Các công cụ khai thác dầu dưới lòng đất hoạt động trong giếng sâu hàng nghìn mét, trong môi trường khắc nghiệt và điều kiện ứng suất phức tạp.Thông thường, các công cụ khai thác không chỉ phải chịu được ứng suất kéo và ứng suất uốn xoắn mà còn phải chịu được ma sát và va đập mạnh.Đồng thời, dụng cụ còn có khả năng chịu được nhiệt độ cao, áp suất cao và sự ăn mòn của môi trường.
Điều này đòi hỏi đặc tính vật liệu của công cụ khai thác hầm lò phải có đặc tính cơ học toàn diện tuyệt vời, không chỉ phải đảm bảo độ bền cao mà còn phải đảm bảo độ bền va đập tuyệt vời, đồng thời có khả năng chống ăn mòn bởi nước biển và bùn.Dựa trên các yêu cầu về hiệu suất của điều kiện làm việc của lỗ khoan, việc lựa chọn vật liệu cho các công cụ hạ cấp thường là thép kết cấu hợp kim có chứa các thành phần chống ăn mòn như Cr và Mo, sau đó thông qua các quy trình xử lý nhiệt và ủ thích hợp để đảm bảo đáp ứng độ bền và độ bền va đập. yêu cầu.Bài viết này tập trung vào quá trình xử lý chuỗi ống downhole.Khi một trong các phôi ống hướng trục làm bằng thép 40CrMnMo được tôi và tôi luyện, vết nứt nghiêm trọng đã xảy ra nhiều lần trong quá trình tôi, dẫn đến phôi bị loại bỏ và gây ra những tổn thất kinh tế nhất định.Để đạt được mục đích này, các nguyên nhân gây ra vết nứt dập tắt đã được phân tích từ các khía cạnh về thành phần hóa học, cấu trúc, quy trình xử lý nhiệt và hình thái vết nứt của vật liệu ống hướng trục, đồng thời đề xuất các biện pháp cải tiến và phòng ngừa.
1. Mô tả phôi bị hỏng: Nguyên liệu thô là vật liệu rèn rắn bằng thép 40CMnMo có đường kính φ200 mmx1 m.Quy trình xử lý: tiện thô → khoan và khoan (đến độ dày thành khoảng 20 mm) → làm nguội → ủ → hoàn thiện.Hình dáng của phôi ống hướng trục là một ống có chiều dài khoảng 1m, đường kính φ200 mm và độ dày thành 20 mm.
Quy trình xử lý nhiệt: đầu tiên đun nóng từ từ đến 500°C trong lò hộp, sau đó cho vào lò tắm muối để nung đến nhiệt độ nguội 860 ~ 880°C.Thời gian nung trong lò tắm muối khoảng 30 phút rồi làm nguội ở nhiệt độ khoảng 40-60°C.Ngâm trong dầu khoảng 10 phút.Sau khi lấy ra, ủ trong lò hộp và giữ ở nhiệt độ 600°C trong 10 giờ đồng thời để nguội trong lò.
Tình trạng vết nứt: Vết nứt phát triển dọc theo trục của ống trung tâm, nhìn thấy được từ mép và nứt theo chiều dày thành xuyên tâm.
2. Phát hiện và phân tích
2.1 Phát hiện thành phần hóa học: Phôi ống trục bị nứt đã được làm nguội được lấy mẫu bằng cách cắt dây một phần để phân tích thành phần.Thành phần hóa học của nó tuân thủ GB/T3077–1999 “Thành phần hóa học và tính chất cơ học của thép kết cấu hợp kim”.
2.2 Chuyên gia phát hiện và phân tích kim loại: Lấy hai mẫu ống trục được tôi và tôi luyện theo chiều dọc, xử lý nung (cách nhiệt ở 850°C trong 15 giờ và làm nguội trong lò), sau đó đánh bóng bằng giấy nhám và đánh bóng trên máy đánh bóng, sử dụng axit nitric 4 % và rượu rồi quan sát cấu trúc kim loại.Mẫu 2 được mài trực tiếp bằng giấy nhám, sau đó đánh bóng và ăn mòn, quan sát cấu trúc kim loại của nó.So sánh cấu trúc kim loại phát hiện được với GBT 13299-1991 “Phương pháp đánh giá vi cấu trúc của thép”, nhận thấy cấu trúc dải ở mẫu 1 thuộc loại 3 đến 4, trong đó màu trắng là ferit eutectoid và màu xám đen là ngọc trai.cơ thể, cấu trúc ngọc trai chiếm khoảng 60%, cao hơn.Cấu trúc kim loại của mẫu 2 là troostite được tôi luyện và một lượng nhỏ troostite được tôi luyện.
