無磁承壓鉆桿接頭的堆焊修復(fù)

馬國良

中石化勝利石油工程公司管具技術(shù)服務(wù)中心，山東 東營 257200

0 引言

無磁鉆具（無磁鉆鋌、無磁承壓鉆桿和無磁穩(wěn)定器）具有比普通鋼鉆具更低的磁導(dǎo)率，是定向井鉆進(jìn)不可缺少的鉆具［1］。無磁鉆具大多用于裸眼井段，使用頻率較普通鉆具高，因此無磁鉆具接頭的磨損速度遠(yuǎn)高于普通鉆具的磨損速度。隨著鉆具在油井鉆采的時間延長，鉆具自身材料性能發(fā)生劣化，鉆桿接頭部位失效的幾率也隨之增加。由于無磁鉆具的合金化程度高，大多選用磁導(dǎo)率低于1.01的鈹青銅（含有Be 及少量Ni、Cr、Ti 等元素）、蒙乃爾合金（Ni基體和Cu元素）等無磁系列不銹鋼合金制造，生產(chǎn)成本高昂；對于磨損失效的無磁鉆具，鉆采工藝流程上普遍采用降級和報廢處理兩種方式，導(dǎo)致定向鉆井的成本居高不下。鑒于無磁鉆具損耗成本在鉆井工程中所占巨大比例，研究無磁鉆具的接頭再制造修復(fù)技術(shù)，通過對鉆具損傷進(jìn)行等級分類，針對分類結(jié)果進(jìn)行再制造修復(fù)，能夠有效延長鉆具的使用壽命，并降低生產(chǎn)成本，使失效的無磁鉆具滿足再次入井的條件，對于鉆井平臺有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和工程價值［2-4］。

針對鉆具接頭損傷類型，有多種可采用的再制造修復(fù)工藝，例如焊條電弧補(bǔ)焊、激光熔覆修復(fù)再制造以及藥芯焊絲電弧堆焊等方法。其中，焊條電弧補(bǔ)焊的優(yōu)點在于可以在現(xiàn)場對鉆具損傷部位進(jìn)行修復(fù)，但其補(bǔ)焊效率較低［5］。激光熔覆工藝采用高能量密度的激光束作為熱源，可制備稀釋率低且結(jié)合強(qiáng)度高的熔覆層，能夠應(yīng)對內(nèi)部深度缺陷、厚度不均勻等復(fù)雜情況工件進(jìn)行修復(fù)，是一種自動化程度較高的再制造修復(fù)工藝；但是，激光熔覆需要使用大量合金粉末和耐磨碳化物，粉末利用率低，導(dǎo)致成本較高［6］。藥芯焊絲電弧堆焊法不僅具有熔覆效率高、合金粉末利用率高等優(yōu)勢，而且其工藝已經(jīng)非常成熟，成分調(diào)節(jié)范圍廣泛。針對不同類型的無磁鉆具，可以通過調(diào)整藥芯的成分來降低稀釋率對堆焊合金性能的影響，從而實現(xiàn)無磁鉆具的理想修復(fù)再制造。因此，藥芯焊絲電弧堆焊法是一種理想的無磁鉆具修復(fù)再制造技術(shù)［7-8］。

石油工程領(lǐng)域已經(jīng)有大量關(guān)于在鉆桿接頭上堆焊金屬耐磨帶的研究，并證明是一種有效的降低磨損措施。目前，無磁鉆具的耐磨帶堆焊材料在國內(nèi)外存在大量開發(fā)應(yīng)用案例。楊發(fā)蘭［9］等人研制了一種含Ti、Mo、Mn 元素的低磁導(dǎo)率激光熔覆WCFeNiC 復(fù)合涂層，并研究了合金元素含量對熔覆層磁性能和熔覆層微觀組織的影響。李子杰［10］等人構(gòu)建了一種立體層次控碳方式，通過控制擴(kuò)散到晶界的碳含量，使得熔覆層形成由隱針狀馬氏體團(tuán)、原位析出的MC型碳化物和網(wǎng)狀奧氏體等組成的強(qiáng)韌性配合良好的顯微組織，解決了鉆桿環(huán)形耐磨帶韌性偏低和堆焊層首尾搭接處產(chǎn)生裂紋的問題。姚進(jìn)利［11］則利用摩擦焊工藝技術(shù)成功修復(fù)了直徑168 mm的G105鉆桿，并且質(zhì)量性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿足鉆井使用要求。Caltaru［12］等人通過氣保護(hù)電弧堆焊新型金屬芯含銅藥芯焊絲制備Cr-Mo 熔覆合金來修復(fù)鉆桿接頭，也取得了良好的效果。這些研究為石油鉆井行業(yè)提供了多種有效的耐磨帶堆焊材料和修復(fù)技術(shù)選擇。

