تعمل أدوات تعدين النفط تحت الأرض في آبار بعمق آلاف الأمتار، في بيئات قاسية وظروف إجهاد معقدة. عادةً، يجب أن تتحمل أدوات التعدين ليس فقط إجهاد الشد والانحناء الالتوائي، بل أيضًا الاحتكاك والصدمات القوية. كما تتحمل أيضًا درجات الحرارة العالية والضغط العالي والتآكل البيئي.
يتطلب هذا أن تتمتع أدوات التعدين تحت الأرض بخصائص ميكانيكية شاملة ممتازة، مما يضمن قوة عالية ومتانة ممتازة للصدمات، بالإضافة إلى مقاومتها للتآكل الناتج عن مياه البحر والطين. ونظرًا لمتطلبات أداء ظروف العمل في قاع البئر، فإن اختيار مادة الأدوات عادةً ما يكون من الفولاذ الهيكلي السبائكي الذي يحتوي على عناصر مقاومة للتآكل مثل الكروم والموليبدينوم، ثم يخضع لعمليات المعالجة الحرارية والتخمير المناسبة لضمان استيفائه لمتطلبات القوة ومتانة الصدمات. تركز هذه المقالة على عملية معالجة سلسلة الأنابيب في قاع البئر. عند تبريد إحدى قطع العمل المحورية المصنوعة من فولاذ 40CrMnMo وتخميرها، حدثت تشققات شديدة عدة مرات أثناء عملية التبريد، مما أدى إلى تفكيك القطعة وتسبب في خسائر اقتصادية. ولهذا الغرض، تم تحليل أسباب تشققات التبريد من جوانب التركيب الكيميائي والبنية وعملية المعالجة الحرارية وشكل التشقق في مادة الأنبوب المحوري، واقتُرحت تحسينات وإجراءات وقائية.
١. وصف قطعة العمل المعطوبة: المادة الخام عبارة عن مادة تشكيل صلبة من فولاذ 40CMnMo، بقطر φ200 مم × 1 متر. تسلسل العملية: خراطة خشنة ← حفر وتجويف (حتى سُمك جدار حوالي 20 مم) ← تبريد ← تلطيف ← تشطيب نهائي. شكل قطعة العمل الأنبوبية المحورية عبارة عن أنبوب بطول متر واحد تقريبًا، وقطر φ200 مم، وسمك جدار 20 مم.
عملية المعالجة الحرارية: يُسخّن المعدن تدريجيًا إلى 500 درجة مئوية في فرن صندوقي، ثم يُوضع في فرن حمام ملحي لتسخينه إلى درجة حرارة إخماد تتراوح بين 860 و880 درجة مئوية. مدة التسخين في فرن حمام الملح حوالي 30 دقيقة، ثم يُخمّد عند درجة حرارة تتراوح بين 40 و60 درجة مئوية. يُطهى في الزيت لمدة 10 دقائق تقريبًا. بعد إخراجه، يُسخّن في فرن صندوقي ويُحفظ عند درجة حرارة 600 درجة مئوية لمدة 10 ساعات أثناء تبريده.
حالة الشق: يتطور الشق على طول محور الأنبوب المركزي، ويمكن رؤيته من الحافة، وقد تشقق في اتجاه سمك الجدار الشعاعي.
2. الكشف والتحليل
٢.١ الكشف عن التركيب الكيميائي: أُخذت عينة من قطعة العمل الأنبوبية المحورية المتشققة والمُخمّدة بقطع سلكي جزئي لتحليل تركيبها. يتوافق تركيبها الكيميائي مع المعيار GB/T3077-1999 "التركيب الكيميائي والخصائص الميكانيكية للفولاذ الهيكلي السبائكي".
٢.٢ خبراء في الكشف والتحليل المعدني: أُخذت عينتان من الأنبوب المحوري المُخمّد والمُقسّى طوليًا، وعُولجتا بالنار (عُزلتا عند درجة حرارة ٨٥٠ درجة مئوية لمدة ١٥ ساعة وبُرّدتا في الفرن)، ثم صُقلتا بورق الصنفرة، ثم صُقلتا على آلة تلميع، باستخدام حمض النيتريك ٤٪ وكحول، ولاحظتا بنيتهما المعدنية. صُقلت العينة ٢ مباشرةً بورق الصنفرة، ثم صُقلت وتآكلت، ورُصدت بنيتها المعدنية. بمقارنة البنية المعدنية المُكتشفة مع GBT ١٣٢٩٩-١٩٩١ "طريقة تقييم البنية الدقيقة للصلب"، وُجد أن البنية الشريطية في العينة ١ كانت من الدرجة ٣ إلى ٤، حيث كان اللون الأبيض منها فيريت يوتكتيدي، واللون الرمادي الأسود لؤلؤيًا. في الجسم، تُشكّل بنية البيرليت حوالي ٦٠٪، وهي نسبة أعلى. البنية المعدنية للعينة ٢ هي تروستيت مُقسّى وكمية صغيرة منه.
