耐磨带敷焊质量可靠性论文

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论文关键词：耐磨带钻具铁基合金粉焊丝。

论文摘要：在深井超深井勘探过程中，由于径向力、涡动、横向振动等因素的存在，随着钻井时间的增长，钻柱作用于套管内壁的侧向力增大，导致套管和钻具接头磨损的问题越来越严重。造成钻具耐磨带失效的主要原因有地层研磨性、钻杆的井下工况、耐磨材料选择与敷焊工艺的影响。选择合理的耐磨材料与敷焊工艺对解决钻具耐磨带失效问题非常重要。

Keyword：Wearproofgirdle、Drillingrig、Unalterablefoundationcompoundmetalpowder、Weldingwire。

Abstract：Belivinginthedeepwellultradeepwellprospectingprocess，Sinceradialdirectionforce、Eddyisstird、Elementssuchashorizontalvibrationandsoonbeing，Inthewakeofwelldrillingtimetheincrease，Theaugerpostwritingsisusedthecasinginsidewallcrossrangestrenuouslytobroaden，Itismoreandmoregravetocausecasinganddrillingrigtojointhewornoutproblem。Createthemainreasonofwearproofbriningfailureofdrillingrigtopossesslayerabrasivity、Thedrillpipeoperationalmodeundertheshaft、Wearproofstuffselectiontogetherwitheffectapplyingsolderer''''sskill。Itisverymuchsignificantagainstappliessolderer''''sskilltothewearproofgirdlefailureproblemofsettlementdrillingrigtochoosetherightfulwearproofstuff。

引言

石油钻具接头耐磨带喷涂焊技术在世界石油企业中已经应用很多年了，最初目的是为保护钻杆接头，提高其耐磨性能，其效果也较好。在上世纪90年代，根据生产的需要，又提出了需要保护下井的套管，减少对其的损害，为油井的长期生产提供保障。现在则提出了两方面的要求，不仅能保护钻杆头，延长其二次喷涂周期和使用寿命，而且能最大限度地保护好下井的套管，减少因套管磨损引起的泄漏事故带来的损失。此外，随着钻井技术的进步，深井、超深井、从式井、大斜度井、水平井逐渐增多，不仅要达到在裸眼井中钻进时，其耐磨性较好，而且在套管中钻进时对套管磨损少的苛刻要求，对钻具接头的耐磨性提出了越来越多的要求，对目前的耐磨带材料提出了更高的要求。因此，必须针对不同类型钻井施工的需要慎重选择和使用耐磨材料，才能适应不同类型钻井生产的需要。

一、钻具接头偏磨和耐磨带失效的原因

1、地层研磨性强

钻杆在工作过程中，其外壁尤其是接头部位要与井壁或套管接触，承受剧烈的磨料磨损，特别是下部目的层段使用屏蔽暂堵钻井液时，钻杆工作在含砂多、粘度高、相对密度大，并且有一定腐蚀性的钻井液中。因此钻杆在承受磨料磨损的同时还承受冲蚀磨损，从磨损机理来说，钻杆的磨损主要是显微切削，同时兼有腐蚀作用。因此钻杆在旋转钻井过程中，接头外壁很容易发生磨料磨损失效。磨料磨损失效与敷焊材料的硬度和地层硬度的相对大小、钻杆构件与井壁的相对运动速度、材料特性、载荷情况、表面粗糙度、温度及润滑等因素密切相关。分析认为地层研磨性强、长裸眼井身结构容易使钻杆偏磨、耐磨带失效几率增加。

2、钻杆井下工况影响

钻杆在井内以转盘的转数按顺时针方向绕自身轴线旋转时，由于离心力的作用钻杆接头均有贴向井壁的可能，与井壁间产生摩擦力，整个弯曲的钻柱各处接头将会以各自所处的条件，以一定的转速按反时针方向绕井眼轴线旋转。反转运动普遍存在，钻杆在筒形井壁中反转运动更多的是带滑动的滚动，这是钻杆接头外径和耐磨带磨损的根本原因。钻杆耐磨带的磨损与井眼轨迹变化、井壁岩石性质和泥浆性能关系密切，反转运动的直接后果是使钻杆偏磨和磨损。钻杆的井下旋转的不定性、与井壁摩擦、碰撞、磨削的客观存在必然影响着钻杆偏磨及耐磨带失效。反转运动是不可避免的，反转运动的存在使钻杆在井下旋转工况恶化而引起接头偏磨和耐磨环失效。

