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，給鉆井施工帶來重大損失，因此鉆井過程中鉆桿和套管的磨損及防磨問題已引起鉆井界的密切關(guān)注。從我國油田分布來看，大港、大慶、江蘇油田由于地層較軟，含巖石量相對較低，因此鉆桿磨損相對較小，對于新疆塔里木油田、四川普光油氣田，由于這里地層頁巖含量大，對鉆桿磨損十分嚴(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某公司的100XT型產(chǎn)品使用最廣泛，最具代表性；國產(chǎn)耐磨帶焊絲以北京佳倍德GD—100具代表性。但無論是那款耐磨帶產(chǎn)品其設(shè)計都以保護(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，所以時間為約10min，每道焊縫約消耗0.25kg耐磨帶焊絲。焊接過程中，要保持鉆桿接頭部位溫度≥250℃，用紅外測溫計隨時監(jiān)測，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有明顯的魚鱗紋。

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）耐磨帶硬度測試 采用便攜式硬度計對冷卻后的鉆桿接頭耐磨帶進(jìn)行硬度測試。在測試前按照便攜式硬度計要求先對耐磨帶表面進(jìn)行打磨、拋光處理，然后對鉆桿接頭耐磨帶不同部分進(jìn)行硬度測試，測試結(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，而且測試點之間硬度差小于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裂紋。為了比較兩種材料的抗裂性，焊后對堆焊層進(jìn)行著色處理（見表3），檢查耐磨帶堆焊層的開裂情況及裂紋分布。著色處理表面：GD—100耐磨帶堆焊后無明顯裂紋（見圖3），屬于高硬度無裂紋耐磨帶材料。

4. 結(jié)語

采用GD—100耐磨帶焊絲對鉆桿接頭耐磨帶堆焊工藝進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對不同保護(hù)氣下堆焊外觀效果進(jìn)行了對比，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。最后對堆焊后的耐磨帶硬度和開裂情況進(jìn)行了檢測，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 耐磨帶硬度測量 （HRC）

表3 著色處理分析

圖3 GD100耐磨帶著色處理無裂紋

[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，2007，37（10）：46-49.