摘要
针对铝合金钻杆材料耐磨性差和耐腐蚀性差，以及坚硬地层钻进难等钻探难题，本文研究了玄武岩纤维对7075铝合金钻杆材料和WC基金刚石复合材料的性能影响，通过粉末冶金和热压烧结制备了铝基复合材料和胎体，并对其性能进行测试和研究。结果表明，玄武岩纤维/7075铝基复合材料的力学性能和耐腐蚀性能得到提升，玄武岩纤维的加入降低了胎体的磨耗比，提升了胎体的密实度、导热系数和金刚石把持力。本文还对玄武岩纤维在套管和油管领域的应用研究进行了总结和展望。
玄武岩纤维（Basalt fiber，以下简称BF）是玄武岩经高温熔融状态下快速拉丝制成的连续非金属纤维，强度高，耐磨损，耐高温，化学稳定性
| 纤维种类 | 抗拉强度/MPa | 弹性模量/GPa | 断裂伸长率/% | 最高使用温度/℃ | 价格/（万元· |
|---|---|---|---|---|---|
| 玄武岩纤维 | 2000~4840 | 80~100 | 2~3 | 700 | 3 |
| 碳纤维 | 3000~6500 | 230 | 1.5~2 | 600 | 12 |
| 氧化铝纤维 | 1500~3500 | 200~385 | 1.5~2.5 | 1400 | 1 |
| 碳化硅纤维 | 3450 | 200 | 1.4~1.8 | 1000 | 12 |
| 硼纤维 | 3200~5200 | 350~400 | 1200 | 600 |
钻井工程面临着高地温、高地应力、坚硬地层和强腐蚀环境等复杂的工况，钻孔深度和钻进难度的提高导致对钻具性能的要求也越来越
此外，一些特殊地层的钻进难题一直受到研究者的关注，如“打滑”地层，即坚硬致密弱研磨性地层，利用孕镶金刚石钻头钻进“打滑”地层时，由于地层研磨性弱，胎体中的金刚石难以出露，钻头唇面被抛光而无法有效进尺，钻进效率急剧降低，钻头提前失效。对此，已有大量的学者进行了各方面的研究，包括胎体性能调控、钻头结构设计等方
目前，作者所在研究团队已经将取之于岩浆岩的BF用于地下岩层钻进的轻质铝合金复合钻杆材
选择商用7075铝合金粉制备基体材料，选用单丝直径为13 μm的BF无捻粗纱制备增强相，通过短切、球磨和筛分得到长度约为60 μm的短纤维，铝粉和纤维的成分如
| 7075 铝粉 | Cu | Mg | Zn | Mn | Fe | Si | Al | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.53 | 2.32 | 5.72 | 0.01 | 0.15 | 0.28 | 余量 | ||
| BF | SiO2 | Al2O3 | TFe2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | TiO2 |
| 51.22 | 16.92 | 9.03 | 9.77 | 7.2 | 1.85 | 2.04 | 1.75 |
对复合材料的硬度、抗拉强度、延伸率、耐磨性能和耐腐蚀性能等衡量钻杆性能的重要指标进行测试，其中：硬度采用显微硬度计进行测试，载荷为100 g，保压15 s；抗拉强度和延伸率采用DDL100型电子万能试验机进行测试，样品在测试前利用砂纸打磨2000目，并利用无水乙醇超声清洗，拉伸速率设置为0.5 mm/min；耐磨性能采用美国CETR公司生产的UMT-2型摩擦磨损试验机进行圆周式磨损测试，样品在测试前利用砂纸打磨2000目，并利用无水酒精超声清洗，载荷设定15 N，摩擦速率为200 r/min，圆周式磨损直径为2 mm，测试时间20 min；耐腐蚀性能通过浸泡腐蚀实验进行评价，向去离子水中加入2 wt.%的膨润土、0.5 wt.%的Na-CMC和3 wt.%的NaCl，用NaOH将pH值调节至10.0，将样品在其中浸泡7 d，记录腐蚀后的质量损失。
测试结果如
| 材料 | 显微硬度/HV | 抗拉强度/MPa | 延伸率/% | 摩擦系数 | 腐蚀质量损失/（mg·c |
|---|---|---|---|---|---|
| 7075铝合金 | 93.6 | 478.5 | 3.1 | 0.46 | 2.0 |
| BF-7075复合材料 | 105.4 | 465 | 4.5 | 0.44 | 0.8 |
胎体选用WC基配方，WC作为骨架材料，663-Cu作为粘结材料，添加Ni、Co、Mn作为基体调节材料，BF作为WC的骨架弱化材料。使用球磨后的BF与胎体粉进行混料，采用热压烧结工艺制备样品，烧结参数为980 ℃，15 MPa下保温保压4 min。分别制备了不含金刚石的纯胎体和金刚石体积浓度为20%的孕镶钻头材料，BF添加量分别为0 wt.%、1 wt.%、3 wt.%和5 wt.%，各组样品的胎体成分如
| BF添加量 | WC | 663-Cu | Ni | Co | Mn |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 54 | 35 | 5 | 3 | 3 |