二、耐磨材料的选择及敷焊工艺

1、钻具接头外表面的磨损机理以显微切削为主同时兼有腐蚀作用。对于这种磨损其基本对策是大幅度提高钻具接头工作面的硬度。一般接头寿命约为管体寿命的几分之一，如果在接头外径部分敷焊耐磨带，可大幅度提高钻具接头的耐磨性，延长使用寿命。为了提高钻具接头的使用寿命，其外表面喷涂耐磨合金带的方法在国内外已被广泛采用。目前我国的钻具耐磨带敷焊材料主要以美国安科公司的100XT、300XT和国产金凌达的2-55、3-60焊丝以及铁基自熔性合金粉Fe14、Fe90为主。

国内目前常用的钻具耐磨带敷焊材料表

2、应用等离子弧焊技术，采用具有较小的摩擦因数，且具有一定硬度(HRC52)的焊料施焊钻具，不仅降低钻具的旋转阻力，增大钻具扭矩，延长钻具使用寿命，而且对套管也具有一定的保护作用。

2.1等离子弧粉末喷焊的工作原理

氩气通过电磁阀和转子流量计进入喷枪，在喷枪钨阴极与水冷紫铜喷嘴之间借助高频引燃非弧，在阴极与接头之间，借助非弧过渡引燃转弧。等离子弧粉末喷焊是利用氩气等离子弧产生的热量，在钻杆接头表面形成熔池，借助刮板式送粉器将合金粉末吹入电弧中，在弧柱中被预热熔化，喷射到熔池内，随着喷枪与接头的相对转动，合金熔池逐渐凝固，通过调节工艺参数，可在接头上获得需要的耐磨带。采用铁基粉类等离子喷涂堆焊耐磨带，敷焊时不预热，通过自动线输送到室外。在冬季室内外温差很大，焊后在钻杆接头的端部采用铝一硅棉保温套保温，保温套应该保持一直到钻杆接头的温度下降到66°C以下为止，否则会接头耐磨带边缘处有微小裂纹，在钻进过程中发生刺穿事故。

2.2等离子喷焊技术参数的调整

电控操纵柜主要由气路单元、计数器控制单元、可编程控制器单元和参数调节单元组成。送粉气给送粉通道一定压力，保证合金粉末畅通无阻地送到喷焊熔池内；离子气通过气管线进入喷枪，在间隙中电离产生火花。计数器用于控制喷焊耐磨带的起止位置。可编程控制器单元是程控系统的核心，提供本系统的程检、手动和自动控制程序。参数调节单元可对影响耐磨带质量的参数进行调节。

耐磨带接口可通过调节计数器数值和转弧电流衰减旋纽进行控制，耐磨带接口既不能存在间隙，也不能重焊太多。转弧衰减电流调试成功后，计数器数值调到比1430大515，可得到光滑平整的接口。

耐磨带宽度利用摆动机构控制。通过调节摆动器滑块在偏心轮上的偏心距来改变摆幅，来获得符合要求的焊缝，对于127mm钻杆，摆幅调为3O—40mm。

耐磨带厚度的控制是通过调节送粉电压和转动电压。提高刮板式送粉器电机的电枢电压增加送粉量，耐磨带厚度增大，反之厚度减小。转动电压升高，卡盘转速加快，可使耐磨带厚度减小，反之厚度增大。对于127mm钻杆，转动电压调为15V，送粉电压调为2OV，可将耐磨带厚度控制在2～3mm。

3、国产合金焊丝是一种新型的耐磨带材料，与合金粉相比硬度高、耐磨性好，现在已经广泛应用于各油田。这种材料敷焊的钻杆接头耐磨带摩擦因数小，可以在钻杆接头与套管间形成摩擦副，不仅有效地保护钻杆接头和套管，而且降低了钻具旋转阻力，增大钻杆的扭矩。它价格相对低廉，焊接工艺简单，只要在传统焊机的基础上进行改造即可进行生产；焊时无需预热，具有重复可焊性。在裸眼钻井环境下，更有效地保护钻杆接头，减小磨损。

两种工艺需要的设备存在不同点，等离子弧焊设备中两台电源和高频柜将不能在送丝焊中使用。但是，在较长一段时间里，这两种喷焊方式还将共存。因此，需在等离子弧焊设备的基础上，进行部分改造，同时增加部分焊丝设备，能够方便地进行两种喷涂方式的转换、衔接，以达到能分别满足两种喷涂工艺的要求。

