發(fā)布時(shí)間：2020-11-01 05:38

　　 隨著我國(guó)油氣井鉆探及科學(xué)鉆探深度的不斷拓展,對(duì)鉆桿的要求也越來越高,傳統(tǒng)G105、S135等型號(hào)鋼鉆桿因自重大、有磁性、耐腐蝕性能差等局限性無法完全滿足超深井及特深井鉆探工程的需求。過去幾十年來,鋁合金鉆桿因其密度低、比強(qiáng)度高、耐酸腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)逐步贏得業(yè)內(nèi)人士的青睞,并已經(jīng)在美國(guó)、俄羅斯等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家形成一些列產(chǎn)品,被廣泛應(yīng)用于超深井、大位移井等高難鉆井作業(yè)中。然而,鋁合金材料的軟化溫度較低,在高溫下其力學(xué)性能衰退明顯,容易導(dǎo)致鉆桿在深部高溫地層的過早失效,這很大程度上限制了鋁合金鉆桿的應(yīng)用與推廣。本文面向超深井油氣鉆探和科學(xué)鉆探對(duì)輕質(zhì)、耐高溫鉆桿材料的需求,在現(xiàn)有2024鋁合金鉆桿材料的基礎(chǔ)上,利用碳纖維本身高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性能好的特性,研究碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理,為研制新一代輕質(zhì)高強(qiáng)耐高溫碳纖維鋁基復(fù)合材料鉆桿提供理論依據(jù)。本文首先利用粉末冶金法制備了小含量的短碳纖維增強(qiáng)2024 Al基(SCFs/2024 Al)復(fù)合材料,微觀組織觀察表明,碳纖維在基體中隨機(jī)分布,無明顯方向性。在碳纖維和Al基體的界面處觀察到較為劇烈的界面反應(yīng),伴有Al_4C_3界面產(chǎn)物生成,在界面處還可以觀察到Al_2Cu和富Mn相的偏析,且隨著環(huán)境溫度的升高,各個(gè)界面產(chǎn)物均出現(xiàn)粗化現(xiàn)象。碳纖維的加入可以有效提高SCFs/2024 Al復(fù)合材料的整體硬度,并且對(duì)碳纖維周圍基體的硬度和模量的提升最為明顯,納米壓痕試驗(yàn)結(jié)果表明最靠近碳纖維的基體其硬度和模量最高,分別為2.51 GPa和93.53 GPa。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,SCFs/2024 Al復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會(huì)隨碳纖維含量的增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì),其中,4 vol.%SCFs/2024 Al擁有最高的屈服強(qiáng)度,在室溫、150oC和250oC拉伸溫度下,相較于2024 Al分別提高了19.6%、45.6%和36.7%。另外,SCFs/2024 Al復(fù)合材料的塑性相較于2024 Al顯著降低,在室溫下,由于殘余熱應(yīng)力和界面產(chǎn)物導(dǎo)致的過強(qiáng)界面結(jié)合,碳纖維在室溫復(fù)合材料拉伸斷口上的主要斷裂形式為剪切破壞。當(dāng)溫度升高后,隨著殘余應(yīng)力的回復(fù)以及界面產(chǎn)物和偏析產(chǎn)物的粗化,碳纖維與Al基體的界面結(jié)合減弱,這時(shí)碳纖維在拉伸過程中主要被拔出或者與基體發(fā)生脫粘。隨后,針對(duì)前文研究發(fā)現(xiàn)的碳纖維低應(yīng)力脆斷導(dǎo)致復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度提升不明顯及塑性下降明顯現(xiàn)象,將熱壓燒結(jié)后的SCFs/2024 Al復(fù)合材料進(jìn)行熱擠壓工藝處理,實(shí)現(xiàn)了較大含量的碳纖維在基體中沿?cái)D壓方向的定向排布。在擠壓力恒定的前提下,擠壓速度會(huì)隨碳纖維含量的增加,溫度的降低和擠壓比的增大而下降。擠壓速度下降反映了擠壓過程中Al基體高溫流變能力的下降,使碳纖維在基體中的無序程度加劇,表現(xiàn)為碳纖維與擠壓方向的平均偏差角度加大。碳纖維的加入可以有效降低Al基體的晶粒尺寸,其晶粒細(xì)化效果對(duì)碳纖維周圍的基體最為明顯。在高溫下,碳纖維可以有效抑制Al基體的晶粒長(zhǎng)大。在界面處仍然可以觀察到大量的Al_4C_3界面產(chǎn)物以及偏析現(xiàn)象。在室溫下,SCFs/2024 Al復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度隨著碳纖維含量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),屈服強(qiáng)度隨著碳纖維含量的增加不斷上升。當(dāng)碳纖維含量固定為8 vol.