鉆桿耐磨帶技術(shù)分析

滿國(guó)祥，程林，王克虎，楊宏偉，孔令滬，吳浩宇

(河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心石探廠，石家莊 050081)

0 引言

為了避免鉆桿在鉆井過(guò)程中發(fā)生過(guò)度磨損情況,采用焊接方式將耐磨焊絲沿鉆桿接頭圓周方向焊接環(huán)形帶，此環(huán)形帶即稱(chēng)之為鉆桿耐磨帶。從機(jī)理上講,鉆桿接頭耐磨帶實(shí)質(zhì)上是一個(gè)隔離層，利用耐磨帶焊絲的耐磨性，通過(guò)這個(gè)隔離層,使鉆桿接頭外壁和套管壁或井壁隔離，避免鉆桿接頭與套管壁或井壁直接接觸，以保護(hù)鉆桿接頭和套管免遭強(qiáng)烈磨損。鉆桿耐磨帶在深井、大位移井和大斜度井鉆井工程中獲得了廣泛應(yīng)用，而且該技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際重大石油工程項(xiàng)目招標(biāo)中，投標(biāo)方中標(biāo)的必備技術(shù)條件之一。

1 如何選擇耐磨帶

耐磨帶的工況條件較為復(fù)雜，性能要求苛刻。在鉆井特別是裸眼鉆井過(guò)程中，耐磨帶與巖石井壁會(huì)發(fā)生持續(xù)摩擦，耐磨帶必須經(jīng)受住這樣長(zhǎng)時(shí)間磨損。用戶(hù)希望耐磨帶的硬度、耐磨性越高越好，這是用戶(hù)在選擇耐磨帶時(shí)最大最典型的誤區(qū)。在最早期，耐磨帶焊絲的技術(shù)方案，主要是在較軟的碳鋼基體上包含碳化鎢耐磨顆粒。這種碳化鎢耐磨帶焊絲當(dāng)時(shí)廣泛地應(yīng)用于鉆桿接頭，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的鉆井工作很多是淺井、直井而且沒(méi)有套管保護(hù)。隨著深井、斜井和套管保護(hù)越來(lái)越多，碳化鎢耐磨帶焊絲逐漸被淘汰，這是因?yàn)樘蓟u耐磨帶會(huì)很快磨穿套管。正確的思路是必須考慮鉆井過(guò)程中耐磨帶與套管的接觸摩擦和磨損。如果耐磨帶的硬度和耐磨性比套管高過(guò)多，那么套管磨損程度將比耐磨帶大得多。在這種情況下，耐磨帶的硬度、耐磨性越高，套管磨損程度越嚴(yán)重。因此，并不是說(shuō)耐磨帶的硬度和耐磨性越高越好，而是應(yīng)綜合考慮，使其具有良好的綜合抗磨性能。

綜合抗磨性能是指在具有較高耐磨性的前提條件下，同時(shí)具有一定的減磨性。最佳的耐磨性與減磨性之間存在一定的匹配關(guān)系，將這個(gè)匹配關(guān)系量化確立，是耐磨帶焊絲的核心技術(shù)所在。

總之，選擇耐磨帶時(shí)不是硬度越高、越耐磨越好。對(duì)鉆桿耐磨帶性能的正確選擇是應(yīng)該同時(shí)具有耐磨性和減磨性。

2 耐磨帶對(duì)比

市場(chǎng)上可供選擇的耐磨帶材料并不多，廣大用戶(hù)迫切需要價(jià)格合理、性能優(yōu)良的新型耐磨帶焊絲。高性能耐磨帶焊絲與國(guó)際先進(jìn)水平的接軌，為我國(guó)耐磨帶焊絲的研發(fā)指出了明確方向。

2.1 市場(chǎng)常見(jiàn)耐磨帶分析

目前市場(chǎng)上的耐磨帶焊絲主要有安科、博騰、固本、固邦、帝寶等品牌，國(guó)外品牌中以美國(guó)安科一家獨(dú)大，但是價(jià)格高昂。隨著國(guó)內(nèi)品牌的質(zhì)量提升，性能已經(jīng)接近或超過(guò)國(guó)外品牌，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，詳見(jiàn)表1。

表1 進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)焊絲性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of imported and domestic welding wires

進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)焊絲中，多家企業(yè)生產(chǎn)的碳化鎢焊絲已逐步淘汰，只有少數(shù)的鉆井隊(duì)仍在使用。美國(guó)安科公司生產(chǎn)的100XT焊絲是常用型號(hào)，無(wú)裂紋，150XT型號(hào)焊絲為新型產(chǎn)品，有細(xì)微裂紋，300XT型號(hào)焊絲適用于裸眼井。

2.2 耐磨帶性能分析

以下對(duì)耐磨帶需要什么樣的性能來(lái)滿足使用要求，同時(shí)耐磨帶焊絲需要具備什么優(yōu)良性能來(lái)滿足更高的要求進(jìn)行分析。

