耐磨帶敷焊質(zhì)量可靠性論文
時(shí)間：2022-09-15 04:29:00
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論文摘要：在深井超深井勘探過程中，由于徑向力、渦動(dòng)、橫向振動(dòng)等因素的存在，隨著鉆井時(shí)間的增長(zhǎng)，鉆柱作用于套管內(nèi)壁的側(cè)向力增大，導(dǎo)致套管和鉆具接頭磨損的問題越來越嚴(yán)重。造成鉆具耐磨帶失效的主要原因有地層研磨性、鉆桿的井下工況、耐磨材料選擇與敷焊工藝的影響。選擇合理的耐磨材料與敷焊工藝對(duì)解決鉆具耐磨帶失效問題非常重要。
Keyword：Wearproofgirdle、Drillingrig、Unalterablefoundationcompoundmetalpowder、Weldingwire。
Abstract：Belivinginthedeepwellultradeepwellprospectingprocess，Sinceradialdirectionforce、Eddyisstird、Elementssuchashorizontalvibrationandsoonbeing，Inthewakeofwelldrillingtimetheincrease，Theaugerpostwritingsisusedthecasinginsidewallcrossrangestrenuouslytobroaden，Itismoreandmoregravetocausecasinganddrillingrigtojointhewornoutproblem。Createthemainreasonofwearproofbriningfailureofdrillingrigtopossesslayerabrasivity、Thedrillpipeoperationalmodeundertheshaft、Wearproofstuffselectiontogetherwitheffectapplyingsolderer''''sskill。Itisverymuchsignificantagainstappliessolderer''''sskilltothewearproofgirdlefailureproblemofsettlementdrillingrigtochoosetherightfulwearproofstuff。
引言
石油鉆具接頭耐磨帶噴涂焊技術(shù)在世界石油企業(yè)中已經(jīng)應(yīng)用很多年了，最初目的是為保護(hù)鉆桿接頭，提高其耐磨性能，其效果也較好。在上世紀(jì)90年代，根據(jù)生產(chǎn)的需要，又提出了需要保護(hù)下井的套管，減少對(duì)其的損害，為油井的長(zhǎng)期生產(chǎn)提供保障?，F(xiàn)在則提出了兩方面的要求，不僅能保護(hù)鉆桿頭，延長(zhǎng)其二次噴涂周期和使用壽命，而且能最大限度地保護(hù)好下井的套管，減少因套管磨損引起的泄漏事故帶來的損失。此外，隨著鉆井技術(shù)的進(jìn)步，深井、超深井、從式井、大斜度井、水平井逐漸增多，不僅要達(dá)到在裸眼井中鉆進(jìn)時(shí)，其耐磨性較好，而且在套管中鉆進(jìn)時(shí)對(duì)套管磨損少的苛刻要求，對(duì)鉆具接頭的耐磨性提出了越來越多的要求，對(duì)目前的耐磨帶材料提出了更高的要求。因此，必須針對(duì)不同類型鉆井施工的需要慎重選擇和使用耐磨材料，才能適應(yīng)不同類型鉆井生產(chǎn)的需要。
一、鉆具接頭偏磨和耐磨帶失效的原因
1、地層研磨性強(qiáng)
