鉆具再造修復(fù)技術(shù)研究

李天仁

（大慶鉆探工程鉆井一公司，黑龍江大慶163413）

鉆具在井下的工作環(huán)境十分惡劣，鉆井工程中鉆具受到靜載荷、交變載荷、振動(dòng)沖擊載荷等，另外鉆具上提下放、旋轉(zhuǎn)而與井壁產(chǎn)生的摩擦力和高頻率振動(dòng)會(huì)使鉆具疲勞破壞，鉆井液沖蝕和腐蝕也會(huì)導(dǎo)致鉆具壽命降低[1]。鉆具的成本在鉆井工程中占據(jù)很大比例，因此，通過(guò)鉆具的再造修復(fù)技術(shù)，使其滿足再次入井的條件，對(duì)于鉆井開(kāi)發(fā)有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

鉆具再造修復(fù)技術(shù)是針對(duì)鉆具的不同部位不同損傷結(jié)果，利用模糊支持向量機(jī)理論對(duì)鉆具損傷進(jìn)行識(shí)別，并進(jìn)行損傷等級(jí)分類，根據(jù)分類結(jié)果對(duì)宏觀損傷、微觀損傷的鉆具進(jìn)行再造修復(fù)[2]，包括鉆具本體修復(fù)和鉆具接頭修復(fù)，最后通過(guò)磁記憶技術(shù)對(duì)再造修復(fù)后的鉆具進(jìn)行檢測(cè)，符合要求后可再次入井。鉆具再造修復(fù)技術(shù)流程圖見(jiàn)圖1。

1 鉆具損傷識(shí)別與等級(jí)分類

由于鉆具在井下工作中的載荷類型和鉆井液的腐蝕性不同，而鉆具損傷的方式和損傷的程度都不一樣，為了能夠?qū)p傷的鉆具進(jìn)行精準(zhǔn)的分類，則需要大量的實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，但實(shí)際的檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)的數(shù)量無(wú)法滿足鉆具損傷類型的判斷，針對(duì)識(shí)別鉆具損傷類型這樣數(shù)量少樣本，可利用模糊支持向量機(jī)機(jī)器學(xué)習(xí)的理論。

支持向量機(jī)是一種用于統(tǒng)計(jì)分類以及回歸分析的方法，分類特點(diǎn)是能夠同時(shí)最小化經(jīng)驗(yàn)誤差與最大化幾何邊緣區(qū)，在機(jī)器學(xué)習(xí)中，支持向量機(jī)是與相關(guān)的學(xué)習(xí)算法有關(guān)的監(jiān)督學(xué)習(xí)模型，可以分析數(shù)據(jù)、識(shí)別模式，用于分類和回歸分析，給定一組訓(xùn)練樣本，每個(gè)標(biāo)記為屬于兩類，使其成為非概率二元線性分類，在少量的樣本數(shù)據(jù)下進(jìn)行全局優(yōu)化和模糊優(yōu)化，使得計(jì)算得到的樣本數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確判斷，整體優(yōu)化。

在對(duì)鉆具進(jìn)行損傷度識(shí)別時(shí)，對(duì)檢測(cè)鉆具損傷樣本的特征值進(jìn)行支持向量機(jī)分類，可計(jì)算出鉆具的損傷情況，再根據(jù)損傷情況的分析，判斷鉆具能否進(jìn)入再造修復(fù)工序，表1為支持向量機(jī)所得分類標(biāo)簽、對(duì)應(yīng)損傷程度和其對(duì)應(yīng)處理方式表。

圖1 鉆具再造修復(fù)技術(shù)流程圖

2 鉆具再造修復(fù)

表1 鉆具損傷情況及對(duì)應(yīng)處理表

2.1 鉆具本體的修復(fù)

鉆具本體在使用過(guò)程中與井壁的摩擦，會(huì)磨損變薄甚至刺漏，鉆具本體失效一般是發(fā)生在接頭下500mm處，在接頭與本體連接處的加厚過(guò)渡區(qū)，僅有少數(shù)發(fā)生在內(nèi)螺紋接頭的耐磨帶上。

鉆具表面噴焊硬質(zhì)合金粉或氬弧填料焊接是國(guó)內(nèi)外針對(duì)再造修復(fù)損傷鉆具常用的技術(shù)手段，通過(guò)高電流使焊材在鉆具本體上融化成液態(tài)熔池，工藝實(shí)施簡(jiǎn)單，但人工焊接過(guò)程不可控因素較多，修復(fù)的部位容易存在缺陷或裂紋，并且焊接材料成本高。