耐磨帶焊接在鉆桿接頭、鉆鋌、加重鉆桿的表面，焊接過(guò)程中達(dá)到熔融狀態(tài)后冷卻，在這過(guò)程中焊接處的基體會(huì)發(fā)生性能變化，我們分別從10 mm和15 mm處取樣進(jìn)行分析，性能要求標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 耐磨帶焊接對(duì)鉆具基體的性能影響要求Table 2 The influence of wear-resistant belt welding on the performance of drilling tool matrix

表3 耐磨帶焊接對(duì)鉆具基體的性能影響Table 3 The influence of wear-resistant belt welding on the performance of drilling tool matrix

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，焊接2道耐磨帶對(duì)基體的性能基本上沒(méi)有影響，焊接3道10 mm深度耐磨帶屈服強(qiáng)度和延伸率有一定影響，在可接受的范圍之內(nèi)。

2.2.2 焊接設(shè)備和焊接工藝

焊接設(shè)備差別不大，都需要能夠方便地對(duì)焊接各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的自動(dòng)焊接設(shè)備，焊接工藝需要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，在保護(hù)氣體、焊前熱處理、焊后熱處理以及防止裂紋產(chǎn)生等方面存在一些差別。

2.2.3 耐磨性和減磨性

耐磨帶的耐磨性和減磨性都是相對(duì)的指標(biāo)，應(yīng)該針對(duì)不同的工況進(jìn)行綜合選擇。比如裸眼鉆進(jìn)的鉆桿耐磨帶就不用過(guò)多考慮減磨性，應(yīng)突出耐磨性能，廉價(jià)的碳化鎢粉末，高耐磨高硬度是第一選擇，但是往往鉆具的使用也是復(fù)雜多工況的，這就需要綜合考慮。對(duì)鉆桿耐磨帶性能參數(shù)分析要考慮的因素主要有載荷、摩擦系數(shù)和材料特性等方面。首先是鉆井過(guò)程中載荷的影響，凡是增大鉆桿接頭與井壁接觸力的因素都會(huì)加劇磨損，比如典型的“狗腿井段”，如果耐磨帶磨損過(guò)快甚至出現(xiàn)了鉆桿接頭的偏磨現(xiàn)象，一定要關(guān)注鉆井參數(shù)是否適合；其次摩擦系數(shù)對(duì)耐磨帶性能的影響顯而易見(jiàn)，從鉆井參數(shù)上要選擇合適的潤(rùn)滑劑品種；再有就是耐磨帶材料本身的材料特性也是非常關(guān)鍵的因素，甚至是研究耐磨帶材料的最重要因素。

2.2.4 焊接成型和修復(fù)

1.加強(qiáng)飼養(yǎng)，防止?fàn)I養(yǎng)因子缺乏。妊娠母豬飼喂全價(jià)飼料，保持營(yíng)養(yǎng)平衡，防止維生素A、維生素D、維生素C、維生素E、微量元素及礦物質(zhì)的缺乏，以保證胎兒正常發(fā)育。同時(shí)，為使免疫母豬盡可能多地給仔豬提供特異性抗體，可在母豬飼糧中添加VE；配種前15 d內(nèi)及妊娠期間，在母豬日糧中加入適量低分子脂肪酸，可顯著提高初乳中總蛋白質(zhì)、免疫球蛋白和不飽和脂肪酸含量，從而增強(qiáng)仔豬抗御病原體，特別是腸道病原體的能力，減少斷奶前腸道疾病造成的損失，防止腹瀉的發(fā)生。

焊接成型和耐磨帶的修復(fù)是耐磨帶材料的重要因素，從適應(yīng)鉆井環(huán)境來(lái)說(shuō)，理想狀態(tài)要達(dá)到以下幾點(diǎn)要求：①耐磨帶上無(wú)龜裂；②在鉆井過(guò)程中, 對(duì)套管的磨損降為最低；③套管與鉆桿接頭同時(shí)得到保護(hù)；④可用于新舊不同尺寸的鉆桿；⑤可焊性好，可以直接在舊的耐磨帶上焊接。

2.3 耐磨帶焊接實(shí)驗(yàn)

通過(guò)上文市場(chǎng)常見(jiàn)耐磨帶性能和耐磨帶焊絲性能分析制定焊接實(shí)驗(yàn)方案，分別對(duì)市場(chǎng)常見(jiàn)的耐磨帶焊絲進(jìn)行焊接對(duì)比，從而為耐磨帶焊絲選擇提供依據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 耐磨帶焊絲焊接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Welding test data of wear-resistant belt welding wire

安科100耐磨帶焊絲，焊前焊后需要按照規(guī)程嚴(yán)格執(zhí)行，硬度均勻，除接口處硬度稍低其他可以滿足>50HRC要求，焊接成型好，沒(méi)有裂紋產(chǎn)生，飛濺小。上海博騰BoTn1000耐磨帶焊絲，焊前不需要預(yù)熱，硬度比較均勻，硬度普遍在HRC55左右，焊接成型不好，沒(méi)有裂紋產(chǎn)生，純氬氣飛濺小，混合氣飛濺較大，如圖1所示。無(wú)錫固邦100耐磨帶焊絲，焊前不需要預(yù)熱，硬度不太均勻，偶爾有軟點(diǎn)出現(xiàn)，焊接成型好，收弧處偶有裂紋產(chǎn)生，加強(qiáng)型出現(xiàn)裂紋頻率較高，飛濺小，如圖2所示。

