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石油钻具耐磨材料的发展与应用

摘要：分析了石油钻具耐磨带的工作原理、性能特点与影响因素，评述了石
油钻杆接头耐磨带堆焊材料的发展，介绍了石油钻具耐磨带堆焊材料的应用。材
料特性是影响耐磨带性能的核心影响因素。“材料控制性能”理论，在钻杆接头
耐磨带技术发展过程中起到积极的推动作用。
关键词：耐磨带焊材；钻杆耐磨；发展

引言
钻杆接头耐磨带以其一定的耐磨性和减磨性，保护钻杆接头和套管免遭强烈
的磨损，在深井钻井、大位移井钻井和大斜度井钻井工程中获得了推广应用，而
且接头耐磨带技术已经成为国际重大石油工程项目招标中，投标方中标的必备技
术条件之一。从机理上讲，钻杆接头耐磨带的作用是利用自身及其耐磨性，将钻
杆外壁和套管内壁隔离，使钻杆不与套管壁或井壁直接接触，以保护钻杆接头和
套管免遭强烈的磨损。然而，实际情况并不简单，耐磨带的出现，将钻杆接头与
套管内壁接触摩擦，转换为耐磨带与套管内壁的接触摩擦。它们之间的摩擦磨损，
不仅取决于两个接触体材料的特性及其匹配行为，同时还受到钻井过程中诸多因
素的影响。
近年来，在多种可供选用的套管防磨技术之中，操作方便和效果最好者首推

接头耐磨带。研究表明，接头耐磨带性能(含与套管材料的匹配性能)的优化与改
善，是防止套管强烈磨损的关键技术措施。事实上，自从耐磨带技术问世以来，
随着现场应用中出现问题的逐步克服，新型耐磨带专用堆焊材料不断被推出，耐
磨带的材料品种已经发生了质的变化。应当看到，是堆焊材料的创新推动了耐磨
带技术的进步与发展，而耐磨带技术的进步，则促进了钻井工程及其应用的稳步

发展。那么，这些堆焊材料的创新点及其关键技术在哪里?堆焊材料控制接头耐
磨带性能的机理又是怎样的?为此，本文特意将典型堆焊材料与接头耐磨带磨损
特性相联系，综合评述耐磨带堆焊材料的发展及其应用。该项工作对推动钻杆接
头耐磨带技术的进一步完善，提高钻具使用寿命，具有积极意义和参考价值。
1、石油钻杆接头耐磨带工作原理与性能影响因素
1．1耐磨带工作原理
钻杆接头耐磨带实质上是一个沿接头圆周方向，具有一定宽度和一定厚度的
隔离带。通过这个隔离带，使钻杆接头外壁和套管壁或井壁隔离，避免钻杆接头
与套管壁或井壁直接接触，以保护钻杆接头和套管免遭强烈磨损。耐磨带的工况
条件比较复杂，性能要求比较苛刻，应当具有良好的综合抗磨性能。所谓综合抗
磨性能，是指具有较高耐磨性的同时还必须具有适度的减磨性。最佳的耐磨性与
减磨性之间存在一定的匹配关系，上述技术指标之间以及与摩擦系数之间的函数
关系的量化确立，可能对于耐磨带焊接材料性能的重大突破具有重要参考价值。

1．2耐磨带性能影响因素
接头耐磨带性能影响因素较多，总体上有三大因素：

1．2．1载荷力的影响
在钻井过程中，凡是增大钻杆接头与套管内壁(或井壁)接触力的因素，都会
加剧磨损发生。如在“狗腿”度大的井段，接头与套管内壁接触压力相对增大，此
时无论是耐磨带还是套管内壁(或井壁)，其磨损现象就会加剧。
1．2．2摩擦系数的影响
在钻井过程中，凡是增大接头与套管内壁摩擦系数的因素，都会加剧磨损发
生。如润滑剂品种或加入量不合适、转盘转速增大以及温度过高或过低时，其磨
损现象也会加剧。

1．2．3耐磨带与套管(或井壁)材料特性的影响
根据摩擦学中的“吸附膜”理论，对于钻杆钢与岩石形成的摩擦副，两者之间
很难形成吸附膜，摩擦系数主要取决于摩擦副材料的表面特性，而摩擦副其表面
特性是稳定的，摩擦系数受载荷的影响较小。对于钻杆与套管钢形成的摩擦副，
两者之间比较容易形成吸附膜，当施加正压力时，随吸附膜逐渐被破坏，摩擦副
表面特性对摩擦系数形成的贡献越来越大，摩擦系数受载荷的影响较大。凡是增
大摩擦系数的材料特性，都会加剧磨损发生。
在上述接头耐磨带性能影响因素中，前两个是外在因素，最后一个是内在
因素，外因通过内因起作用。也就是说，无论是载荷力的影响，还是摩擦系数的
影响，最终要反映到耐磨带与套管(或井壁)材料特性的影响上，材料特性是核心
影响因素。在这里，套管(或井壁)材料特性是被预先选定的(如套管的材质)，可
以改变材料特性的主要是耐磨带。而耐磨带特性的改变，归根结底取决于堆焊材
料成分、组织和性能的变化，以及配套堆焊工艺的严格实施。

2、石油钻杆接头耐磨带堆焊材料的发展
早期研制的耐磨接头被设在钻柱任意位置，主要用来减轻钻井过程中钻柱的
扭矩。后来有人将耐磨带移至钻柱接头部位，减少了钻柱联接接头数量，提高了

钻具的使用寿命，开创了耐磨带技术新时期。上世纪30年代，有人采用钨钴系
列硬质合金耐磨带，如碳化钨等。碳化钨耐磨带在裸眼中能较好地保护钻杆，但
堆层组织中高硬度的碳化钨颗粒对套管产生较大的磨损，影响钻井工程进度和经
济效益。为此，在国际钻井工程招标中或国