鉆具再造修復技術研究

李天仁

（大慶鉆探工程鉆井一公司，黑龍江大慶163413）

鉆具在井下的工作環境十分惡劣，鉆井工程中鉆具受到靜載荷、交變載荷、振動沖擊載荷等，另外鉆具上提下放、旋轉而與井壁產生的摩擦力和高頻率振動會使鉆具疲勞破壞，鉆井液沖蝕和腐蝕也會導致鉆具壽命降低[1]。鉆具的成本在鉆井工程中占據很大比例，因此，通過鉆具的再造修復技術，使其滿足再次入井的條件，對于鉆井開發有重大的經濟效益和社會效益。

鉆具再造修復技術是針對鉆具的不同部位不同損傷結果，利用模糊支持向量機理論對鉆具損傷進行識別，并進行損傷等級分類，根據分類結果對宏觀損傷、微觀損傷的鉆具進行再造修復[2]，包括鉆具本體修復和鉆具接頭修復，最后通過磁記憶技術對再造修復后的鉆具進行檢測，符合要求后可再次入井。鉆具再造修復技術流程圖見圖1。

1 鉆具損傷識別與等級分類

由于鉆具在井下工作中的載荷類型和鉆井液的腐蝕性不同，而鉆具損傷的方式和損傷的程度都不一樣，為了能夠對損傷的鉆具進行精準的分類，則需要大量的實際檢測數據，但實際的檢測樣本數據的數量無法滿足鉆具損傷類型的判斷，針對識別鉆具損傷類型這樣數量少樣本，可利用模糊支持向量機機器學習的理論。

支持向量機是一種用于統計分類以及回歸分析的方法，分類特點是能夠同時最小化經驗誤差與最大化幾何邊緣區，在機器學習中，支持向量機是與相關的學習算法有關的監督學習模型，可以分析數據、識別模式，用于分類和回歸分析，給定一組訓練樣本，每個標記為屬于兩類，使其成為非概率二元線性分類，在少量的樣本數據下進行全局優化和模糊優化，使得計算得到的樣本數據能夠實現準確判斷，整體優化。

在對鉆具進行損傷度識別時，對檢測鉆具損傷樣本的特征值進行支持向量機分類，可計算出鉆具的損傷情況，再根據損傷情況的分析，判斷鉆具能否進入再造修復工序，表1為支持向量機所得分類標簽、對應損傷程度和其對應處理方式表。

圖1 鉆具再造修復技術流程圖

2 鉆具再造修復

表1 鉆具損傷情況及對應處理表

2.1 鉆具本體的修復

鉆具本體在使用過程中與井壁的摩擦，會磨損變薄甚至刺漏，鉆具本體失效一般是發生在接頭下500mm處，在接頭與本體連接處的加厚過渡區，僅有少數發生在內螺紋接頭的耐磨帶上。

鉆具表面噴焊硬質合金粉或氬弧填料焊接是國內外針對再造修復損傷鉆具常用的技術手段，通過高電流使焊材在鉆具本體上融化成液態熔池，工藝實施簡單，但人工焊接過程不可控因素較多，修復的部位容易存在缺陷或裂紋，并且焊接材料成本高。

激光熔覆修復再造技術是在激光束作用下，將硬質合金粉末或其他耐磨材料迅速加熱并融化，與鉆具本體呈冶金結合的表面涂層，從而改善鉆具本體的耐磨、耐蝕、耐熱及抗氧化性能，具有焊接精度高、焊接性適用范圍大、焊接表面尺寸規則、應力集中小等特點，可用于鉆具損傷形狀不規則、內部深度缺陷、管壁薄厚不均勻等復雜情況修復，是一種自動化較高的再造修復技術。因此，要根據鉆具不同的損傷類型和損傷程度，來選用合適的修復技術滿足鉆具修復的技術要求和經濟要求。

2.2 鉆具接頭的修復

失效鉆具多數是鉆具接頭損傷，接頭的損傷類型一般為接頭變型、接頭端面刺漏、螺紋損傷、螺紋根部應力集中斷裂等，針對以上鉆具接頭損傷類型，再造修復工藝有以下幾個方法：

（1）手工焊補：使用碳化鎢焊條，在電弧熱作用下產生氣體保護電弧，同時使熔化的碳化鎢覆蓋在接頭磨損表面，在接頭磨損部位形成10mm寬度和一定厚度的耐磨帶，優點是可在現場直接對鉆具損傷部位進行處理。

（2）鎧裝焊：采用特殊焊鉗，1000A直流弧焊機、鑄造碳化鎢靠水玻璃貼在接頭表面焊接而成，優點是現場作業操作簡單方便，缺點是在溫度低、風雨天氣條件不易操作，電弧溫度高，需要謹慎作業，避免破壞接頭。