鉆桿在工作過程中，其外壁尤其是接頭部位要與井壁或套管接觸，承受劇烈的磨料磨損，特別是下部目的層段使用屏蔽暫堵鉆井液時(shí)，鉆桿工作在含砂多、粘度高、相對(duì)密度大，并且有一定腐蝕性的鉆井液中。因此鉆桿在承受磨料磨損的同時(shí)還承受沖蝕磨損，從磨損機(jī)理來說，鉆桿的磨損主要是顯微切削，同時(shí)兼有腐蝕作用。因此鉆桿在旋轉(zhuǎn)鉆井過程中，接頭外壁很容易發(fā)生磨料磨損失效。磨料磨損失效與敷焊材料的硬度和地層硬度的相對(duì)大小、鉆桿構(gòu)件與井壁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、材料特性、載荷情況、表面粗糙度、溫度及潤(rùn)滑等因素密切相關(guān)。分析認(rèn)為地層研磨性強(qiáng)、長(zhǎng)裸眼井身結(jié)構(gòu)容易使鉆桿偏磨、耐磨帶失效幾率增加。
2、鉆桿井下工況影響
鉆桿在井內(nèi)以轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù)按順時(shí)針方向繞自身軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力的作用鉆桿接頭均有貼向井壁的可能，與井壁間產(chǎn)生摩擦力，整個(gè)彎曲的鉆柱各處接頭將會(huì)以各自所處的條件，以一定的轉(zhuǎn)速按反時(shí)針方向繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)普遍存在，鉆桿在筒形井壁中反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)更多的是帶滑動(dòng)的滾動(dòng)，這是鉆桿接頭外徑和耐磨帶磨損的根本原因。鉆桿耐磨帶的磨損與井眼軌跡變化、井壁巖石性質(zhì)和泥漿性能關(guān)系密切，反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的直接后果是使鉆桿偏磨和磨損。鉆桿的井下旋轉(zhuǎn)的不定性、與井壁摩擦、碰撞、磨削的客觀存在必然影響著鉆桿偏磨及耐磨帶失效。反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是不可避免的，反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的存在使鉆桿在井下旋轉(zhuǎn)工況惡化而引起接頭偏磨和耐磨環(huán)失效。
二、耐磨材料的選擇及敷焊工藝
1、鉆具接頭外表面的磨損機(jī)理以顯微切削為主同時(shí)兼有腐蝕作用。對(duì)于這種磨損其基本對(duì)策是大幅度提高鉆具接頭工作面的硬度。一般接頭壽命約為管體壽命的幾分之一，如果在接頭外徑部分敷焊耐磨帶，可大幅度提高鉆具接頭的耐磨性，延長(zhǎng)使用壽命。為了提高鉆具接頭的使用壽命，其外表面噴涂耐磨合金帶的方法在國內(nèi)外已被廣泛采用。目前我國的鉆具耐磨帶敷焊材料主要以美國安科公司的100XT、300XT和國產(chǎn)金凌達(dá)的2-55、3-60焊絲以及鐵基自熔性合金粉Fe14、Fe90為主。
國內(nèi)目前常用的鉆具耐磨帶敷焊材料表
2、應(yīng)用等離子弧焊技術(shù)，采用具有較小的摩擦因數(shù)，且具有一定硬度(HRC52)的焊料施焊鉆具，不僅降低鉆具的旋轉(zhuǎn)阻力，增大鉆具扭矩，延長(zhǎng)鉆具使用壽命，而且對(duì)套管也具有一定的保護(hù)作用。
2.1等離子弧粉末噴焊的工作原理
氬氣通過電磁閥和轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入噴槍，在噴槍鎢陰極與水冷紫銅噴嘴之間借助高頻引燃非弧，在陰極與接頭之間，借助非弧過渡引燃轉(zhuǎn)弧。等離子弧粉末噴焊是利用氬氣等離子弧產(chǎn)生的熱量，在鉆桿接頭表面形成熔池，借助刮板式送粉器將合金粉末吹入電弧中，在弧柱中被預(yù)熱熔化，噴射到熔池內(nèi)，隨著噴槍與接頭的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，合金熔池逐漸凝固，通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，可在接頭上獲得需要的耐磨帶。采用鐵基粉類等離子噴涂堆焊耐磨帶，敷焊時(shí)不預(yù)熱，通過自動(dòng)線輸送到室外。在冬季室內(nèi)外溫差很大，焊后在鉆桿接頭的端部采用鋁一硅棉保溫套保溫，保溫套應(yīng)該保持一直到鉆桿接頭的溫度下降到66°C以下為止，否則會(huì)接頭耐磨帶邊緣處有微小裂紋，在鉆進(jìn)過程中發(fā)生刺穿事故。
