耐磨帶技術在隨鉆儀器中的應用

丁元皓，代 萌，藥曉江

（中海油田服務股份有限公司，河北 廊坊 065201）

0 引言

隨鉆測井，通俗地來說就是將測井儀器連接在鉆桿上，在鉆井的同時進行測井，隨鉆測井技術興起于20 世紀60年代初期[1]，到了20 世紀90 年代中期形成了以斯倫貝謝、貝克休斯、哈利伯頓3 家公司為代表的規?；S鉆測井作業。與傳統的電纜測井技術相比，隨鉆測井技術具有以下優勢：①提升鉆井時效，一邊鉆井一邊測井，節約了傳統電纜測井需要起下鉆的時間和單獨的電纜測井時間[2]；②實時性強，在鉆頭打開地層的第一時間就能獲取地層參數，測量結果受泥漿侵蝕影響較?。虎郾阌诙ㄏ蜚@井，由于隨鉆測井技術可以實時獲取鉆井的工程參數，包括井斜方位等信息，定向井工程師可以及時根據需求調整井眼軌跡[3]。

國內的隨鉆測井技術起步較晚，在本世紀初以中海油田服務股份有限公司油田技術研究院尚捷團隊為代表的國內科研力量才開始研發隨鉆測井技術[4]，直到2015 年5月，中海油田服務股份有限公司自研的Drilog 隨鉆測井系統首次在海上作業成功，標志著我國的隨鉆測井技術正式進入商業化應用階段[5]。

1 耐磨帶技術

由于隨鉆儀器中需要布置大量的傳感器、電路板、執行機構等部件，因而隨鉆儀器較常規鉆桿來說結構復雜，直徑尺寸偏大，而且儀器中的傳感器大多對金屬磁性比較敏感，所以隨鉆儀器大多采用無磁材料加工，導致儀器外部較常規鉆桿更容易受到地層的磨損[6]。以隨鉆近鉆頭儀器為例，在8.5＂井眼鉆井過程中，鉆桿直徑尺寸通常為5＂，而隨鉆近鉆頭儀器的直徑尺寸為7＂。這就使得在鉆井過程中，隨鉆近鉆頭儀器更容易與地層之間產生摩擦，如果不采取防護措施，儀器入井鉆進100h 就會被磨損報廢，因此耐磨帶技術在隨鉆儀器上的應用至關重要，圖1為隨鉆儀器磨損照片。

圖1 隨鉆儀器磨損照片Fig.1 Wearing photos of tools while drilling

針對隨鉆儀器結構復雜，整體要求無磁，成本較高，易于磨損的特點，幾乎在隨鉆儀器興起的同時，耐磨帶技術就同時出現。隨鉆儀器的耐磨帶技術通常是指在儀器表面熔覆耐磨層，耐磨層外徑需大于儀器最大外徑，這樣在儀器鉆進的過程中，耐磨帶就優先于地層進行摩擦，從而達到保護儀器本體不受磨損的目的。因此，耐磨帶需要具有高硬度，耐磨性強，無磁性，易于熔覆等特點。同時耐磨帶不能過硬，一旦耐磨帶硬度過高，在隨鉆儀器經過套管段時就會磨損套管，對后期油井的維護產生影響，目前在用的耐磨帶硬度通常在HRC45 ～HRC60 之間。

目前市場上常用的耐磨帶焊接技術主要有3 類：氬弧焊、激光焊接、等離子弧焊接，其中氬弧焊成本較低，對焊接條件要求不高，操作簡單，但是氬弧焊產生的熱量較高，需要額外的散熱工藝，通常應用在儀器本體材料較厚，對熱量不敏感，不易變形的區域。激光焊接是采用大功率激光輻照焊材與焊接本體，使二者融合的技術，激光焊接產生的熱量低，散熱快，而且對焊材沒有要求，熔覆的厚度范圍較寬，通常一層厚度可以在0.2mm ～2.0mm 之間。激光焊接更容易實現自動化控制，但是激光焊接對焊接設備和焊接工藝的要求較高，通常應用在結構復雜，對熱敏感的耐磨帶焊接區域。激光焊接技術在隨鉆儀器的耐磨帶熔覆中應用最為廣泛，等離子弧焊接是利用高能量密度的等離子弧作為焊接熱源的焊接技術，等離子弧焊接具有能量密度高，焊接速度快，熱變形小，電弧穩定易于控制的特點，但是等離子弧焊接價格較高，通常應用在焊接本體較薄的區域。

