦因数的增加幅度减小。随着接触载荷进一步增加到70 N，氧化层断裂，强度较低的铝合金参与摩擦，同时温度升高引起的热软化效应对降低摩擦因数也有很大贡献。因此，摩擦因数降低。

3.2 滑动速度

氧化层对7075铝合金在不同滑动速度下的磨损也有很大影响。低速(0.157 m/s)时，磨损表面生成的氧化物较少，这可能是在低滑动速度下接触面温度较低造成的。由于铝合金和其氧化物的力学性能差异，铝合金在滑动摩擦过程中优先磨损。随着滑动摩擦的发展，残余氧化物成为与磨削表面接触的主要区域。当这些氧化区被擦除时，形成的硬质氧化颗粒会加剧磨损。表面金属的去除机理主要是磨粒磨损。滑动速度在0.157～0.471 m/s范围内，提高滑动速度会增加氧化层的连续性和厚度，从而对铝合金基体起到良好的保护作用。因此，比磨损率首先随着速度的增加而逐渐降低。磨损率在0.471～0.628 m/s的滑动速度范围内显著增加是氧化层的失效造成的。高速滑动摩擦导致氧化层内部形成微裂纹。当循环应力引起的拉伸应变超过屈服极限时，摩擦层将从表面大面积脱落，从而提高了磨损率。过快的滑动速度会降低氧化层与基体的结合强度，并使其从摩擦系统中消失。虽然磨料磨损是所有滑动速度下的主要磨损机制，但由于氧化物层在不同滑动速度下的性能不同，会产生不同的磨损率。

在0.157 m/s的滑动速度下，摩擦因数较小可能是磨损表面产生的氧化物较少，金属本身参与了磨损。在滑动速度为0.314 m/s时，摩擦因数增加是硬脆的氧化层与磨削表面直接接触所致。在0.314～0.628 m/s的滑动速度范围内摩擦因数逐渐减小，这与热软化效应的增强密切相关。首先，接触面之间的温度随着滑动速度的增加而升高，导致附着力迅速降低；其次，滑动速度的增加缩短了焊接接头的冷却时间，从而降低了摩擦因数。

4 结 论

(1)随着接触载荷的增加，铝合金7075套管的磨损率先减小、后增大，摩擦因数随接触载荷的增大而先增大、后减小；随着滑动速度的增加，铝合金7075套管的磨损率先减小、后增大，摩擦因数随接触载荷的增大而先增大、后减小。

(2)当接触载荷大于50 N时，磨损机理由磨粒磨损和氧化磨损转变为粘着分层磨损。随着滑动速度的增加，磨损机制由轻微氧化磨损为主转变为以严重氧化磨损为主。

(3)不同接触载荷和滑动速度下比磨损率的变化主要受氧化层的致密程度和破坏程度的影响。随着接触载荷和滑动速度的增加，氧化物含量增加，氧化层变得更加连续和紧密，从而使磨损率大大降低。然而，过高的接触载荷和滑动速度导致氧化层的破裂和剥落，导致磨损率增加。