| 1 | 53 | 35 | 5 | 3 | 3 |
| 3 | 51 | 35 | 5 | 3 | 3 |
| 5 | 49 | 35 | 5 | 3 | 3 |
使用HXD 1000TM/LCD型显微硬度计和DDL-100型万能试验机对不同BF含量的纯胎体的显微硬度和抗弯强度进行测试，显微硬度测试参数为压力500 g，保压15 s，弯曲试验的加载速度为0.1 mm/min。硬度和抗弯强度测试结果如
图1 不同BF含量的纯胎体的显微硬度和抗弯强度
对含金刚石的钻头样品进行性能测试：使用DHM-2型磨耗比测试仪对含金刚石的钻头样品的耐磨性进行测试，摩擦副选用SiC砂轮，摩擦线速度15 m/s，加载压力为300 g，样品摆动频率设置为35 Hz，记录试验前后砂轮与样品的失去质量之比得到钻头材料的磨料比；采用阿基米德排水法计算样品的密实度；采用Hot Disk公司的TPS2500S型Thermal Constants Analyser测试样品的导热性，采用单面测试法，测试功率1.8 W，测试时间10 s；使用万能试验机测试样品的抗弯强度，并根据抗弯强度计算胎体对金刚石的把持力，把持力系数由
| (1) |
式中：σD和σB——分别为含金刚石样品和纯胎体样品的抗弯强度，MPa。
含金刚石胎体性能测试结果如
| BF含量/wt.% | 磨耗比 | 密实度/% | 导热系数/ [W·(mK | 把持力系数/% |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 1495 | 97.7 | 13.93 | 41 |
| 1 | 1264 | 98.0 | 18.43 | 53 |
| 3 | 972 | 96.9 | 15.02 | 46 |
| 5 | 966 | 96.7 | 8.91 | 38 |
综合上述实验结果，当添加适量的BF时（1 wt.%），既能实现对钻头胎体的弱化，又能提高胎体对金刚石的把持力，使得钻头在“打滑”地层钻进时，既能保证金刚石及时出露，又能保证金刚石不至于过快地脱落，最大程度上提高钻头的钻进效率和使用寿命。
BF管材制备时，是将纤维连续缠绕在模具上，加入聚合粘结剂，在成型之后卸下模具并切割成所需的长度。目前，油气钻井领域常用的套管和油管多为碳钢或合金钢管材，
| 外径/mm | 壁厚/mm（最小值） | 抗挤强度/MPa | 延性断裂强度/MPa（取aN=5） |
|---|---|---|---|
| 114.30 | 6.35 | 52.2 | 84.9 |
| 127.00 | 7.52 | 61.0 | 90.7 |
| 139.70 | 7.72 | 51.5 | 84.4 |
| 168.28 | 8.94 | 46.4 | 81.0 |
| 177.80 | 9.19 | 42.9 | 78.8 |
| 193.68 | 9.53 | 36.9 | 74.7 |
| 244.48 | 11.05 | 30.5 | 68.4 |
| 273.05 | 11.43 | 25.2 | 63.2 |
| 298.45 | 12.42 | 24.9 | 62.8 |
| 339.72 | 12.19 | 16.1 | 53.9 |
| 406.40 | 16.66 | 23.9 | 61.9 |
| 外径/mm | 壁厚/mm（最小值） | 抗挤强度/MPa | 延性断裂强度/MPa（取aN =5） |
|---|---|---|---|
| 52.40 | 5.72 | 147.3 | 174.7 |
| 60.32 | 4.83 | 111.1 | 124.8 |
| 73.02 | 5.51 | 100.2 | 117.3 |
| 88.90 | 6.45 | 93.2 | 112.5 |
在油气钻井领域，套管的使用环境中常伴有H2S、CO2等气体，而在海洋钻井中，套管受海水侵蚀同样极易发生腐蚀，因此，质量轻、耐腐蚀性强的BF管材必然会得到越来越多的关注和应用研究。
本文总结了BF在国内外油气和钻具相关领域的研究现状，并介绍了所在课题组对BF在铝合金钻杆材料和孕镶金刚石钻头中的应用研究和已取得的成果，包括BF对7075铝合金钻杆材料和WC基金刚石复合材料的性能影响，并对BF在套管和油管领域的应用研究进行总结和展望，得出以下结论：
（1）BF的力学性能和耐蚀性非常好，其密度又和铝合金接近，同时两者又具有较好的界面结合强度，以7075铝合金粉末为基体，BF为增强相，制备了BF/7075铝基复合材料，结果表明适量的BF加量，提升了BF/7075铝基复合材料的力学性能和耐腐蚀性能，这为设计制造新型轻质高强铝合金钻杆提供了一种新思路。
（2）在WC基孕镶金刚石钻头胎体中添加适量的BF时，含金刚石钻头胎体的磨耗比降低，密实度和导热系数得到提升，胎体对金刚石的把持力提高，使得在“打滑”地层钻进时，既能保证金刚石及时出露，又能保证金刚石不至于过快脱落，从而提高钻进效率。