耐磨帶焊接另外一個比較重要的因素是焊材的選擇，對于隨鉆儀器而言，耐磨帶焊材必須選擇無磁且易于與無磁鉆鋌材料熔融的焊材。當前國內外已經在市場流通的焊絲主要是美國的Ultraband、No-Mag、Arnco 等品牌，國內的Wan-Hai、凌達等品牌[7]，使用藥芯焊絲直接焊接方便快捷，但成本較高，且硬度通常低于HRC50；也有部分焊接廠家不使用藥芯焊絲，直接用硬質合金粉末（碳化鎢）進行激光燒結，效果同樣很好，且成本更低。焊接耐磨帶硬度可以通過調節硬質合金顆粒含量進行調節，靈活度更高，其硬度可達HRC60。

耐磨帶焊接需要注意事項：由于耐磨帶焊接材料硬度較高，如果直接在隨鉆儀器本體上進行耐磨材料熔覆，會導致耐磨層出現開裂，甚至是儀器本體都有可能出現裂紋，所以有經驗的耐磨帶焊接廠家通常會在耐磨層和儀器本體之間增加一段過渡層，使儀器本體和耐磨層之間能夠牢靠地結合而沒有裂紋，通常過渡層的硬質合金含量會低于耐磨層，且厚度在0.8mm ～1.5mm 之間；單條耐磨帶寬度最少要達到30mm，否則耐磨帶的壽命會降低且防磨損效果不佳，耐磨層的厚度需要維持在2.5mm ～4.0mm 之間，耐磨層太厚容易開裂，太薄耐磨性會變差；耐磨帶焊接應保證表面光潔，不能有焊接殘渣，耐磨帶邊緣平整，不能出現咬邊的現象；所有耐磨帶焊接走絲方向都應沿著儀器的周向，不可以沿著儀器軸向走絲，容易造成儀器本體開裂，作業過程中存在儀器斷裂的可能性；焊接過程中應嚴格控制溫度，溫度過高會對儀器鉆鋌本體的材料產生熱處理效應，使儀器的本體材料強度及硬度變差；焊接成品的耐磨帶表面不能存在裂紋，一旦出現裂紋耐磨帶的使用壽命會大大縮短，在實際使用過程中會出現耐磨帶成塊脫落的現象，更嚴重地甚至會導致儀器鉆鋌本體出現裂紋，導致儀器報廢。

2 耐磨帶的常見結構及典型應用

儀器的耐磨性除了受焊接材料和耐磨帶焊接質量的影響外，同樣受到耐磨帶布局結構的制約，一個儀器上耐磨帶的結構布局如果不合理的話，不僅不能達到預想的耐磨效果，儀器的使用壽命也會受到影響。反之，如果儀器的耐磨帶結構布局設計合理，往往會起到事半功倍的效果。目前常見的耐磨帶結構布局主要由環形耐磨帶布局、筒式耐磨帶、長條狀耐磨帶布局、螺旋形耐磨帶布局，幾種布局形式各有優缺點，見表1。一根隨鉆儀器上往往具有不止一種耐磨帶布局來達到最優的耐磨效果，下面將逐一介紹幾種常見耐磨帶結構布局的典型應用。

表1 各類耐磨帶對比Table 1 Comparison of various types of wear belts

2.1 環形耐磨帶在隨鉆儀器中的應用

環形耐磨帶結構形式簡單，在隨鉆儀器上應用廣泛。該種耐磨帶直接在鉆鋌上熔覆耐磨層，對于焊接條件要求低，耐磨帶寬度一般在5cm ～8cm 左右，對于耐磨帶軸向兩側容易受到地層磨損的位置能夠起到很好的保護作用，但是保護范圍較小，一支儀器上通常根據需要防護的位置布置多個環形耐磨帶，來達到保護儀器基體的目的。