圖1 博騰1000焊絲堆焊耐磨帶Fig.1 The surfacing wear-resistant belt of Boteng 1000 welding wire

圖2 固邦100焊絲堆焊耐磨帶Fig.2 The surfacing wear-resistant belt of Gubang 100 welding wire

通過(guò)上海博騰1000焊絲與無(wú)錫固邦100焊絲小批量焊接對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論。博騰1000焊絲收弧重疊處大約10 mm區(qū)域硬度HRC38左右，對(duì)耐磨帶整體影響不大，每根都有玻璃體積瘤，肉眼觀察不影響焊接性能，最后一道耐磨帶不如固邦整齊，博騰有點(diǎn)顯波浪，砂帶打磨效果無(wú)明顯差別；固邦100焊絲收弧重疊處硬度HRC50以下，打磨后顯輕微裂紋，沒(méi)有玻璃體積瘤。

2.3.5 其他焊絲實(shí)驗(yàn)

在對(duì)市場(chǎng)推廣早、使用較多的焊絲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的同時(shí)，我們也對(duì)河北清河聯(lián)盛焊接技術(shù)有限公司和無(wú)錫帝寶應(yīng)用材料高科技有限公司開(kāi)發(fā)的耐磨帶產(chǎn)品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和技術(shù)交流，總體來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)焊絲在一定程度上滿足了鉆井要求，還有很大的進(jìn)步和發(fā)展空間。聯(lián)盛焊絲的耐磨帶如圖3所示，帝寶焊絲的耐磨帶如圖4所示。

圖3 聯(lián)盛LS-100C焊絲堆焊的耐磨帶Fig.3 The surfacing wear-resistant belt of Liansheng LS-100C welding wire surfacing

圖4 帝寶MX-100焊絲堆焊的耐磨帶Fig.4 The surfacing wear-resistant belt of Dibao MX-100 wire

3 新技術(shù)與工藝

隨著鉆井工況的變化和耐磨帶技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的拓展，耐磨帶產(chǎn)品除了不斷追求更好的焊接外觀、更強(qiáng)的耐磨性能、更穩(wěn)定的產(chǎn)品品質(zhì)外，在一些新興需求面前，對(duì)標(biāo)國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品推陳出新，不斷進(jìn)步。目前，值得關(guān)注的新技術(shù)、新工藝有以下幾種。

(1)無(wú)磁耐磨帶。在無(wú)磁鉆具上，常見(jiàn)的做法是堆焊不銹鋼合金材料，雖然堆焊不銹鋼合金材料能提供保護(hù)性能，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到最終用戶(hù)的預(yù)期。

(2)無(wú)須預(yù)熱的堆焊工藝。通常，耐磨帶的焊接需要對(duì)鉆桿接頭進(jìn)行預(yù)熱，但是會(huì)有很多不具備預(yù)熱工藝的場(chǎng)合出現(xiàn)。這方面的需求國(guó)內(nèi)耐磨帶表現(xiàn)優(yōu)于國(guó)外品牌，通過(guò)對(duì)耐磨帶焊絲進(jìn)行合金設(shè)計(jì)調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)不預(yù)熱直接堆焊且完全沒(méi)有裂紋。

(3)無(wú)須保護(hù)氣體的堆焊工藝。在一些特殊地區(qū)不具備保護(hù)氣體的條件，耐磨帶焊絲研究有必要進(jìn)行無(wú)須保護(hù)氣體的堆焊工藝研究。

(4)低溫焊接工藝。隨著鉆桿內(nèi)涂層使用的逐漸普及，耐磨帶復(fù)焊時(shí)由于焊接溫度過(guò)高導(dǎo)致鉆桿內(nèi)壁涂層失效的問(wèn)題凸顯。耐磨帶焊絲研究廠家能否研究出確保堆焊過(guò)程中鉆桿的受熱溫度控制在特定范圍內(nèi)的產(chǎn)品，這是耐磨帶焊絲和內(nèi)涂層涂料研究共同的課題。

4 結(jié)語(yǔ)

耐磨帶產(chǎn)品的選擇并不是簡(jiǎn)單地根據(jù)產(chǎn)品硬度來(lái)決定，需要考慮產(chǎn)品的合金設(shè)計(jì)、堆焊工藝的可操作性、用戶(hù)自身的堆焊工況以及最終用戶(hù)的使用工況來(lái)綜合考慮。通常來(lái)說(shuō)，選用國(guó)產(chǎn)品牌，比進(jìn)口產(chǎn)品具有更好的性?xún)r(jià)比。