2.2等離子噴焊技術(shù)參數(shù)的調(diào)整
電控操縱柜主要由氣路單元、計(jì)數(shù)器控制單元、可編程控制器單元和參數(shù)調(diào)節(jié)單元組成。送粉氣給送粉通道一定壓力，保證合金粉末暢通無阻地送到噴焊熔池內(nèi)；離子氣通過氣管線進(jìn)入噴槍，在間隙中電離產(chǎn)生火花。計(jì)數(shù)器用于控制噴焊耐磨帶的起止位置?？删幊炭刂破鲉卧浅炭叵到y(tǒng)的核心，提供本系統(tǒng)的程檢、手動(dòng)和自動(dòng)控制程序。參數(shù)調(diào)節(jié)單元可對(duì)影響耐磨帶質(zhì)量的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
耐磨帶接口可通過調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器數(shù)值和轉(zhuǎn)弧電流衰減旋紐進(jìn)行控制，耐磨帶接口既不能存在間隙，也不能重焊太多。轉(zhuǎn)弧衰減電流調(diào)試成功后，計(jì)數(shù)器數(shù)值調(diào)到比1430大515，可得到光滑平整的接口。
耐磨帶寬度利用擺動(dòng)機(jī)構(gòu)控制。通過調(diào)節(jié)擺動(dòng)器滑塊在偏心輪上的偏心距來改變擺幅，來獲得符合要求的焊縫，對(duì)于127mm鉆桿，擺幅調(diào)為3O—40mm。
耐磨帶厚度的控制是通過調(diào)節(jié)送粉電壓和轉(zhuǎn)動(dòng)電壓。提高刮板式送粉器電機(jī)的電樞電壓增加送粉量，耐磨帶厚度增大，反之厚度減小。轉(zhuǎn)動(dòng)電壓升高，卡盤轉(zhuǎn)速加快，可使耐磨帶厚度減小，反之厚度增大。對(duì)于127mm鉆桿，轉(zhuǎn)動(dòng)電壓調(diào)為15V，送粉電壓調(diào)為2OV，可將耐磨帶厚度控制在2～3mm。
3、國產(chǎn)合金焊絲是一種新型的耐磨帶材料，與合金粉相比硬度高、耐磨性好，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各油田。這種材料敷焊的鉆桿接頭耐磨帶摩擦因數(shù)小，可以在鉆桿接頭與套管間形成摩擦副，不僅有效地保護(hù)鉆桿接頭和套管，而且降低了鉆具旋轉(zhuǎn)阻力，增大鉆桿的扭矩。它價(jià)格相對(duì)低廉，焊接工藝簡(jiǎn)單，只要在傳統(tǒng)焊機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造即可進(jìn)行生產(chǎn)；焊時(shí)無需預(yù)熱，具有重復(fù)可焊性。在裸眼鉆井環(huán)境下，更有效地保護(hù)鉆桿接頭，減小磨損。
兩種工藝需要的設(shè)備存在不同點(diǎn)，等離子弧焊設(shè)備中兩臺(tái)電源和高頻柜將不能在送絲焊中使用。但是，在較長(zhǎng)一段時(shí)間里，這兩種噴焊方式還將共存。因此，需在等離子弧焊設(shè)備的基礎(chǔ)上，進(jìn)行部分改造，同時(shí)增加部分焊絲設(shè)備，能夠方便地進(jìn)行兩種噴涂方式的轉(zhuǎn)換、銜接，以達(dá)到能分別滿足兩種噴涂工藝的要求。
3、1對(duì)等離子弧焊設(shè)備進(jìn)行了部分改造：
1）、調(diào)整了夾緊鉆桿接頭裝置，并且具有了能夠在焊槍下旋轉(zhuǎn)鉆桿接頭的功能，把轉(zhuǎn)速限定在60-210秒/轉(zhuǎn)，而且可以微調(diào)；
