利用激光覆焊技術(shù)提高LWD儀器壽命

郭勁松，吳冬鳳

（中國石油渤海鉆探定向井技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280）

0 引言

LWD（Logging While Drilling，無線隨鉆測井儀），它是在MWD（Measure While Drilling，隨鉆測量）儀器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的隨鉆儀器。儀器在隨鉆鉆井作業(yè)過程中，不僅可以實(shí)時(shí)測量井筒的井斜角、磁方位角、工具面、環(huán)空壓力、振動(dòng)等工程參數(shù)，還可以實(shí)時(shí)測量地層的電阻率、自然伽瑪?shù)鹊刭|(zhì)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)分辨地層，確定地層巖性，為地質(zhì)導(dǎo)向人員決策提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)找油氣層的目的。

1 現(xiàn)狀

目前國外先進(jìn)的LWD儀器的測量功能基本上涵蓋了電纜測井儀器的絕大部分測量功能，有替代完井電測的趨勢(shì)，相比之下，我國LWD隨鉆儀器研制水平與國外還存在一定的差距，國內(nèi)少數(shù)公司已經(jīng)研制LWD儀器，大多基于電阻率和自然伽馬儀器，在儀器精度、數(shù)據(jù)處理及解釋方面還有很多有待改進(jìn)的地方。

LWD井下儀器的電子線路安裝在鉆鋌的壁上，儀器在使用過程中因?yàn)殂@鋌與井壁的摩擦，尤其是在研磨性很強(qiáng)的地層鉆進(jìn)時(shí)，常常會(huì)使鉆鋌外徑磨細(xì)，使鑲嵌在鉆鋌壁上的電子線路密封損壞，造成泥漿侵入，使整根儀器報(bào)廢，造成嚴(yán)重后果（圖1）。

2 原因分析

（1）LWD儀器在水平井或大位移井鉆進(jìn)過程中，滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)低邊端與地層長時(shí)間摩擦，易造成鉆鋌外徑磨小，電子線路部分直接暴露。

（2）泥漿性能的好壞，決定在鉆進(jìn)的過程中磨阻的大小，磨阻越大對(duì)儀器的磨損越嚴(yán)重。

（3）在鉆進(jìn)時(shí)碰到特殊地層，有些地層研磨性很強(qiáng)，如致密砂巖和礫巖，對(duì)儀器的磨損很嚴(yán)重。

（4）所鉆的井越深，地層越堅(jiān)硬，對(duì)儀器的磨損越嚴(yán)重。

圖1 因鉆鋌外徑磨細(xì)電子線路損傷

3 解決方案

表面處理技術(shù)是對(duì)設(shè)備經(jīng)表面預(yù)處理后，通過表面涂覆、表面改性或多種表面技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面和非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成份和組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，以獲得所需要表面性能的系統(tǒng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)抗磨損、抗腐蝕、間隙控制、控制流體環(huán)境、熱障、恢復(fù)尺寸、改變導(dǎo)電性、改變導(dǎo)磁性、控制粗糙度及摩擦系數(shù)等功能。由于只在材料表面進(jìn)行制備，因而具有實(shí)施方便、功能性強(qiáng)、成本較低的特點(diǎn)。目前常用的表面修復(fù)方法有2種，方法一是在LWD儀器外表面鑲嵌碳化鎢合金塊，以起到耐磨保護(hù)基體的作用。方法二是在LWD儀器外表面熔覆一定比例碳化鎢合金粉，耐磨層與基體形成冶金結(jié)合，使用過程中耐磨帶逐步磨損失效。方法一在較大的沖擊和振動(dòng)工況條件下容易產(chǎn)生碳化鎢耐磨塊脫落現(xiàn)象，同時(shí)一旦產(chǎn)生脫落，耐磨帶快速失效，傷及基體，損失較大。據(jù)此多采用方法二，在LWD儀器專用鉆鋌的外表覆焊碳化鎢合金粉，形成耐磨帶，墊高本體，防止磨損本體損傷電路。