（3）BF管材在世界范围内已经得到了广泛的研究和应用，与钢制管材相比，BF管材具有明显的性能优势，质量轻、耐腐蚀性强的BF管材在钻井领域必然会得到越来越多的关注和研究，具有广泛的应用前景。
（4）BF是由二氧化硅、氧化铝和氧化钙等氧化物组成，具有优异的力学性能、耐腐蚀性能和耐高温性能，但还具有电绝缘和隔热性能，这样就导致BF及其复合材料，在采用加热或通电制备加工过程中成型难，因此，必须结合钻探钻具的工况需求和BF的性能特征，合理设计和选择制备方法和成型工艺。
参考文献（References）
Shan， Li， Liang， et al. Design and NC manufacturing of plastic injection mold based on UG software［C］. Proceedings of the 2012 International Conference on Manufacturing， 2012. [百度学术]
宋平，高欢，汪灵，等.玄武岩纤维基本特征及应用前景分析［J］.矿产保护与利用，2022，42（4）：173-178. [百度学术]
刘晨曦，于惠舒，张楠楠，等.碳纤维增强铝基复合材料的研究现状［J］.钢铁研究学报，2021，33（12）：1205-1218. [百度学术]
吴复涛，于延龙，李春海，等.纤维增强金属基复合材料研究进展［J］.铸造设备与工艺，2022（1）：52-56. [百度学术]
毕鸿章.硼纤维性能及用途简介［J］.建材工业信息，1996（24）：6-7. [百度学术]
胡显奇.我国连续玄武岩纤维的进展及发展建议［J］.高科技纤维与应用，2008，33（6）：12-18，38. [百度学术]
向宇，余金山，王洪磊，等.碳化硅纤维高温抗氧化性研究进展［J］.硅酸盐通报，2022，41（9）：3234-3242. [百度学术]
张建伟，佘希林，刘嘉麒，等.连续玄武岩纤维新材料的制备、性能及其应用［J］.材料导报，2023（11）：1-14. [百度学术]
杨明清，秦黎明，付丽霞.玄武岩纤维管材在石油领域的应用现状及前景分析［J］.科技导报，2013，31（7）：75-79. [百度学术]
Mertiny P， Juss K， EL Ghareeb M M. Evaluation of glass and basalt fiber reinforcements for polymer composite pressure piping［J］. Journal of Pressure Vessel Technology-Transactions of the Asme， 2009，131（6）：061407. [百度学术]
Colombo C， Vergani L， Burman M. Static and fatigue characterisation of new basalt fibre reinforced composites［J］. Composite Structures， 2012，94（3）：1165-1174. [百度学术]
Daghigh V， Khalili S M R， Farsani R E. Creep behavior of basalt fiber-metal laminate composites［J］. Composites Part B-Engineering， 2016，91：275-282. [百度学术]
Fiore V， Scalici T， DI Bella G， et al. A review on basalt fibre and its composites［J］. Composites Part B-Engineering， 2015，74：74-94. [百度学术]
Yang Z， Liu J， Feng X， et al. Investigation on mechanical properties and failure mechanisms of basalt fiber reinforced aluminum matrix composites under different loading conditions［J］. Journal of Composite Materials， 2018，52（14）：1907-1914. [百度学术]
谢雨凌，汪明亮，马乃恒，等.玄武岩纤维增强铝基复合材料的界面反应及力学性能分析［J］.铸造技术，2013，34（7）：803-806. [百度学术]
李乾.玄武岩纤维增强铜基复合材料的制备及性能研究［D］.长春：长春工业大学，2022. [百度学术]
朱丽娟，刘永刚，李方坡，等.G105钢制钻杆腐蚀失效的原因［J］.腐蚀与防护，2016，37（9）：775-780. [百度学术]