%,改變擠壓參數(shù)時(shí),460oC擠壓溫度和14.6擠壓比條件下的復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度最大,為514 MPa。擠壓態(tài)SCFs/2024 Al復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理包括載荷傳遞、晶粒細(xì)化、織構(gòu)轉(zhuǎn)變及位錯(cuò)堆積。復(fù)合材料塑性急劇衰退是因?yàn)樘祭w維的脆斷,這是由于界面反應(yīng)及殘余熱應(yīng)力帶來的的過強(qiáng)界面結(jié)合導(dǎo)致的。在高溫下,SCFs/2024 Al復(fù)合材料和2024 Al的拉伸強(qiáng)度都有所下降,但碳纖維可以有效抑制復(fù)合材料強(qiáng)度的衰退,這主要得益于碳纖維高溫性能穩(wěn)定和對(duì)Al基體晶粒在高溫下長(zhǎng)大的抑制。此外,高溫下碳鋁界面處殘余熱應(yīng)力的回復(fù)以及Al基體的軟化使得碳纖維的脆斷現(xiàn)象緩解,裂紋在界面處的應(yīng)力集中減弱,界面可以發(fā)揮裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制,從而提高高溫下復(fù)合材料的塑性,還可以進(jìn)一步發(fā)揮碳纖維傳遞載荷的作用,提高復(fù)合材料的高溫強(qiáng)度。無論是燒結(jié)態(tài)還是擠壓態(tài)SCFs/2024 Al復(fù)合材料,在碳纖維和Al基體的界面處都觀察到了較為劇烈的界面反應(yīng)。為了抑制界面處發(fā)生的碳鋁界面反應(yīng),在碳纖維表面通過Ti-I_2體系CVD工藝制備Ti鍍層,并在粉末冶金和熱擠壓工藝的研究基礎(chǔ)上,研究了鍍層的引入對(duì)SCFs/2024 Al復(fù)合材料界面及拉伸性能的影響。通過熱力學(xué)理論計(jì)算確定了當(dāng)Ti和I_2的摩爾比為1:1.6時(shí),TiI_3和TiI_2在反應(yīng)腔體內(nèi)的平衡濃度最大,最有利于Ti鍍層的沉積。XRD及Raman結(jié)果表明,在降溫過程中通入少量氧氣,可以使碳纖維表面的鍍層成分轉(zhuǎn)化為TiO_2和非晶C的組合。在900oC鍍層溫度下,鍍層的厚度會(huì)隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增加。在SCFs/2024 Al復(fù)合材料中,鍍層的引入可以有效緩解界面處的碳鋁界面反應(yīng),Al_4C_3的數(shù)量下降明顯。在復(fù)合材料中,碳纖維表面的鍍層轉(zhuǎn)變?yōu)門iC、TiO_2、MgO、Ti和非晶C的復(fù)雜成分。相較于擠壓態(tài)SCFs/2024 Al復(fù)合材料,鍍層SCFs/2024 Al復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和塑性得到較大提升,這是由于鍍層的引入改變了界面處的結(jié)構(gòu)。裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制可以調(diào)節(jié)復(fù)合材料界面處的應(yīng)力分布,避免界面處的應(yīng)力集中,從而延長(zhǎng)碳纖維有效傳遞載荷的時(shí)間,從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和塑性。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：P634.3
【部分圖文】：

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文27018米，是亞洲國(guó)家實(shí)施的最深大陸科學(xué)鉆井[7]。如今，我國(guó)將計(jì)劃進(jìn)一步提高鉆探能力，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)13000米的鉆探深度，更加近距離地聆聽地球的“心跳”。為實(shí)現(xiàn)這一遠(yuǎn)大目標(biāo)，除了進(jìn)一步提高深部科學(xué)鉆探裝備的荷載能力，還應(yīng)該力求在鉆桿柱、鉆頭、鉆井液材料以及鉆井工藝上取得更大突破。譬如，通過采用鋁合金等低密度材料，研制新型輕質(zhì)高強(qiáng)鉆桿，可以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有鉆機(jī)噸位的前提下，進(jìn)一步提高鉆孔深度。圖1.2“地殼一號(hào)”萬米鉆機(jī)整機(jī)系統(tǒng)（圖/新華社）[7]Figure1.2Drillrig‘Crustone’[7]在油氣資源鉆井及地質(zhì)鉆探工程中，鉆桿連接鉆機(jī)地表設(shè)備和位于鉆井底端鉆頭[8]。鉆桿的基本用途包括起下鉆頭、施加鉆壓、傳遞動(dòng)力、輸送鉆井液等[9]。盡管鉆桿在鉆井作業(yè)中屬于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的工具，但其重要性不言而喻。