3. تحليل أسباب التشقق والحلول
٣.١ شكل الشق وعملية المعالجة الحرارية: لاحظ شكل الشق في الأنبوب المحوري. إنه شق طولي، ويحدث على طول الاتجاه المحوري ويكون الشق عميقًا. من الواضح أيضًا أن الشق قد تشقق على طول الاتجاه الشعاعي على حافة الأنبوب المحوري. يُستنتج أن الإجهاد المسبب لتشقق الأنبوب المحوري هو إجهاد الشد الظاهري السطحي، والذي ينتج عن الإجهاد الهيكلي اللاحق. في الوقت نفسه، ولأن مادة الأنبوب المحوري هي فولاذ هيكلي من سبائك الكربون المتوسطة، فإن الإجهاد الهيكلي يهيمن أيضًا أثناء عملية الإخماد. يحدث تحول مارتنسيتي وتنخفض اللدونة بشكل حاد. في هذا الوقت، يزداد الإجهاد الهيكلي بشكل حاد، بحيث يتجاوز إجهاد الشد المتشكل على سطح قطعة العمل بسبب الإجهاد الداخلي للإخماد قوة الفولاذ أثناء التبريد، مما يتسبب في حدوث تشقق، والذي يحدث غالبًا في الجزء المُخمد بالكامل. يحدث حدوث مثل هذه الشقوق بشكل رئيسي بسبب الإجهاد الهيكلي الكبير الناتج عن عملية التبريد غير السليمة. نظرًا لأن درجة حرارة تسخين التبريد لأنبوب المحور تتراوح بين 860 و880 درجة مئوية، وهي مرتفعة نسبيًا، يتم وضعه بسرعة في زيت التبريد بدرجة حرارة تتراوح بين 40 و60 درجة مئوية. عندما تكون درجة الحرارة أعلى من درجة حرارة انتقال MS، تكون درجة حرارة تسخين التبريد عالية. يكون الإجهاد الحراري كبيرًا، وعند التبريد تحت درجة حرارة تحويل MS، تكون درجة حرارة زيت التبريد منخفضة نسبيًا، ويكون وقت التبريد البالغ 10 دقائق طويلًا نسبيًا. أثناء عملية التبريد السريع، يتم إنتاج المزيد من المارتنسيت. تؤدي الأحجام المحددة المختلفة للهياكل المختلفة بدورها إلى إجهاد نسيجي أكبر، وهو أحد أسباب تشقق التبريد لأنبوب المحور.
٣.٢ تجانس بنية المادة الخام: من خلال التحليل المعدني للعينة المعترضة ١ بعد التلدين (عزل عند ٨٥٠ درجة مئوية لمدة ١٥ ساعة وتبريد في الفرن)، وُجد أن الأنبوب المحوري المشقق لا يزال يحتوي على أشرطة واضحة بعد التلدين. يشير وجود انقسام نسيجي شريطي إلى أن مادة النحاس نفسها تعاني من انقسام نسيجي شريطي خطير وبنية غير متساوية. سيؤدي وجود بنية شريطية إلى زيادة احتمالية تشقق قطعة العمل نتيجة التبريد. تشير الدراسات ذات الصلة إلى أن البنية الشريطية في الفولاذ السبائكي منخفض ومتوسط الكربون تشير إلى البنية الشريطية المتشكلة على طول اتجاه الدرفلة أو اتجاه التشكيل للفولاذ. تتكون الأشرطة بشكل رئيسي من فيريت برويوتكتويد، والأشرطة المكونة بشكل رئيسي من بيرليت، وتكون متراصة فوق بعضها البعض. يُعد الهيكل المصبوب هيكلًا معيبًا يظهر غالبًا في الفولاذ. لأن الفولاذ المنصهر يتبلور بشكل انتقائي أثناء عملية تبلور السبيكة لتشكيل بنية شجيرية ذات مكونات كيميائية موزعة بشكل غير متساوٍ، فإن الشجيريات الخشنة في السبيكة تطول على طول اتجاه التشوه أثناء الدرفلة أو التشكيل وتصبح تدريجيًا متسقة مع اتجاه التشوه. ، وبالتالي تشكيل نطاقات مستنفدة (شرائط) من الكربون وعناصر السبائك والنطاقات المستنفدة مكدسة بالتناوب مع بعضها البعض. في ظل ظروف التبريد البطيء، تترسب النطاقات المستنفدة من الكربون وعناصر السبائك (الأوستينيت المبرد أكثر من اللازم لديه استقرار أقل) فيريت برويوتكتويد، وتفرغ الكربون الزائد في المناطق