滿國(guó)祥，程林，王克虎，楊宏偉，孔令滬，吳浩宇

(河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心石探廠，石家莊 050081)

0 引言

為了避免鉆桿在鉆井過程中發(fā)生過度磨損情況,采用焊接方式將耐磨焊絲沿鉆桿接頭圓周方向焊接環(huán)形帶，此環(huán)形帶即稱之為鉆桿耐磨帶。從機(jī)理上講,鉆桿接頭耐磨帶實(shí)質(zhì)上是一個(gè)隔離層，利用耐磨帶焊絲的耐磨性，通過這個(gè)隔離層,使鉆桿接頭外壁和套管壁或井壁隔離，避免鉆桿接頭與套管壁或井壁直接接觸，以保護(hù)鉆桿接頭和套管免遭強(qiáng)烈磨損。鉆桿耐磨帶在深井、大位移井和大斜度井鉆井工程中獲得了廣泛應(yīng)用，而且該技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際重大石油工程項(xiàng)目招標(biāo)中，投標(biāo)方中標(biāo)的必備技術(shù)條件之一。

1 如何選擇耐磨帶

耐磨帶的工況條件較為復(fù)雜，性能要求苛刻。在鉆井特別是裸眼鉆井過程中，耐磨帶與巖石井壁會(huì)發(fā)生持續(xù)摩擦，耐磨帶必須經(jīng)受住這樣長(zhǎng)時(shí)間磨損。用戶希望耐磨帶的硬度、耐磨性越高越好，這是用戶在選擇耐磨帶時(shí)最大最典型的誤區(qū)。在最早期，耐磨帶焊絲的技術(shù)方案，主要是在較軟的碳鋼基體上包含碳化鎢耐磨顆粒。這種碳化鎢耐磨帶焊絲當(dāng)時(shí)廣泛地應(yīng)用于鉆桿接頭，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的鉆井工作很多是淺井、直井而且沒有套管保護(hù)。隨著深井、斜井和套管保護(hù)越來越多，碳化鎢耐磨帶焊絲逐漸被淘汰，這是因?yàn)樘蓟u耐磨帶會(huì)很快磨穿套管。正確的思路是必須考慮鉆井過程中耐磨帶與套管的接觸摩擦和磨損。如果耐磨帶的硬度和耐磨性比套管高過多，那么套管磨損程度將比耐磨帶大得多。在這種情況下，耐磨帶的硬度、耐磨性越高，套管磨損程度越嚴(yán)重。因此，并不是說耐磨帶的硬度和耐磨性越高越好，而是應(yīng)綜合考慮，使其具有良好的綜合抗磨性能。

綜合抗磨性能是指在具有較高耐磨性的前提條件下，同時(shí)具有一定的減磨性。最佳的耐磨性與減磨性之間存在一定的匹配關(guān)系，將這個(gè)匹配關(guān)系量化確立，是耐磨帶焊絲的核心技術(shù)所在。

總之，選擇耐磨帶時(shí)不是硬度越高、越耐磨越好。對(duì)鉆桿耐磨帶性能的正確選擇是應(yīng)該同時(shí)具有耐磨性和減磨性。

2 耐磨帶對(duì)比

市場(chǎng)上可供選擇的耐磨帶材料并不多，廣大用戶迫切需要價(jià)格合理、性能優(yōu)良的新型耐磨帶焊絲。高性能耐磨帶焊絲與國(guó)際先進(jìn)水平的接軌，為我國(guó)耐磨帶焊絲的研發(fā)指出了明確方向。

2.1 市場(chǎng)常見耐磨帶分析

目前市場(chǎng)上的耐磨帶焊絲主要有安科、博騰、固本、固邦、帝寶等品牌，國(guó)外品牌中以美國(guó)安科一家獨(dú)大，但是價(jià)格高昂。隨著國(guó)內(nèi)品牌的質(zhì)量提升，性能已經(jīng)接近或超過國(guó)外品牌，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，詳見表1。

表1 進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)焊絲性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of imported and domestic welding wires

進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)焊絲中，多家企業(yè)生產(chǎn)的碳化鎢焊絲已逐步淘汰，只有少數(shù)的鉆井隊(duì)仍在使用。美國(guó)安科公司生產(chǎn)的100XT焊絲是常用型號(hào)，無裂紋，150XT型號(hào)焊絲為新型產(chǎn)品，有細(xì)微裂紋，300XT型號(hào)焊絲適用于裸眼井。

2.2 耐磨帶性能分析

以下對(duì)耐磨帶需要什么樣的性能來滿足使用要求，同時(shí)耐磨帶焊絲需要具備什么優(yōu)良性能來滿足更高的要求進(jìn)行分析。

耐磨帶焊接在鉆桿接頭、鉆鋌、加重鉆桿的表面，焊接過程中達(dá)到熔融狀態(tài)后冷卻，在這過程中焊接處的基體會(huì)發(fā)生性能變化，我們分別從10 mm和15 mm處取樣進(jìn)行分析，性能要求標(biāo)準(zhǔn)見表2，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表3。