余荣华，袁鹏斌.铝合金钻杆的特点及应用前景［J］.石油矿场机械，2011，40（3）：81-85. [百度学术]
刘月明.不同钢级连续油管疲劳性能的差异［J］.化学工程与装备，2020（11）：120-121. [百度学术]
刘磊，黄侠，邢海军，等.海上连续油管内防腐工艺研究及现场试验［J］.中国海上油气，2019，31（6）：132-137. [百度学术]
高科，孙友宏，高润峰，等.仿生非光滑理论在钻井工程中的应用与前景［J］.石油勘探与开发，2009，36（4）：519-522，540. [百度学术]
Ma Y， Xiong H， Chen B. Preparation and corrosion resistance of short basalt fiber/7075 aluminum composite［J］. Materials and Corrosion， 2020，71（11）：1824-1831. [百度学术]
Ma Y， Xiong H， Chen B. Effect of heat treatment on microstructure and corrosion behavior of Mg-5Al-1Zn-1Sn magnesium alloy ［J］. Corrosion Science， 2021，191：109759. [百度学术]
Liang J， Yue W， Gu Y， et al. Improving corrosion resistance and corrosive wear resistance of aluminum alloy drill pipe by surface nano crystallization and micro-arc oxidation［J］. Journal of Materials Engineering and Performance， 2018，27（9）：4462-4472. [百度学术]
Yang S Y， Feng C， Feng Y R， et al. Aluminum alloy pipe design and mechanical property analysis［C］. Proceedings of the Chinese Materials Conference， Yinchuan， 2018. [百度学术]
Plácido J C R， Miranda P E V D， Antoun Netto T， et al. Fatigue analysis of aluminum drill pipes［J］. Materials Research， 2005，8（4）：409-415. [百度学术]
Wang X， Guo J， Lin Y， et al. Study the effect of SiC content on the wear behavior and mechanism of as-extruded SiCp/Al-Cu-Mg-Zn alloy under simulating drilling operation［J］. Surface and Interface Analysis， 2016，48（8）：860-867. [百度学术]
Wang X， Peng Z， Zhong S， et al. Effect of extrusion texture on corrosion behaviour of D16T drill pipe in 3.5% NaCl Solution［J］. International Journal of Electrochemical Science， 2018，13（9）：8970-8982. [百度学术]
Pan S， Dong S， Xu M. Electrochemical origin for mitigated pitting initiation in AA7075 alloy with TiB2 nanoparticles［J］. Applied Surface Science， 2022，601：154275. [百度学术]
Pan S， Yuan J， Linsley C， et al. Corrosion behavior of nano-treated AA7075 alloy with TiC and TiB2 nanoparticles［J］. Corrosion Science， 2022，206：110479. [百度学术]
Pan S， Saso T， Yu N， et al. New study on tribological performance of AA7075-TiB2 nanocomposites［J］. Tribology International， 2020，152：106565. [百度学术]