المخصبة على كلا الجانبين، مما يؤدي في النهاية إلى تشكيل منطقة يهيمن عليها الفريت: منطقة مخصبة بالكربون وعناصر السبائك، والتي يكون الأوستينيت المبرد للغاية أكثر استقرارًا بعد ذلك، يتم تشكيل شريط يتكون بشكل أساسي من بيرليت، وبالتالي تشكيل بنية تشبه الشريط حيث تتناوب النطاقات المكونة بشكل أساسي من الفريت والنطاقات المكونة من بيرليت مع بعضها البعض. يؤدي اختلاف البنية الدقيقة للأشرطة المتجاورة في بنية الأنبوب المحوري، بالإضافة إلى اختلاف شكلها ودرجتها، إلى زيادة معامل التمدد والفرق في الحجم النوعي قبل وبعد تغير الطور أثناء المعالجة الحرارية والتبريد، مما يؤدي إلى زيادة الضغط التنظيمي الكبير في النهاية في تشوه الأنبوب المحوري الناتج عن التبريد. إذا كانت عملية التبريد غير سليمة، فإن ميل بنية الشريط إلى التسبب في تشوه التبريد والتشقق سيزداد، مما يسهل حدوث تشقق التبريد.
3.3 الحلول والآثار: من خلال التحليل أعلاه لأسباب تشقق الأنبوب المحوري أثناء عملية التبريد، قمنا أولاً بتحسين المعالجة الحرارية وعملية التبريد، وخفض درجة حرارة التبريد بحوالي 10 درجات مئوية، وزيادة درجة حرارة زيت التبريد إلى حوالي 90 درجة مئوية. في الوقت نفسه، يتم أيضًا تقصير وقت أنبوب المحور في زيت التبريد. أظهرت النتائج أن الأنبوب المحوري لم يتشقق أثناء التبريد. يمكن ملاحظة أن السبب الرئيسي لتشقق التبريد للأنبوب المحوري هو عملية تبريد غير مناسبة، وسيزيد الهيكل الشبيه بالشريط في المادة الخام من ميل تشقق التبريد للأنبوب المحوري، ولكنه ليس السبب الرئيسي لتشقق التبريد. تم إجراء اختبار الختم على الأنبوب المحوري، وكان قادرًا على الحفاظ على ضغط ثابت لمدة 10 دقائق عند ضغط 3500 رطل لكل بوصة مربعة (ما يعادل 24 ميجا باسكال)، والذي يلبي تمامًا متطلبات الختم لأدوات البئر.
4 الخاتمة
السبب الرئيسي لتشقق الأنبوب المحوري الناتج عن الإخماد هو عملية إخماد غير سليمة، كما أن البنية الشبيهة بالشريط في المادة الخام تزيد من ميل الأنبوب المحوري للتشقق الناتج عن الإخماد، ولكنها ليست السبب الرئيسي. بعد تحسين عملية المعالجة الحرارية، توقف الأنبوب المحوري عن التشقق أثناء الإخماد، وعند إجراء اختبار إحكام الغلق عليه، أمكن تثبيت الضغط لمدة 10 دقائق عند 3500 رطل/بوصة مربعة (ما يعادل 24 ميجا باسكال)، وهو ما يتوافق تمامًا مع متطلبات إحكام الغلق لأدوات الحفر. لمنع تشقق الأنبوب المحوري أثناء عملية الإخماد، يُرجى ملاحظة ما يلي:
١) مراقبة دقيقة للمواد الخام. يجب أن تكون بنية الشريط في المواد الخام ≤٣، وأن تتوافق العيوب المختلفة في المواد الخام، مثل الرخوة والانفصال والشوائب غير المعدنية، مع المتطلبات القياسية، وأن يكون التركيب الكيميائي والبنية الدقيقة متجانسين.
٢) تقليل إجهاد التشغيل. تأكد من توفير كمية مناسبة من التغذية لتقليل إجهاد التشغيل المتبقي، أو قم بإجراء عملية التطبيع أو التلطيف قبل الإطفاء للتخلص من إجهاد التشغيل.
٣) اختر عملية تبريد مناسبة لتقليل الإجهاد الهيكلي والإجهاد الحراري. خفّض درجة حرارة تسخين التبريد بشكل مناسب، وارفع درجة حرارة زيت التبريد إلى حوالي ٩٠ درجة مئوية. في الوقت نفسه، يُقلّل ذلك من زمن بقاء أنبوب المحور في زيت التبريد.
وقت النشر: ٢٨ مايو ٢٠٢٤