鉆桿耐磨帶堆焊工藝及性能分析

劉光磊 黃磊

1. 概述

在油氣田勘探開(kāi)發(fā)鉆井中，尤其是在深井、大位移井、水平井、大斜度井中，由于地層中頁(yè)巖，石英砂的存在導(dǎo)致鉆桿和套管的嚴(yán)重磨損，給鉆井施工帶來(lái)重大損失，因此鉆井過(guò)程中鉆桿和套管的磨損及防磨問(wèn)題已引起鉆井界的密切關(guān)注。從我國(guó)油田分布來(lái)看，大港、大慶、江蘇油田由于地層較軟，含巖石量相對(duì)較低，因此鉆桿磨損相對(duì)較小，對(duì)于新疆塔里木油田、四川普光油氣田，由于這里地層頁(yè)巖含量大，對(duì)鉆桿磨損十分嚴(yán)重。

鉆桿接頭耐磨帶以其一定的耐磨性和減磨性，保護(hù)鉆桿接頭和套管免遭強(qiáng)烈的磨損，故在鉆井工程中獲得了廣泛的應(yīng)用。鉆桿耐磨帶主要是采用耐磨帶焊絲通過(guò)CO2氣體保護(hù)焊的方式堆焊到鉆桿接頭部位的一種高合金耐磨材料。目前進(jìn)口耐磨帶焊絲以美國(guó)某公司的100XT型產(chǎn)品使用最廣泛，最具代表性；國(guó)產(chǎn)耐磨帶焊絲以北京佳倍德GD—100具代表性。但無(wú)論是那款耐磨帶產(chǎn)品其設(shè)計(jì)都以保護(hù)鉆桿接頭，防止套管磨損為原則。本文以北京佳倍德GD—100耐磨帶焊絲為例，詳細(xì)介紹耐磨帶堆焊工藝。

2. 耐磨帶堆焊工藝

（1）耐磨帶材料及設(shè)備 試驗(yàn)采用北京佳倍德GD—100耐磨帶焊絲，f1.6mm，耐磨帶堆焊設(shè)備為ZS2000，如圖1所示。焊接電流285A，電弧電壓28V，氬氣保護(hù)。耐磨帶寬度76mm，厚度3mm，鉆桿直徑為168.3mm。GD—100耐磨帶焊絲熔敷金屬化學(xué)成分如表1所示。

圖1 鉆桿耐磨帶自動(dòng)堆焊設(shè)備

表1 耐磨帶合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）耐磨帶堆焊工藝 鉆桿接頭材質(zhì)為35CrMoSi，為避免堆焊后產(chǎn)生裂紋，造成堆焊層脫落，堆焊前要對(duì)鉆桿接頭部位進(jìn)行預(yù)熱。高頻感應(yīng)加熱升溫到300℃，加熱時(shí)間3min保證扶正器內(nèi)外溫度一致。

以接頭f168mm的鉆桿為例，焊接速度為3min堆焊鉆桿接頭一周，每根鉆桿接頭連續(xù)堆焊三道，所以時(shí)間為約10min，每道焊縫約消耗0.25kg耐磨帶焊絲。焊接過(guò)程中，要保持鉆桿接頭部位溫度≥250℃，用紅外測(cè)溫計(jì)隨時(shí)監(jiān)測(cè)，若低于250℃，馬上停止焊接，再次感應(yīng)加熱至350℃，再次進(jìn)行堆焊，如此反復(fù)進(jìn)行。

在堆焊過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，耐磨帶焊絲在純氬氣環(huán)境下，要比在CO2保護(hù)氣環(huán)境下效果好，如圖2所示。在Ar氣保護(hù)環(huán)境下，相同電流、電壓、焊接速度的情況下，堆焊的耐磨帶表明平整光滑。而CO2保護(hù)氣下堆焊的耐磨帶表面會(huì)有明顯的魚(yú)鱗紋。

耐磨帶堆焊完畢后，為防止耐磨帶焊縫熔合區(qū)熱裂紋的出現(xiàn)，需要對(duì)耐磨帶進(jìn)行保溫處理。將內(nèi)含保溫棉的保溫桶套于鉆桿接頭部位，使其自然冷卻。

3. 耐磨帶性能分析

（1）耐磨帶硬度測(cè)試 采用便攜式硬度計(jì)對(duì)冷卻后的鉆桿接頭耐磨帶進(jìn)行硬度測(cè)試。在測(cè)試前按照便攜式硬度計(jì)要求先對(duì)耐磨帶表面進(jìn)行打磨、拋光處理，然后對(duì)鉆桿接頭耐磨帶不同部分進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明GD—100耐磨帶宏觀硬度高達(dá)61HRC，而且測(cè)試點(diǎn)之間硬度差小于2HRC，硬度分布均勻。

（2）著色處理分析 為了減少耐磨帶在鉆井使用中脫落的現(xiàn)象，目前所使用的鉆桿耐磨帶堆焊材料都要求無(wú)裂紋。為了比較兩種材料的抗裂性，焊后對(duì)堆焊層進(jìn)行著色處理（見(jiàn)表3），檢查耐磨帶堆焊層的開(kāi)裂情況及裂紋分布。著色處理表面：GD—100耐磨帶堆焊后無(wú)明顯裂紋（見(jiàn)圖3），屬于高硬度無(wú)裂紋耐磨帶材料。

4. 結(jié)語(yǔ)

采用GD—100耐磨帶焊絲對(duì)鉆桿接頭耐磨帶堆焊工藝進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對(duì)不同保護(hù)氣下堆焊外觀效果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用Ar氣作為堆焊保護(hù)氣體要優(yōu)于CO2保護(hù)氣。最后對(duì)堆焊后的耐磨帶硬度和開(kāi)裂情況進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明堆焊后的耐磨帶硬度高達(dá)61HRC，硬度分布均勻無(wú)明顯裂紋。

圖2 不同保護(hù)氣下堆焊效果

表2 耐磨帶硬度測(cè)量 （HRC）

表3 著色處理分析

圖3 GD100耐磨帶著色處理無(wú)裂紋

[1]韓秀明，樊建春.鉆桿防磨技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].石油礦廠機(jī)械，2007，36（3）：17-22.

[2]孫咸.鉆桿接頭耐磨帶堆焊材料的發(fā)展及應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2007，37（10）：46-49.