Chi Y， Pan S， Liese M， et al. Wire-Arc directed energy deposition of aluminum alloy 7075 with dispersed nanoparticles［J］. Journal of Manufacturing Science and Engineering， 2023，145（3）：031010. [百度学术]
Yao G， Cao C， Pan S， et al. Thermally stable ultrafine grained copper induced by CrB/CrB2 microparticles with surface nanofeatures via regular casting［J］. Journal of Materials Science & Technology， 2020，58：55-62. [百度学术]
Adole O， Barekar N， Anguilano L， et al. Fibre/matrix intermetallic phase formation in novel aluminium-basalt composites［J］. Materials Letters， 2019，239：128-131. [百度学术]
蔡家品，贾美玲，沈立娜，等.难钻进地层金刚石钻头的现状和发展趋势［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（2）：67-73，91. [百度学术]
王佳亮，张绍和.坚硬致密弱研磨性地层孕镶金刚石钻头性能优化［J］.煤田地质与勘探，2016，44（6）：159-163. [百度学术]
郭庆清，王佳亮，张绍和.胎体弱化颗粒材质对WC基孕镶金刚石钻头胎体磨损性能的影响［J］.中国有色金属学报，2015，25（9）：2531-2536. [百度学术]
董书山，吴雪峰，刘晓旭，等.金属预合金粉末与单质粉末在应用中的配伍特点研究［J］.超硬材料工程，2013，25（1）：6-11. [百度学术]
金鑫，方小红，段隆臣，等.新型热压WC-Fe基金刚石钻头胎体性能研究［J］.煤田地质与勘探，2013，41（3）：84-86. [百度学术]
王佳亮，张绍和.胎体耐损性弱化孕镶金刚石钻头的试验及碎岩机理分析［J］.中南大学学报（自然科学版），2015，46（4）：1436-1441. [百度学术]
熊洪威，马银龙，张帅，等.玄武岩纤维增强铝基复合钻杆材料的制备研究［J］.钻探工程，2021，48（3）：140-145. [百度学术]
熊洪威.钻杆用玄武岩纤维增强铝基复合材料制备和性能研究［D］.长春：吉林大学，2022. [百度学术]
Chen C， Liu X， Zhou Q Q， et al. Effect of basalt fiber on the thermal conductivity and wear resistance of sintered WC-based diamond composites［J］. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials， 2022，105：105829. [百度学术]
Chen C， Liu X， Zhou F， et al. Effect of basalt fiber on the microstructure and holding strength of sintered WC-based diamond composite［J］. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials， 2021，99：105600. [百度学术]
GB/T 20657—2022，石油天然气工业套管、油管、钻杆和用作套管或油管的管线管性能公式及计算［S］. [百度学术]
Roslan M N， Yahya M Y， Ahmad Z， et al. Axial impact crushing behaviour of thin-walled braided composite tubes： experimental comparison on basalt fibre and glass fibre reinforcement［C］. Proceedings of the 8th International Conference on Mechanical and Manufacturing Engineering （ICME）， 2019. [百度学术]
Fiore V， DI Bella G， Valenza A. Glass-basalt/epoxy hybrid composites for marine applications［J］. Materials & Design， 2011，32（4）：2091-2099. [百度学术]