3、1对等离子弧焊设备进行了部分改造：

1）、调整了夹紧钻杆接头装置，并且具有了能够在焊枪下旋转钻杆接头的功能，把转速限定在60-210秒/转，而且可以微调；

2）、焊接设备能带动焊枪自动摆动功能，摆频为30-90次/分，摆幅15-40mm可调；

3）、焊枪垂直于钻杆轴线，偏离中心5-40mm，保证焊接时焊枪处于上坡状态，有利于焊接时观察焊接质量；

4）、对冷却水泵进行流量重新调节，能满足新喷焊工艺需要。

3、2增加的设备有：

1）TKR-500自动气保护焊机电源一台；

2）自动送丝机一台，速度可调，根据钻杆旋转速度和耐磨带厚度，速度控制在6-12m/min之间，调节压丝轮压紧度适中，不能使焊丝变形，

3）风冷和水冷焊枪各一只；

4）、在两种喷涂设备之间，增加了转换装置，可以在30分钟内方便地完成转换，衔接也很方便。

3、3设备改造后的性能：

1）具备粉末喷焊和送丝焊两种功能，焊接方式可以互相转换；

2）可以应用各种型号、品牌的焊丝；

3）能根据用户要求，焊出合格的耐磨带。

3、4、技术参数调整

合金焊丝是比较新的工艺，需要选择合适的焊丝、以及对焊接电压与电流大小、转动电压、转动速度、摆动电压、摆动宽度、氩气流量、导电嘴距工件高度、送丝速度等各种参数进行对比调试，以达到最佳效果。

其中，焊接电流、焊接电压、转动电压、转动速度的大小对焊丝的融化速度和成型质量有决定性影响，如果焊接电流、焊接电压参数值过大，超过320A、32V以上，则会使焊丝融化速度过快，焊丝散热不均匀，来不及均匀敷设在接头表面，从而使形成的耐磨带呈现起伏不平的连续小堆状，不光滑，外观质量差；而低于240A、25V，则会使焊丝融化速度过慢，导致散热速度快，在融化后的焊丝未均匀铺开，达到预定的形状前就固定成型，呈现不连续的多点状，使外观不均匀、不整齐；

而转动电压和转动速度与钻杆的转动速度及融化后的焊丝在接头上的均匀性、光滑性密切相关，超过12米/分则会使融化后的焊丝在接头上呈现连续的正（余）弦线状，而低于6米/分则会几乎成平行线，都是不符合要求的。因而，在6米/分—12米/分之间送丝速度能喷焊出较好的效果。采用的速度是9米/分，达到了最佳效果。导电嘴距钻杆接头的高度十分关键，过高会造成电流焊接减小，焊丝与接头本体融化速度慢，与钻杆接头无法融合到一起，使焊带的焊接质量无法保证；过低使焊接电流过大，使焊丝在导电嘴内部融断，直接附着在导电嘴内，并在其内形成闭和回路，使导电嘴在很短的时间内烧毁，使喷焊作业无法继续进行。通过多次调试，获得了最佳的导电嘴距工件高度15－18cm，能使焊丝喷焊质量达到最佳效果。

而摆动电压、摆动宽度、氩气流量与常规喷粉焊接基本一致，不需要做较大的调整就可以满足正常的使用要求。

此外，在两种喷焊方式的转换过程中，不需要进行大量的调试工作，在30分钟内即可完成，投入正常工作。

在室外温度在-5℃寒冷条件下进行普通的钻杆接头等离子喷焊后，为避免焊后耐磨带内的焊接内应力，防止焊后裂纹产生，需要进行保温处理。采取的保温措施是用石棉保温套戴在耐磨带上，直到降至室温为止。

国产的金达凌EFD-2-55(相当于ARCNO200XT)系列产品，在研发过程中已经充分考虑到了为达到在国内各种环境温度下焊后不出现应力裂纹的要求，所以对焊丝配方进行了专门的研究、攻关，确保了焊后不需要采取特殊的保温措施，仅仅是在焊后进行室内缓冷，达到室温即可投入使用。而对接头材质为AISI4145HT、1340HT来讲才需要采取非常严格的保温措施，如石棉缠绕耐磨带等。

金达凌EFD-2-55耐磨带经过试验和现场使用证明，与钢质钻杆接头相比，套管磨损减少86％；与经过碳化钨处理的钻杆接头相比，套管磨损降低76％；摩擦因数的减小，使钻具旋转阻力、扭矩增大30％，节省燃料消耗10％；在裸眼钻井环境下，更有效地保护钻杆接头，减小磨损。