在井內(nèi)，鉆桿的工作條件十分嚴(yán)苛，要求其必須能夠承受一定的內(nèi)外壓、摩擦磨損、彎曲、扭曲、振動(dòng)和鉆井液腐蝕[4]。國(guó)際上，自地質(zhì)鉆探和油氣鉆井行業(yè)誕生以來，鋼鉆桿一直被廣泛應(yīng)用。然而，隨著鉆井行業(yè)的發(fā)展，鉆探深度逐步向萬米邁進(jìn)，傳統(tǒng)鋼鉆桿（如G105鋼鉆桿和S135鋼鉆桿）因其自重大、不耐酸腐蝕、有磁性等特點(diǎn)，已無法完全滿足超深井及特深井鉆探的需求[10,11]。例如，川渝氣田羅家2井發(fā)生的鉆具硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂以及克深1井發(fā)生的鉆具斷裂失效事故表明，常規(guī)的S135

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文6模具、擠壓工藝、擠壓液配比和擠壓針等進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。（2）熱處理及管體自動(dòng)矯直技術(shù)：為了保證鋁合金鉆桿管體在固溶過程中溫場(chǎng)均勻，需要備有大型的垂直淬火爐。在經(jīng)過固溶處理及淬火后，還需對(duì)管體進(jìn)行拉伸矯直處理，以消除縱向的彎曲變形及應(yīng)力。最后，在矯直后的16小時(shí)內(nèi)，必須對(duì)鋁合金鉆桿管體進(jìn)行人工時(shí)效處理。（3）螺紋加工：由于鋁合金硬度相較于鋼更低，鉆桿螺紋加工應(yīng)保證表面光潔度及尺寸公差，避免出現(xiàn)裂紋、毛刺等缺陷，影響螺紋的連續(xù)性和強(qiáng)度。（4）鉆桿與接頭的裝配技術(shù)：鋁合金鉆桿桿體和鋼接頭的裝配方式一般有兩種，即“熱裝配”和“冷裝配”技術(shù)。“熱裝配”時(shí)將鋼接頭升溫并使其體積膨脹，隨后將其裝配至鉆桿桿體上，通過霧化冷卻的方式實(shí)現(xiàn)鋼接頭與鉆桿桿體的過盈配合。與之相對(duì)應(yīng)地，“冷裝配”技術(shù)通常是將鉆桿桿體端部螺紋通過液氮浸泡等降溫方法使其體積收縮，與鋼接頭連接后恢復(fù)室溫即可實(shí)現(xiàn)過盈配合。與“熱裝配”技術(shù)相比，“冷裝配”技術(shù)所需的設(shè)備更加簡(jiǎn)單，接頭處抗扭轉(zhuǎn)性能更優(yōu)，鉆桿桿體與鋼接頭的接觸應(yīng)力更校更重要的是，通過“冷裝配”，不用擔(dān)心鋁合金因?yàn)椤盁嵫b配”中的高溫導(dǎo)致微觀組織上的轉(zhuǎn)變。圖1.3鋁合金鉆桿的生產(chǎn)制造流程[27,28]Figure1.3Schematicdiagramofaluminumalloydrillpipefabrication[27,28]在鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，吉林大學(xué)曹宇[29]將變斷面一次擠壓成型技術(shù)應(yīng)用到鋁合金內(nèi)加厚管體加工中，并成功擠壓出內(nèi)加厚鋁合金鉆桿管體。在鋼接

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文8量達(dá)7000m，最大鉆深達(dá)630m，總鉆進(jìn)時(shí)間接近6000小時(shí)。2009年，勘探技術(shù)研究所開始對(duì)地質(zhì)巖心鉆探用鋁合金鉆桿進(jìn)行研發(fā)。如圖1.5所示，2010年，隸屬于安徽地礦局的325鉆井隊(duì)在淮北彭橋煤礦進(jìn)行鋁合金鉆桿鉆進(jìn)試驗(yàn)，所使用的Φ52×7.5mm的外螺紋鋁合金鉆桿取得較好的試驗(yàn)結(jié)果，鉆進(jìn)總進(jìn)尺接近2000m，最大鉆深達(dá)到960m[27]。圖1.5Φ52×7.5mm鋁合金鉆桿地質(zhì)巖心鉆進(jìn)試驗(yàn)[27]Figure1.5GeologicalcoredrillingtestonΦ52×7.5mmaluminumdrillrods[27]2008年，國(guó)內(nèi)惠州HZ25-4油田大位移井作業(yè)中首次將鋁合金鉆桿與陶瓷保護(hù)襯套結(jié)合使用。如圖1.6所示，與常規(guī)鉆桿相比，使用鋁合金鉆具所受的側(cè)向力減少20%左右。使用鋁合金鉆桿可以有效降低起下鉆時(shí)的磨阻，下鉆時(shí)降低磨阻約28%，起鉆時(shí)降低磨阻約18%[34]。此外，鋁合金鉆桿在使用過程中具有良好的液壓傳送能力，在彎曲旋轉(zhuǎn)情況下具有優(yōu)良的抗疲勞性能。圖1.6鋁合金鉆桿和常規(guī)鉆桿鉆進(jìn)過程中所受側(cè)向力對(duì)比[34]Figure1.6Comparisoninlateralforcebetweenaluminumdrillpipeandnormaldrillpipe[34]
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