表2 耐磨帶焊接對(duì)鉆具基體的性能影響要求Table 2 The influence of wear-resistant belt welding on the performance of drilling tool matrix

表3 耐磨帶焊接對(duì)鉆具基體的性能影響Table 3 The influence of wear-resistant belt welding on the performance of drilling tool matrix

通過實(shí)驗(yàn)分析，焊接2道耐磨帶對(duì)基體的性能基本上沒有影響，焊接3道10 mm深度耐磨帶屈服強(qiáng)度和延伸率有一定影響，在可接受的范圍之內(nèi)。

2.2.2 焊接設(shè)備和焊接工藝

焊接設(shè)備差別不大，都需要能夠方便地對(duì)焊接各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的自動(dòng)焊接設(shè)備，焊接工藝需要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，在保護(hù)氣體、焊前熱處理、焊后熱處理以及防止裂紋產(chǎn)生等方面存在一些差別。

2.2.3 耐磨性和減磨性

耐磨帶的耐磨性和減磨性都是相對(duì)的指標(biāo)，應(yīng)該針對(duì)不同的工況進(jìn)行綜合選擇。比如裸眼鉆進(jìn)的鉆桿耐磨帶就不用過多考慮減磨性，應(yīng)突出耐磨性能，廉價(jià)的碳化鎢粉末，高耐磨高硬度是第一選擇，但是往往鉆具的使用也是復(fù)雜多工況的，這就需要綜合考慮。對(duì)鉆桿耐磨帶性能參數(shù)分析要考慮的因素主要有載荷、摩擦系數(shù)和材料特性等方面。首先是鉆井過程中載荷的影響，凡是增大鉆桿接頭與井壁接觸力的因素都會(huì)加劇磨損，比如典型的“狗腿井段”，如果耐磨帶磨損過快甚至出現(xiàn)了鉆桿接頭的偏磨現(xiàn)象，一定要關(guān)注鉆井參數(shù)是否適合；其次摩擦系數(shù)對(duì)耐磨帶性能的影響顯而易見，從鉆井參數(shù)上要選擇合適的潤(rùn)滑劑品種；再有就是耐磨帶材料本身的材料特性也是非常關(guān)鍵的因素，甚至是研究耐磨帶材料的最重要因素。

2.2.4 焊接成型和修復(fù)

1.加強(qiáng)飼養(yǎng)，防止?fàn)I養(yǎng)因子缺乏。妊娠母豬飼喂全價(jià)飼料，保持營(yíng)養(yǎng)平衡，防止維生素A、維生素D、維生素C、維生素E、微量元素及礦物質(zhì)的缺乏，以保證胎兒正常發(fā)育。同時(shí)，為使免疫母豬盡可能多地給仔豬提供特異性抗體，可在母豬飼糧中添加VE；配種前15 d內(nèi)及妊娠期間，在母豬日糧中加入適量低分子脂肪酸，可顯著提高初乳中總蛋白質(zhì)、免疫球蛋白和不飽和脂肪酸含量，從而增強(qiáng)仔豬抗御病原體，特別是腸道病原體的能力，減少斷奶前腸道疾病造成的損失，防止腹瀉的發(fā)生。

焊接成型和耐磨帶的修復(fù)是耐磨帶材料的重要因素，從適應(yīng)鉆井環(huán)境來說，理想狀態(tài)要達(dá)到以下幾點(diǎn)要求：①耐磨帶上無龜裂；②在鉆井過程中, 對(duì)套管的磨損降為最低；③套管與鉆桿接頭同時(shí)得到保護(hù)；④可用于新舊不同尺寸的鉆桿；⑤可焊性好，可以直接在舊的耐磨帶上焊接。

2.3 耐磨帶焊接實(shí)驗(yàn)

通過上文市場(chǎng)常見耐磨帶性能和耐磨帶焊絲性能分析制定焊接實(shí)驗(yàn)方案，分別對(duì)市場(chǎng)常見的耐磨帶焊絲進(jìn)行焊接對(duì)比，從而為耐磨帶焊絲選擇提供依據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 耐磨帶焊絲焊接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Welding test data of wear-resistant belt welding wire