目前，對于磨損失效的無磁鉆具，在國內(nèi)鉆采工程上尚未出現(xiàn)行之有效的標(biāo)準(zhǔn)化修復(fù)方案。針對這一問題，本文針對無磁承壓鉆桿的失效接頭堆焊修復(fù)問題展開研究，開發(fā)了一種高強(qiáng)度、低磁導(dǎo)率的無磁鉆具修復(fù)材料，并提出了系統(tǒng)化的修復(fù)工藝。

1 無磁鉆具接頭磨損原因分析

無磁鉆具的完整部件主要包括：無磁鉆鋌、無磁承壓鉆桿、無磁穩(wěn)定器、隨鉆測量工具（MWD）和隨鉆錄井工具（LWD）。由于無磁系列合金鋼的組織主要是奧氏體，其耐磨性遠(yuǎn)低于鐵素體鋼鉆具，為了提高其硬度，奧氏體無磁鋼可采用冷作硬化，但硬度仍較低，一般布氏硬度為200～300 HB。低硬度的奧氏體組織必然導(dǎo)致無磁鉆具抗磨損能力差。鉆具接頭的損傷類型多樣，囊括并不限于接頭變形、端面刺漏、螺紋滑絲和螺紋根部斷裂等多種類型，對于無磁鉆具，大部分失效位置處于接頭部位。如圖1、圖2 所示，這是無磁承壓鉆桿常見的磨損及存在的受損問題［13］：（1）減徑。無磁承壓鉆桿多作業(yè)于近鉆頭裸眼井段，裸眼井筒不規(guī)則，因此磨損顯著。（2）鉗區(qū)及卡瓦區(qū)受損。無磁承壓鉆桿強(qiáng)度偏低，受擠壓磨損嚴(yán)重。（3）偏磨。隨著水平井的井眼曲率大、井斜大、水平段長、施工周期相對較長，鉆具偏磨越嚴(yán)重。

圖1 無磁鉆具減徑受損宏觀形貌Fig.1 Macroscopic appearance of damaged non-magnetic drilling tools with reduced diameter

圖2 無磁鉆具卡鉗劃傷宏觀形貌Fig.2 Macroscopic appearance of non-magnetic drilling tool caliper scratches

2 試驗材料與方案

2.1 堆焊修復(fù)材料

本文設(shè)計了一種適用于無磁鉆具接頭磨損及偏磨修復(fù)的金屬粉芯絲材，牌號為LoWare?-NMBU，絲材直徑1.6 mm，最大層間熔覆層厚度20 mm。電弧堆焊修復(fù)母材選用P530 無磁加重鉆桿，P530 母材成分見表1。

表1 P530不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of P530 stainless steel （wt.%）

2.2 電弧堆焊及試驗方法

無磁鉆具堆焊修復(fù)設(shè)備采用中石化勝利石油工程公司管具技術(shù)服務(wù)中心自主研發(fā)的全自動鉆桿耐磨帶熔覆焊機(jī)，如圖3所示，采用MIG層間堆焊方式（使用純度99.8wt.%以上氬氣保護(hù)）對直徑為168 mm的P530無磁加重鉆桿進(jìn)行修復(fù)試驗。在堆焊單道情況下，焊槍擺動頻率固定為50 次/min，分別調(diào)整堆焊電流和電壓，當(dāng)獲得堆焊層寬度為25～30 mm、堆焊厚度為2～3 mm 時，確定此時電壓值和電流值作為最終參數(shù)，部分試驗參數(shù)的單道堆焊宏觀形貌如圖4 所示，最終確定的MIG 堆焊參數(shù)如表2所示。