激光熔覆修復(fù)再造技術(shù)是在激光束作用下，將硬質(zhì)合金粉末或其他耐磨材料迅速加熱并融化，與鉆具本體呈冶金結(jié)合的表面涂層，從而改善鉆具本體的耐磨、耐蝕、耐熱及抗氧化性能，具有焊接精度高、焊接性適用范圍大、焊接表面尺寸規(guī)則、應(yīng)力集中小等特點(diǎn)，可用于鉆具損傷形狀不規(guī)則、內(nèi)部深度缺陷、管壁薄厚不均勻等復(fù)雜情況修復(fù)，是一種自動(dòng)化較高的再造修復(fù)技術(shù)。因此，要根據(jù)鉆具不同的損傷類型和損傷程度，來(lái)選用合適的修復(fù)技術(shù)滿足鉆具修復(fù)的技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)要求。

2.2 鉆具接頭的修復(fù)

失效鉆具多數(shù)是鉆具接頭損傷，接頭的損傷類型一般為接頭變型、接頭端面刺漏、螺紋損傷、螺紋根部應(yīng)力集中斷裂等，針對(duì)以上鉆具接頭損傷類型，再造修復(fù)工藝有以下幾個(gè)方法：

（1）手工焊補(bǔ)：使用碳化鎢焊條，在電弧熱作用下產(chǎn)生氣體保護(hù)電弧，同時(shí)使熔化的碳化鎢覆蓋在接頭磨損表面，在接頭磨損部位形成10mm寬度和一定厚度的耐磨帶，優(yōu)點(diǎn)是可在現(xiàn)場(chǎng)直接對(duì)鉆具損傷部位進(jìn)行處理。

（2）鎧裝焊：采用特殊焊鉗，1000A直流弧焊機(jī)、鑄造碳化鎢靠水玻璃貼在接頭表面焊接而成，優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)操作簡(jiǎn)單方便，缺點(diǎn)是在溫度低、風(fēng)雨天氣條件不易操作，電弧溫度高，需要謹(jǐn)慎作業(yè)，避免破壞接頭。

（3）氧—乙炔堆焊：氧—乙炔火焰堆焊是一種多用途的堆焊熱源，堆焊時(shí)熔深淺，鉆具本體熔化量少，獲得的堆焊層薄，表面平滑，火焰溫度低，堆焊后可保持復(fù)合材料中的硬質(zhì)合金的原有性能。優(yōu)點(diǎn)是火焰溫度較低并可以調(diào)節(jié)，修復(fù)的碳化鎢不熔化保持耐磨性，成本低，缺點(diǎn)是勞動(dòng)強(qiáng)度大，熔覆效率低。

（4）等離子噴焊：采用陡降特性的直流弧焊機(jī)作為電源，在噴焊槍鎢極與噴嘴之間借助高頻火花引燃非轉(zhuǎn)移型等離子弧，在鎢極和鉆具接頭之間借助非轉(zhuǎn)移弧弧焰引燃轉(zhuǎn)移型等離子弧，合金粉末由送粉器按要求量連續(xù)供給，借助送粉氣流進(jìn)入噴焊槍，并吹入電弧中，噴射到鉆具接頭上，在接頭上獲得合金熔覆層。該工藝表面硬度高，并且焊接牢固，具有良好的韌性。

（5）等離子弧焊：利用電極與接頭之間的壓縮電弧實(shí)現(xiàn)焊接，所用的電極通常是鎢極，等離子弧焊能量密度大，穿透能力強(qiáng)，能將耐磨硬質(zhì)合金焊接至鉆具接頭表面，優(yōu)點(diǎn)是耐磨性好，焊接強(qiáng)度高不易脫落、可進(jìn)行大批量處理，缺點(diǎn)是硬質(zhì)合金材料成本高、所需設(shè)備不易在現(xiàn)場(chǎng)操作，并且設(shè)備對(duì)溫度有一定要求。

（6）數(shù)控切削加工：在利用切削加工對(duì)鉆具螺紋修復(fù)時(shí)，由于鉆具一般長(zhǎng)度在9m左右，安裝找正很不方便，人工切削并且精度不易控制，所以在鉆具螺紋修復(fù)中，采用數(shù)控車床并在車床主軸上安裝光電解碼器，保證能沿著原螺紋溝槽切削。