安科100耐磨帶焊絲，焊前焊后需要按照規(guī)程嚴(yán)格執(zhí)行，硬度均勻，除接口處硬度稍低其他可以滿足>50HRC要求，焊接成型好，沒有裂紋產(chǎn)生，飛濺小。上海博騰BoTn1000耐磨帶焊絲，焊前不需要預(yù)熱，硬度比較均勻，硬度普遍在HRC55左右，焊接成型不好，沒有裂紋產(chǎn)生，純氬氣飛濺小，混合氣飛濺較大，如圖1所示。無錫固邦100耐磨帶焊絲，焊前不需要預(yù)熱，硬度不太均勻，偶爾有軟點(diǎn)出現(xiàn)，焊接成型好，收弧處偶有裂紋產(chǎn)生，加強(qiáng)型出現(xiàn)裂紋頻率較高，飛濺小，如圖2所示。

圖1 博騰1000焊絲堆焊耐磨帶Fig.1 The surfacing wear-resistant belt of Boteng 1000 welding wire

圖2 固邦100焊絲堆焊耐磨帶Fig.2 The surfacing wear-resistant belt of Gubang 100 welding wire

通過上海博騰1000焊絲與無錫固邦100焊絲小批量焊接對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論。博騰1000焊絲收弧重疊處大約10 mm區(qū)域硬度HRC38左右，對(duì)耐磨帶整體影響不大，每根都有玻璃體積瘤，肉眼觀察不影響焊接性能，最后一道耐磨帶不如固邦整齊，博騰有點(diǎn)顯波浪，砂帶打磨效果無明顯差別；固邦100焊絲收弧重疊處硬度HRC50以下，打磨后顯輕微裂紋，沒有玻璃體積瘤。

2.3.5 其他焊絲實(shí)驗(yàn)

在對(duì)市場(chǎng)推廣早、使用較多的焊絲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的同時(shí)，我們也對(duì)河北清河聯(lián)盛焊接技術(shù)有限公司和無錫帝寶應(yīng)用材料高科技有限公司開發(fā)的耐磨帶產(chǎn)品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和技術(shù)交流，總體來說國(guó)內(nèi)焊絲在一定程度上滿足了鉆井要求，還有很大的進(jìn)步和發(fā)展空間。聯(lián)盛焊絲的耐磨帶如圖3所示，帝寶焊絲的耐磨帶如圖4所示。

圖3 聯(lián)盛LS-100C焊絲堆焊的耐磨帶Fig.3 The surfacing wear-resistant belt of Liansheng LS-100C welding wire surfacing

圖4 帝寶MX-100焊絲堆焊的耐磨帶Fig.4 The surfacing wear-resistant belt of Dibao MX-100 wire

3 新技術(shù)與工藝

隨著鉆井工況的變化和耐磨帶技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的拓展，耐磨帶產(chǎn)品除了不斷追求更好的焊接外觀、更強(qiáng)的耐磨性能、更穩(wěn)定的產(chǎn)品品質(zhì)外，在一些新興需求面前，對(duì)標(biāo)國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品推陳出新，不斷進(jìn)步。目前，值得關(guān)注的新技術(shù)、新工藝有以下幾種。

(1)無磁耐磨帶。在無磁鉆具上，常見的做法是堆焊不銹鋼合金材料，雖然堆焊不銹鋼合金材料能提供保護(hù)性能，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到最終用戶的預(yù)期。

(2)無須預(yù)熱的堆焊工藝。通常，耐磨帶的焊接需要對(duì)鉆桿接頭進(jìn)行預(yù)熱，但是會(huì)有很多不具備預(yù)熱工藝的場(chǎng)合出現(xiàn)。這方面的需求國(guó)內(nèi)耐磨帶表現(xiàn)優(yōu)于國(guó)外品牌，通過對(duì)耐磨帶焊絲進(jìn)行合金設(shè)計(jì)調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)不預(yù)熱直接堆焊且完全沒有裂紋。

(3)無須保護(hù)氣體的堆焊工藝。在一些特殊地區(qū)不具備保護(hù)氣體的條件，耐磨帶焊絲研究有必要進(jìn)行無須保護(hù)氣體的堆焊工藝研究。

(4)低溫焊接工藝。隨著鉆桿內(nèi)涂層使用的逐漸普及，耐磨帶復(fù)焊時(shí)由于焊接溫度過高導(dǎo)致鉆桿內(nèi)壁涂層失效的問題凸顯。耐磨帶焊絲研究廠家能否研究出確保堆焊過程中鉆桿的受熱溫度控制在特定范圍內(nèi)的產(chǎn)品，這是耐磨帶焊絲和內(nèi)涂層涂料研究共同的課題。

4 結(jié)語

耐磨帶產(chǎn)品的選擇并不是簡(jiǎn)單地根據(jù)產(chǎn)品硬度來決定，需要考慮產(chǎn)品的合金設(shè)計(jì)、堆焊工藝的可操作性、用戶自身的堆焊工況以及最終用戶的使用工況來綜合考慮。通常來說，選用國(guó)產(chǎn)品牌，比進(jìn)口產(chǎn)品具有更好的性價(jià)比。