表2 P530無磁鉆桿電弧堆焊工藝參數(shù)Table 2 Parameters of MIG surfacing of P530 non-magnetic drill pipe

圖3 全自動鉆桿耐磨帶熔覆焊機(jī)Fig.3 Automatic welding machine for drill pipe wear band cladding

圖4 部分工藝參數(shù)單道堆焊宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology of single-pass welding with partial process parameters

采用德國OLYMPUS-PMG3 型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相試驗；拉伸力學(xué)性能測試參照現(xiàn)行版ISO 6892-1：2009《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：試溫試驗方法》測定，在修復(fù)后的熔覆層徑向加厚處縱向位置上截取圓柱形拉伸試樣，用0.2%殘余應(yīng)變法，取3 個拉伸樣品結(jié)果做平均值；布氏硬度試驗位置應(yīng)在上部加厚端的外徑處，按照現(xiàn)行版ISO 6506-1：2014《金屬材料 布氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法》要求進(jìn)行試驗，取10個硬度做平均值，最低達(dá)到285 HB 布氏硬度是堆焊修復(fù)后的鉆具有足夠力學(xué)性能的初步證據(jù)；沖擊試驗按照現(xiàn)行ISO 148-1：2016《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗 第1 部分：試驗方法》要求采用V 型缺口沖擊試驗制取試樣，在室溫（21±3 °C）測試；無磁性能檢測參照ASTM A342M標(biāo)準(zhǔn)要求，采用FOERSTER MAGNETOSCOP 1.069型磁通門磁強(qiáng)計測試，相對磁導(dǎo)率應(yīng)低于1.01。

2.3 堆焊修復(fù)工藝流程

（1）堆焊修復(fù)前需對表面進(jìn)行預(yù)處理，清除待焊部位油污、鐵銹、水分及其他污物。

（2）焊前預(yù)熱。由于無磁承壓鉆桿熱導(dǎo)率低，（約為42CrMo 鋼的1/3），因此堆焊前可不預(yù)熱；此外預(yù)熱溫度高易導(dǎo)致熔覆金屬凝固過程外溢出鉆具表面，影響熔覆成形。

（3）層間溫度控制。要求多層堆焊時層間溫度不大于100 ℃。

（4）焊后緩冷。堆焊后采用保溫桶自然冷卻。

（5）尺寸恢復(fù)處理。鉆具堆焊后通過機(jī)加工恢復(fù)鉆具至設(shè)計尺寸。車修外徑找正時，以母扣鏜孔和公扣水眼為基準(zhǔn)。堆焊修復(fù)后的無磁鉆桿外徑不超過172 mm，為無磁耐磨帶堆焊留出余量。

2.4 無磁鉆具探傷檢測工藝

無損檢測參照ISO 3452，堆焊修復(fù)前檢測易磨損的無磁鉆具，確定熔覆厚度及缺陷情況。主要檢測工作如下：（1）管體檢測：刺漏、過量變形、機(jī)械損傷、直線度、水眼、外徑、壁厚；（2）接頭檢測：耐磨帶、外徑、長度、磨損、承載和密封面、螺紋；（3）無損檢測：接頭螺紋。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 無磁堆焊修復(fù)層宏觀形貌

如圖5 所示，在經(jīng)過LoWare?-NMBU 熔覆層MIG層間堆焊修復(fù)后，P530無磁加重鉆桿的尺寸得到恢復(fù)，并且堆焊層成形性較好。經(jīng)機(jī)加工處理后，表面粗糙度降低，同時未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的氣孔，搭接位置也未發(fā)現(xiàn)冷裂紋等缺陷，說明該堆焊工藝參數(shù)能夠保證修復(fù)的順利進(jìn)行，同時能夠形成熔合良好、飛濺小、成形優(yōu)良且無裂紋的熔敷層。

圖5 修復(fù)后的無磁鉆具宏觀形貌Fig.5 Macro of non-magnetic drilling tool after repair

3.2 無磁堆焊層微觀組織

采用線切割加工制備無磁堆焊層樣品，對樣品進(jìn)行400目、600目和1000目的砂紙粗磨處理，再采用金剛石懸濁液拋光成為一個光滑的鏡面。最后，采用混合酸溶液進(jìn)行腐蝕處理，得到堆焊層和母材P530的金相組織，如圖6、圖7所示。