在電磁波電阻率類儀器中，由于儀器上布置了諸多的電磁波收發天線，收發天線本身結構復雜，功能重要且耐磨性不強，需要重點保護，因而在收發天線周圍都布置有環形耐磨帶，用來降低地層對收發天線的磨損，提升儀器的使用壽命。

相對于其它結構形式的耐磨帶，環形耐磨帶結構簡單，焊接方便，容易維修，靈活性強，方便布局，對儀器形成整體防護。但是，環形耐磨帶在遇到研磨性極強的地層時耐磨性偏低，在環形耐磨帶的軸向兩側容易出現磨損，難以對儀器起到很好的保護作用。

2.2 筒式耐磨帶在隨鉆儀器中的應用

筒式耐磨帶是提前在筒式基體上焊接耐磨帶，形成耐磨筒，然后將耐磨筒裝到隨鉆儀器上。筒式耐磨帶主要應用在聲波類和放射性類隨鉆儀器中，該類儀器的鉆鋌上存在規則的圓形傳感器安裝孔，筒式耐磨帶厚度較大，整體外徑尺寸高出儀器本體較多，因此對于鉆鋌上圓形傳感器安裝孔具有極好的防護性。

筒式耐磨帶焊接工藝相對復雜，對焊接條件要求較高，在安裝過程中需要對耐磨筒進行加熱，使之膨脹，套在鉆鋌上，自然冷卻后耐磨筒尺寸收縮，抱緊在鉆鋌上，整個熱裝過程難度較大，需要設計人員對尺寸及溫度進行精確計算，廢品率高。但是，筒式耐磨帶可以獨立加工，與鉆鋌的加工工藝不沖突，可以同時進行，縮短了儀器的加工周期，同時筒式耐磨帶便于更換，在耐磨帶磨損嚴重時只需要將原有耐磨帶去掉，重新熱裝一個新的耐磨帶即可，可以縮短儀器的維修時間，提高儀器的運轉效率。

2.3 長條狀耐磨帶在隨鉆儀器中的應用

長條形耐磨帶同樣是屬于在儀器鉆鋌上直接熔覆耐磨帶的形式，與環形耐磨帶的區別在于長條形耐磨帶在結構布局上是沿著鉆鋌中心軸線的方向，這種耐磨帶的防護目的性明確，主要應用在沿著鉆鋌周向布置的蓋板類結構上，對蓋板起到防護作用。

長條形耐磨帶的焊接形式簡單，使用時間久，但是該種耐磨帶的應用局限性較大，僅適合在蓋板的周圍布置。

2.4 螺旋形耐磨帶在隨鉆儀器中的應用

螺旋形耐磨帶主要形式有兩種，一種是在鉆鋌上直接熔覆，這種類型的耐磨帶通常寬度較窄，一般用在作為扶正器的儀器上，提升儀器的使用壽命；另外一種形式為在電路保護筒上熔覆耐磨帶，對儀器整體起到很好的防護作用。螺旋形耐磨帶的螺旋方向與儀器鉆進過程中的旋轉方向一致，因此有利于鉆井液的快速返出，不會形成憋壓；同時螺旋形耐磨帶在鉆進過程中對于地層可以起到一定的切削作用，對于提升井眼質量有一定的幫助，因此螺旋狀耐磨帶通常用在與地層接觸較多，受磨損情況比較嚴重的儀器上，如近鉆頭類儀器，柔性短節類儀器，扶正器類儀器等。

螺旋狀耐磨帶相對于其它耐磨帶具有更好的耐磨性和儀器整體防護性，對于井眼的平整作用也是其它種類耐磨帶所不具備的，但是該種耐磨帶對于鉆鋌上的安裝孔和蓋板不能起到很好的局部防護作用，且螺旋狀耐磨帶焊接難度較大，對于焊接條件要求較高，一旦損壞修復比較困難（電路保護筒上熔覆螺旋狀耐磨帶的情況），只能更換電路保護筒，維修成本較高。

3 結論

通過以上耐磨帶的典型應用分析不難看出，每種耐磨帶都具有優劣勢。針對不同的儀器特點，不同的使用環境可以選擇不同的耐磨帶結構形式。對于儀器設計人員來說，應該充分考慮儀器的易磨損位置以及鉆井工程需求，選擇最優的一種或者幾種耐磨帶結構形式，提升儀器使用壽命。