LWD儀器種類繁多，大部分設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用的是內(nèi)嵌式而不是探管式，內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)是將數(shù)據(jù)的測量和傳輸電路模塊及穿線預(yù)埋在無磁鉆鋌中。這些鉆鋌覆焊耐磨帶的位置通常都離這些電路板和導(dǎo)線很近（圖2、圖3，注：Formation Evaluation While Drilling，F(xiàn)EWD。隨鉆地質(zhì)評(píng)價(jià)測量系統(tǒng)），進(jìn)口儀器電路板和導(dǎo)線安裝拆卸復(fù)雜，難度大，因此需要在不拆卸電路板和導(dǎo)線的情況下，直接在本體上覆焊耐磨材料。LWD專用鉆鋌材料多為低碳高鉻錳無磁不銹鋼，LWD儀器測量需要無磁環(huán)境下，故焊接材料必須也為無磁。

圖2 FEWD專用鉆鋌耐磨帶

圖3 FEWD專用鉆鋌內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4 專用鉆鋌覆焊耐磨帶需達(dá)到的技術(shù)要求

（1）對(duì)材料本身的熱變形及熱影響區(qū)小，溫度必須＜125℃，不能對(duì)內(nèi)部的電路板及導(dǎo)線產(chǎn)生影響，對(duì)基體熱損傷小，耐磨帶可重復(fù)制造。

（2）覆焊材料必須是無磁材料，磁導(dǎo)率＜1.01。

（3）覆焊材料與基體必須具有足夠的結(jié)合力，不會(huì)出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象。

（4）覆焊材料必須具有高的耐磨性。

激光覆焊技術(shù)能很好滿足上述要求。激光覆焊是激光焊接技術(shù)應(yīng)用中的一種，它指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結(jié)合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的，既滿足了對(duì)材料表面特定性能的要求，又節(jié)省了大量的貴重元素。

激光覆焊要遵循覆焊材料與基體材料的熱膨脹系數(shù)相近原則和潤濕性原則。專用鉆鋌材料多為低碳高鉻錳無磁不銹鋼，耐磨帶需覆焊高耐磨性磁導(dǎo)率低的材料，可采用在Ni基粉中添加WC，SiC等陶瓷相的硬質(zhì)復(fù)合材料。其中WC是耐磨性極佳的硬質(zhì)材料，可借助于起釬料作用的胎體金屬形成硬質(zhì)合金或相應(yīng)的耐磨材料。Ni基合金對(duì)WC有很好的潤濕性。WC選擇球形鑄造WC顆粒，球形碳化鎢顆粒具有高的抗沖擊性能，避免因尖角應(yīng)力集中導(dǎo)致的裂紋及剝落。

覆焊時(shí)，高能激光束作用在工件表面（圖4），并采用同步送粉技術(shù)，快速加熱、熔化、冷卻，使得Ni基WC粉與基體表層產(chǎn)生冶金結(jié)合，熔覆過程中電路部位全程溫度控制在＜120℃以防止損傷電路。在基材與耐磨層之間熔覆緩沖層，有效吸收碳化鎢耐磨層裂紋以防裂紋在使用過程中向工件基體延伸。耐磨層中，WC含量≥60%WC為球狀，分布均勻，激光熔覆過程在惰性氣體保護(hù)下完成，無WC燒損，無破損現(xiàn)象。確保耐磨層性能，同時(shí)微觀表面WC球面與巖石接觸，在振動(dòng)、沖擊環(huán)境中，其顆粒不易脫落，有效延長使用壽命。圖5為在專用鉆鋌的天線及數(shù)據(jù)讀出電路的間隙間覆焊耐磨帶，墊高本體。

圖4 激光覆焊耐磨帶

圖5 在專用鉆鋌電路間隙間覆焊耐磨帶

5 經(jīng)濟(jì)效益

通過激光覆焊技術(shù)，LWD儀器使用壽命延長，儀器的測量成功率提高。

［1］董世運(yùn)，馬運(yùn)哲，徐濱士，等.激光熔覆材料研究現(xiàn)狀［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2006（6）：5-9，13.

［2］戎磊，黃堅(jiān)，等.激光熔覆WC顆粒增強(qiáng)Ni基合金涂層的組織與性能［J］.中國表面工程，2010，23（6）：40-45.