3. Phân tích nguyên nhân nứt và giải pháp
3.1 Hình dạng vết nứt và quá trình xử lý nhiệt: Quan sát hình dạng vết nứt trong ống trục.Đó là một vết nứt dọc.Nó xảy ra dọc theo hướng trục và vết nứt sâu.Thậm chí còn thấy rõ vết nứt đã nứt dọc theo hướng xuyên tâm ở mép ống trục.Người ta kết luận rằng ứng suất gây ra vết nứt của ống trục là ứng suất kéo tiếp tuyến bề mặt, gây ra bởi ứng suất kết cấu sau này.Đồng thời, do vật liệu của ống hướng trục là thép kết cấu hợp kim cacbon trung bình nên ứng suất kết cấu cũng chiếm ưu thế trong quá trình tôi.Sự biến đổi Martensitic xảy ra và độ dẻo giảm mạnh.Tại thời điểm này, ứng suất kết cấu tăng mạnh, do đó ứng suất kéo hình thành trên bề mặt phôi do ứng suất bên trong nguội vượt quá cường độ của thép trong quá trình làm nguội, gây ra vết nứt, thường xảy ra ở phần được làm nguội hoàn toàn.Sự xuất hiện của các vết nứt như vậy chủ yếu là do ứng suất kết cấu lớn gây ra bởi quá trình làm nguội không đúng cách.Vì nhiệt độ làm nguội của ống trục là 860 ~ 880oC, tương đối cao nên nó nhanh chóng được đưa vào dầu làm nguội ở nhiệt độ 40 ~ 60oC.Khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chuyển tiếp Ms, nhiệt độ gia nhiệt nguội cao.Ứng suất nhiệt lớn và khi làm mát dưới nhiệt độ biến đổi MS, nhiệt độ dầu làm nguội tương đối thấp và thời gian làm nguội là 10 phút tương đối dài.Trong quá trình làm nguội nhanh, nhiều martensite được tạo ra.Ngược lại, thể tích riêng khác nhau của các cấu trúc khác nhau sẽ tạo ra ứng suất mô lớn hơn, đây là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng dập tắt vết nứt của ống trục.
3.2 Tính đồng nhất của cấu trúc nguyên liệu thô: Qua phân tích kim loại của mẫu bị chặn 1 sau khi ủ (cách nhiệt ở 850°C trong 15 giờ và làm nguội trong lò), nhận thấy ống trục có vết nứt vẫn có các dải rõ ràng sau khi ủ.Sự tồn tại của sự phân tách mô giống như dải cho thấy rằng bản thân vật liệu đồng có sự phân tách mô giống như dải nghiêm trọng và cấu trúc không đồng đều.Sự tồn tại của cấu trúc dạng dải sẽ làm tăng xu hướng làm nguội vết nứt của phôi.Các tài liệu liên quan chỉ ra rằng cấu trúc dạng dải trong thép hợp kim cacbon thấp và trung bình đề cập đến cấu trúc dạng dải được hình thành dọc theo hướng cán hoặc hướng rèn của thép.Các dải chủ yếu bao gồm proeutectoid ferit và các dải chủ yếu bao gồm ngọc trai xếp chồng lên nhau.Cấu trúc đúc là một cấu trúc khiếm khuyết thường xuất hiện ở thép.Do thép nóng chảy kết tinh có chọn lọc trong quá trình kết tinh phôi để tạo thành cấu trúc dendrite với các thành phần hóa học phân bố không đều, nên các dendrit thô trong phôi bị kéo dài dọc theo hướng biến dạng trong quá trình cán hoặc rèn và dần dần trở nên nhất quán với hướng biến dạng., do đó hình thành các dải (dải) cacbon và hợp kim nghèo và các dải nghèo xếp xen kẽ với nhau.Trong điều kiện làm lạnh chậm, các dải cacbon và các nguyên tố hợp kim đã cạn kiệt (austenite quá lạnh có độ ổn định thấp hơn) kết tủa ferit proeutectoid và thải lượng cacbon dư vào các vùng được làm giàu ở cả hai phía, cuối cùng tạo thành một vùng