以上不同類型的鉆具接頭修復(fù)工藝具有其優(yōu)點(diǎn)，也存在不足，針對(duì)鉆具接頭實(shí)際的損傷部位和損傷程度，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件、成本條件等情況，選用合理的鉆具再制造工藝。

3 鉆具磁記憶檢測(cè)

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是一種利用金屬磁記憶效應(yīng)來(lái)檢測(cè)部件應(yīng)力集中部位的快速無(wú)損檢測(cè)方法，能夠?qū)﹁F磁性金屬構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力集中區(qū)，即微觀缺陷和早期失效、損傷等進(jìn)行診斷，是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的一種新的檢測(cè)手段。

當(dāng)處于地磁場(chǎng)環(huán)境中的鐵磁性構(gòu)件受到外部載荷作用時(shí)，在應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)產(chǎn)生磁極，形成退磁場(chǎng)，從而使此處鐵磁金屬的導(dǎo)磁率最小，在金屬表面形成漏磁場(chǎng)，該漏磁場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)向分量具有最大值，而軸向分量改變符號(hào)并具有零值。這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后依然能記憶應(yīng)力集中的位置?；诮饘俅庞洃浶?yīng)的基本原理制作的檢測(cè)儀器，通過(guò)記錄垂直于鉆具接頭表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量沿某一方向的分布情況，可以對(duì)鉆具接頭應(yīng)力集中程度以及是否存在微觀缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖2和圖3為經(jīng)過(guò)再造技術(shù)修復(fù)的鉆桿沿公螺紋環(huán)向和軸向磁記憶曲線。從曲線圖中可以看出，環(huán)向磁場(chǎng)梯度曲線峰值為55(A/m)/mm，軸向磁場(chǎng)梯度曲線峰值為60(A/m)/mm，而在該鉆桿螺紋修復(fù)前的環(huán)向磁場(chǎng)梯度曲線峰值為120(A/m)/mm，軸向磁場(chǎng)梯度曲線峰值為110(A/m)/mm，可以根據(jù)鉆具的公扣螺紋的再制造修復(fù)前后的磁記憶環(huán)向和軸向梯度曲峰值大小比較，判斷修復(fù)是否成功，該鉆具公螺紋磁場(chǎng)梯度的峰值明顯小于修復(fù)前的磁場(chǎng)梯度峰值，說(shuō)明對(duì)螺紋的再造修復(fù)方法是可行的[5]，再通過(guò)與標(biāo)定鉆具的曲線圖比較，從而可以判斷該鉆具是否能夠再次入井。

圖2 磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線

圖3 梯度曲線

通過(guò)金屬磁記憶方法檢測(cè)修復(fù)后的鉆具本體及接頭，得出磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線和梯度曲線，并將其與修復(fù)前和修復(fù)后、標(biāo)定鉆具和修復(fù)后的磁記憶信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)比再造修復(fù)后的鉆具的應(yīng)力集中程度變化情況，有些磁記憶檢測(cè)指標(biāo)甚至超過(guò)了標(biāo)定鉆具的檢測(cè)指標(biāo)，能夠準(zhǔn)確判斷修復(fù)后的鉆具本體和接頭是否滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。因此，磁記憶檢測(cè)技術(shù)可以用于鉆具的成品質(zhì)量鑒定且效果良好。

4 結(jié)論

（1）鉆具再造修復(fù)技術(shù)通過(guò)對(duì)鉆具進(jìn)行損傷識(shí)別、等級(jí)分類、再造修復(fù)和磁記憶檢測(cè)技術(shù)處理，使鉆具可安全地重復(fù)利用，提高鉆具的使用率，降低鉆井成本；

（2）通過(guò)對(duì)檢測(cè)樣本特征值進(jìn)行模糊支持向量機(jī)分類可得到其所屬的狀態(tài)，對(duì)鉆具損傷度識(shí)別時(shí)、分類，再根據(jù)所處狀態(tài)判斷其是否需要再制造；

（3）根據(jù)鉆具的實(shí)際損傷部位和損傷度，結(jié)合鉆具損傷的實(shí)際情況綜合考慮，選用經(jīng)濟(jì)高效的鉆具再制造工藝；

（4）通過(guò)金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)對(duì)修復(fù)后的鉆具進(jìn)行磁記憶信號(hào)分析，檢測(cè)材料表面的磁場(chǎng)分布情況，就可以發(fā)現(xiàn)再造修復(fù)后的鉆具是否滿足再次入井的要求。