4.4、安科耐磨带

ARNCO公司推出新耐磨带材料ARNCO200XT，敷焊ARNCO2O0XT的钻杆不仅降低了钻杆接头本身的磨损，还有效地降低了套管的磨损。这种焊丝是一种低摩擦因数的碳化铬铁合金材料，该化合物具有较小的金属和金属之间的磨损率，适度偏高的耐磨性能。ARNCO200XT与碳化钨耐磨带相比可使套管磨损率下降75～85％。既能有效地保护套管，又能延长钻杆接头的使用寿命。另外，碳化钨耐磨带为了防止其过度地磨损套管，焊接要求高，而敷焊ARNCO200XT耐磨带后的钻杆接头外圆直径大于接头外圆，避免了接头与井壁或套管直接摩擦，且不必经过特殊热处理，就能够在原来的耐磨带上敷焊新的ARNCO200XT耐磨带，能方便修复磨损的耐磨带。使用ARNCO200XT耐磨带的钻杆与井壁或套管摩擦因数降低，大大减小了阻力和扭矩，同时降低了转盘的能耗。迄今为止，该技术已经在世界各地得到了应用，在深探井、特殊井技术套管防磨方面起到了很好的作用。随后，又开发出ARNCO1O0XT钻杆接头耐磨带材料，ARNCO100XT是对ARNC200XT的改进。因ARNCO200XT在敷焊过程中易产生微裂纹，虽然在使用过程中没有影响，但重新敷焊时则要将有裂纹的部分全部铲掉。而改进的ARNCO1OOXT耐磨带不仅对套管磨损降为最低，而且在裸眼井中，它的耐磨性与碳化钨相当，提高钻杆接头寿命300%；同时保护套管与钻杆接头，并可在原先残存的碳化钨耐磨带上继续加焊100XT；可用于新、旧不同尺寸的各种钻杆工具。在美国权威机构MAUREENGI—NEEDEA一42套管磨损研究中证明，ARNCO耐磨带技术既可以用于保护钻杆接头，延长其寿命，也能保护套管，减小磨损。实践证明，以尽量减少套管磨损为主，允许钻杆接头耐磨带适度磨损的材料设计原理是科学的。

2003年初安科公司推出了“第3代”产品300XT钻杆接头耐磨带。这种耐磨带不同于早期的100XT和200XT耐磨带，属于无铬金属的铁基合金，含有镍、硼、铌等元素，并有一些其他的合金成分，能形成很好的熔池效果，特别适应于在极度研磨的裸眼地层钻进。能将套管磨损状态降至最低程度；以耐磨带的磨损代替了钻杆接头和套管的磨损，并在裸眼井钻进时的抗磨效果几乎等同于碳化钨，确保钻杆接头和套管之间的理想摩擦和均衡保护，采取高度为2mm“凸起”堆焊方式，使摩擦由耐磨带负担，并且300XT可以堆焊在过去原有的100XT和一些其他公司出产的耐磨带之上；耐磨寿命长，大大减少了起下钻、重新修焊和往返运输的时间及成本。

结论

1、等离子弧喷焊的弧柱稳定，热量集中，热能利用率高；可控性好，能控制热量过渡，冲淡率低；接近单丝自动焊，熔敷率高。它敷焊熔深小、无夹渣、不易产生裂纹和气孔。但是Fe14铁基粉耐磨带有明显的裂纹、咬边现象，使用寿命不如合金焊丝。主要原因是耐磨材料偏软，较高碳含量致使涂层组织中弥散分布的碳化物、硼化物硬质相的过共晶莱氏体等碳冷裂，敷焊材料没有针对长裸眼井身结构、地层的强研磨性的具体情况。

2、国产合金焊丝是一种新型的耐磨带材料，与合金粉相比硬度相当、耐磨性更好，现在已经广泛应用于各油田。这种材料敷焊的钻杆接头耐磨带摩擦因数小，可以在钻杆接头与套管间形成摩擦副，不仅有效地保护钻杆接头和套管，而且降低了钻具旋转阻力，增大钻杆的扭矩。

3、安科100XT和安科300XT钻杆接头耐磨带，具有超级优越性能，和野外适用性（几乎可以继续加焊在任何原有的耐磨带上），可以在保护钻杆接头的同时，保护石油套管不被磨损。也特别能够适应于在极度研磨的裸眼地层钻进。我国出口的石油钻杆，和加重钻杆，也大多加焊了安科技术公司的耐磨材料。

从性能价格对比，铁基粉类价格偏低，进口焊丝价格偏高，各油田企业难以承受，国产焊丝价格相对低，焊接工艺简单，焊件无需预热，焊后具有重复可焊性，减少了重新修焊和往返、运输的时间及成本。