（3）氧—乙炔堆焊：氧—乙炔火焰堆焊是一種多用途的堆焊熱源，堆焊時熔深淺，鉆具本體熔化量少，獲得的堆焊層薄，表面平滑，火焰溫度低，堆焊后可保持復合材料中的硬質合金的原有性能。優點是火焰溫度較低并可以調節，修復的碳化鎢不熔化保持耐磨性，成本低，缺點是勞動強度大，熔覆效率低。

（4）等離子噴焊：采用陡降特性的直流弧焊機作為電源，在噴焊槍鎢極與噴嘴之間借助高頻火花引燃非轉移型等離子弧，在鎢極和鉆具接頭之間借助非轉移弧弧焰引燃轉移型等離子弧，合金粉末由送粉器按要求量連續供給，借助送粉氣流進入噴焊槍，并吹入電弧中，噴射到鉆具接頭上，在接頭上獲得合金熔覆層。該工藝表面硬度高，并且焊接牢固，具有良好的韌性。

（5）等離子弧焊：利用電極與接頭之間的壓縮電弧實現焊接，所用的電極通常是鎢極，等離子弧焊能量密度大，穿透能力強，能將耐磨硬質合金焊接至鉆具接頭表面，優點是耐磨性好，焊接強度高不易脫落、可進行大批量處理，缺點是硬質合金材料成本高、所需設備不易在現場操作，并且設備對溫度有一定要求。

（6）數控切削加工：在利用切削加工對鉆具螺紋修復時，由于鉆具一般長度在9m左右，安裝找正很不方便，人工切削并且精度不易控制，所以在鉆具螺紋修復中，采用數控車床并在車床主軸上安裝光電解碼器，保證能沿著原螺紋溝槽切削。

以上不同類型的鉆具接頭修復工藝具有其優點，也存在不足，針對鉆具接頭實際的損傷部位和損傷程度，并結合現場施工條件、成本條件等情況，選用合理的鉆具再制造工藝。

3 鉆具磁記憶檢測

金屬磁記憶檢測技術是一種利用金屬磁記憶效應來檢測部件應力集中部位的快速無損檢測方法，能夠對鐵磁性金屬構件內部的應力集中區，即微觀缺陷和早期失效、損傷等進行診斷，是無損檢測領域的一種新的檢測手段。

當處于地磁場環境中的鐵磁性構件受到外部載荷作用時，在應力集中區域會產生磁極，形成退磁場，從而使此處鐵磁金屬的導磁率最小，在金屬表面形成漏磁場，該漏磁場強度的環向分量具有最大值，而軸向分量改變符號并具有零值。這種磁狀態的不可逆變化在工作載荷消除后依然能記憶應力集中的位置。基于金屬磁記憶效應的基本原理制作的檢測儀器，通過記錄垂直于鉆具接頭表面的磁場強度分量沿某一方向的分布情況，可以對鉆具接頭應力集中程度以及是否存在微觀缺陷進行評價。

圖2和圖3為經過再造技術修復的鉆桿沿公螺紋環向和軸向磁記憶曲線。從曲線圖中可以看出，環向磁場梯度曲線峰值為55(A/m)/mm，軸向磁場梯度曲線峰值為60(A/m)/mm，而在該鉆桿螺紋修復前的環向磁場梯度曲線峰值為120(A/m)/mm，軸向磁場梯度曲線峰值為110(A/m)/mm，可以根據鉆具的公扣螺紋的再制造修復前后的磁記憶環向和軸向梯度曲峰值大小比較，判斷修復是否成功，該鉆具公螺紋磁場梯度的峰值明顯小于修復前的磁場梯度峰值，說明對螺紋的再造修復方法是可行的[5]，再通過與標定鉆具的曲線圖比較，從而可以判斷該鉆具是否能夠再次入井。

圖2 磁場強度曲線

圖3 梯度曲線

通過金屬磁記憶方法檢測修復后的鉆具本體及接頭，得出磁場強度曲線和梯度曲線，并將其與修復前和修復后、標定鉆具和修復后的磁記憶信號進行分析，對比再造修復后的鉆具的應力集中程度變化情況，有些磁記憶檢測指標甚至超過了標定鉆具的檢測指標，能夠準確判斷修復后的鉆具本體和接頭是否滿足現場要求。因此，磁記憶檢測技術可以用于鉆具的成品質量鑒定且效果良好。

4 結論

（1）鉆具再造修復技術通過對鉆具進行損傷識別、等級分類、再造修復和磁記憶檢測技術處理，使鉆具可安全地重復利用，提高鉆具的使用率，降低鉆井成本；

（2）通過對檢測樣本特征值進行模糊支持向量機分類可得到其所屬的狀態，對鉆具損傷度識別時、分類，再根據所處狀態判斷其是否需要再制造；

（3）根據鉆具的實際損傷部位和損傷度，結合鉆具損傷的實際情況綜合考慮，選用經濟高效的鉆具再制造工藝；

（4）通過金屬磁記憶檢測技術對修復后的鉆具進行磁記憶信號分析，檢測材料表面的磁場分布情況，就可以發現再造修復后的鉆具是否滿足再次入井的要求。