bị chi phối bởi ferit: một nguyên tố cacbon và hợp kim vùng được làm giàu, trong đó austenite siêu lạnh ổn định hơn Sau đó, một dải chủ yếu bao gồm ngọc trai được hình thành, do đó tạo thành một cấu trúc giống như dải trong đó các dải chủ yếu là ferit và các dải gồm ngọc trai xen kẽ với nhau.Các cấu trúc vi mô khác nhau của các dải liền kề trong cấu trúc dải của ống hướng trục, cũng như sự khác biệt về hình thái và cấp độ của cấu trúc dải, làm cho hệ số giãn nở và chênh lệch thể tích riêng trước và sau khi thay đổi pha tăng lên trong quá trình xử lý nhiệt và quá trình dập tắt của ống trục, dẫn đến ứng suất tổ chức lớn cuối cùng sẽ làm tăng độ biến dạng dập tắt của ống trục.Nếu quá trình dập tắt không đúng cách, xu hướng cấu trúc dải gây biến dạng và nứt khi dập tắt sẽ tăng lên, dễ gây ra vết nứt khi dập tắt.
3.3 Giải pháp và tác dụng: Qua phân tích nguyên nhân gây nứt ống trục trong quá trình tôi, trước tiên chúng tôi cải tiến quá trình tôi và xử lý nhiệt, giảm nhiệt độ tôi khoảng 10°C, đồng thời tăng nhiệt độ dầu tôi lên khoảng 90°C.Đồng thời, thời gian của ống trục trong dầu tôi cũng được rút ngắn.Kết quả cho thấy ống hướng trục không bị nứt trong quá trình tôi.Có thể thấy, nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nứt dập ống trục là do quá trình dập nguội không đúng cách, cấu trúc dạng dải trong nguyên liệu thô sẽ làm tăng xu hướng dập tắt vết nứt của ống trục, nhưng đó không phải là nguyên nhân chính. của việc dập tắt vết nứt.Một thử nghiệm bịt kín đã được tiến hành trên ống hướng trục và nó có thể duy trì áp suất ổn định trong 10 phút ở áp suất 3500 psi (tương đương 24 MPa), đáp ứng đầy đủ các yêu cầu bịt kín của dụng cụ hạ cấp.
4. Kết luận
Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nứt dập của ống trục là do quá trình dập nguội không đúng cách và cấu trúc dạng dải trong nguyên liệu thô làm tăng xu hướng nứt dập của ống trục, nhưng nó không phải là nguyên nhân chính gây ra nứt dập.Sau khi cải tiến quy trình xử lý nhiệt, ống trục không còn bị nứt trong quá trình làm nguội và khi tiến hành thử nghiệm bịt kín trên ống trục, áp suất có thể ổn định trong 10 phút ở 3500 psi (tương đương 24MPa), tuân thủ đầy đủ các yêu cầu của yêu cầu niêm phong của các công cụ downhole.Để tránh ống trục bị nứt trong quá trình dập tắt, Lưu ý:
1) Kiểm soát tốt nguyên liệu thô.Yêu cầu cấu trúc dải trong nguyên liệu thô là 3, các khuyết tật khác nhau trong nguyên liệu thô như độ lỏng, sự phân tách, tạp chất phi kim loại, v.v. phải đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn và thành phần hóa học và cấu trúc vi mô phải đồng nhất.
2) Giảm căng thẳng gia công.Đảm bảo lượng cấp liệu hợp lý để giảm ứng suất dư trong gia công hoặc thực hiện ram hoặc chuẩn hóa trước khi tôi để loại bỏ ứng suất gia công.
3) Chọn quy trình làm nguội hợp lý để giảm ứng suất kết cấu và ứng suất nhiệt.Giảm nhiệt độ làm nguội một cách thích hợp và tăng nhiệt độ dầu làm nguội lên khoảng 90°C.Đồng thời, thời gian lưu của ống trục trong dầu tôi cũng được rút ngắn.
Thời gian đăng: 28-05-2024