圖6 熔覆層微觀形貌Fig.6 Microscopic morphology of cladding layer

由圖6a、6b可見，在本試驗的電弧堆焊參數(shù)下，MIG 層間堆焊制備的熔覆層為純焊態(tài)的奧氏體組織。在無磁鉆桿堆焊修復(fù)過程中，電弧熱量使絲材在母材接觸面處熔化，并形成堆焊層，由于溫度梯度方向垂直于P530母材和堆焊合金的結(jié)合面，初生奧氏體晶粒為大量細(xì)長的柱狀樹枝晶，從母材界面開始生長并沿垂直方向逐漸生長；由圖6c 可見，隨著凝固的繼續(xù)進(jìn)行，晶粒開始向外生長，逐漸增大，直至形成由細(xì)小胞狀樹枝晶組合成的粗大的胞狀奧氏體組織，奧氏體晶粒之間排列緊密，晶界之間未觀察到明顯的析出相，晶界很清晰。由圖7 可觀察到P530母材具備不規(guī)則多邊形特征的晶粒，并且可觀察到明顯孿晶組織，由此可見P530母材為鍛造奧氏體組織。對比圖6c、圖7 可知，P530 母材晶粒尺寸較為細(xì)小，平均尺寸小于50 μm，堆焊層組織具有明顯焊態(tài)特征，且胞狀樹枝晶較母材組織更為細(xì)小，胞狀晶內(nèi)部存在大量尺寸小于10 μm 的細(xì)小樹枝晶，同一取向的細(xì)小亞晶粒組合成一個更大的胞狀奧氏體組織，其平均尺寸大于150 μm，這種奧氏體組織在確保焊縫韌性的同時，保持較高的強(qiáng)度，有助于保證堆焊層與P530母材結(jié)合面的穩(wěn)定性。

3.3 無磁堆焊層力學(xué)性能與磁性能

室溫拉伸試驗結(jié)果見圖8a，堆焊修復(fù)后的試樣抗拉強(qiáng)度平均值為550 MPa，達(dá)到P530母材抗拉強(qiáng)度的60%以上；宏觀布氏硬度測試結(jié)果見圖8b，修復(fù)區(qū)域宏觀布氏硬度為300～340 HB，其平均值略高于P530 母材的平均值309 HB；其室溫下V 型缺口試樣的夏比沖擊功大于120 J，滿足無磁加重鉆桿基體耐沖擊的要求；熔覆層的相對磁導(dǎo)率測試結(jié)果小于1.01，滿足無磁加重鉆桿抗磁干擾性能的要求。

圖8 P530鉆桿與LoWare-NMBU堆焊修復(fù)后的力學(xué)性能Fig.8 Mechanical property of P530 drill pipe and LoWare-NMBU after overlay repair

4 結(jié)論

（1）采用MIG 層間堆焊LoWare?-NMBU 焊絲修復(fù)磨損失效的無磁加重鉆桿的尺寸，修復(fù)后其平均抗拉強(qiáng)度為550 MPa，已達(dá)到P530母材抗拉強(qiáng)度的60%以上；修復(fù)區(qū)域平均布氏硬度達(dá)到320 HB，與P530 母材平均布氏硬度相當(dāng)；室溫下，修復(fù)后無磁鉆桿取樣的V型缺口試樣的夏比沖擊功大于120 J，滿足無磁鉆桿的力學(xué)性能要求。

（2）室溫下LoWare?-NMBU熔覆金屬為鐵基的焊態(tài)奧氏體組織，相對磁導(dǎo)率的測試結(jié)果小于1.01，滿足無磁加重鉆桿抗磁干擾性能的要求。

（3）采用層間堆焊的方式，并配合使用低磁導(dǎo)率高強(qiáng)度LoWare?-NMBU堆焊材料，可以實現(xiàn)對磨損失效的無磁鉆具修復(fù)和再利用，此方法具有極大的經(jīng)濟(jì)和工程應(yīng)用價值。