2）、焊接設(shè)備能帶動(dòng)焊槍自動(dòng)擺動(dòng)功能，擺頻為30-90次/分，擺幅15-40mm可調(diào)；
3）、焊槍垂直于鉆桿軸線，偏離中心5-40mm，保證焊接時(shí)焊槍處于上坡狀態(tài)，有利于焊接時(shí)觀察焊接質(zhì)量；
4）、對(duì)冷卻水泵進(jìn)行流量重新調(diào)節(jié)，能滿足新噴焊工藝需要。
3、2增加的設(shè)備有：
1）TKR-500自動(dòng)氣保護(hù)焊機(jī)電源一臺(tái)；
2）自動(dòng)送絲機(jī)一臺(tái)，速度可調(diào)，根據(jù)鉆桿旋轉(zhuǎn)速度和耐磨帶厚度，速度控制在6-12m/min之間，調(diào)節(jié)壓絲輪壓緊度適中，不能使焊絲變形，
3）風(fēng)冷和水冷焊槍各一只；
4）、在兩種噴涂設(shè)備之間，增加了轉(zhuǎn)換裝置，可以在30分鐘內(nèi)方便地完成轉(zhuǎn)換，銜接也很方便。
3、3設(shè)備改造后的性能：
1）具備粉末噴焊和送絲焊兩種功能，焊接方式可以互相轉(zhuǎn)換；
2）可以應(yīng)用各種型號(hào)、品牌的焊絲；
3）能根據(jù)用戶要求，焊出合格的耐磨帶。
3、4、技術(shù)參數(shù)調(diào)整
合金焊絲是比較新的工藝，需要選擇合適的焊絲、以及對(duì)焊接電壓與電流大小、轉(zhuǎn)動(dòng)電壓、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、擺動(dòng)電壓、擺動(dòng)寬度、氬氣流量、導(dǎo)電嘴距工件高度、送絲速度等各種參數(shù)進(jìn)行對(duì)比調(diào)試，以達(dá)到最佳效果。
其中，焊接電流、焊接電壓、轉(zhuǎn)動(dòng)電壓、轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小對(duì)焊絲的融化速度和成型質(zhì)量有決定性影響，如果焊接電流、焊接電壓參數(shù)值過大，超過320A、32V以上，則會(huì)使焊絲融化速度過快，焊絲散熱不均勻，來不及均勻敷設(shè)在接頭表面，從而使形成的耐磨帶呈現(xiàn)起伏不平的連續(xù)小堆狀，不光滑，外觀質(zhì)量差；而低于240A、25V，則會(huì)使焊絲融化速度過慢，導(dǎo)致散熱速度快，在融化后的焊絲未均勻鋪開，達(dá)到預(yù)定的形狀前就固定成型，呈現(xiàn)不連續(xù)的多點(diǎn)狀，使外觀不均勻、不整齊；
而轉(zhuǎn)動(dòng)電壓和轉(zhuǎn)動(dòng)速度與鉆桿的轉(zhuǎn)動(dòng)速度及融化后的焊絲在接頭上的均勻性、光滑性密切相關(guān)，超過12米/分則會(huì)使融化后的焊絲在接頭上呈現(xiàn)連續(xù)的正（余）弦線狀，而低于6米/分則會(huì)幾乎成平行線，都是不符合要求的。因而，在6米/分—12米/分之間送絲速度能噴焊出較好的效果。采用的速度是9米/分，達(dá)到了最佳效果。導(dǎo)電嘴距鉆桿接頭的高度十分關(guān)鍵，過高會(huì)造成電流焊接減小，焊絲與接頭本體融化速度慢，與鉆桿接頭無法融合到一起，使焊帶的焊接質(zhì)量無法保證；過低使焊接電流過大，使焊絲在導(dǎo)電嘴內(nèi)部融斷，直接附著在導(dǎo)電嘴內(nèi)，并在其內(nèi)形成閉和回路，使導(dǎo)電嘴在很短的時(shí)間內(nèi)燒毀，使噴焊作業(yè)無法繼續(xù)進(jìn)行。通過多次調(diào)試，獲得了最佳的導(dǎo)電嘴距工件高度15－18cm，能使焊絲噴焊質(zhì)量達(dá)到最佳效果。
而擺動(dòng)電壓、擺動(dòng)寬度、氬氣流量與常規(guī)噴粉焊接基本一致，不需要做較大的調(diào)整就可以滿足正常的使用要求。
此外，在兩種噴焊方式的轉(zhuǎn)換過程中，不需要進(jìn)行大量的調(diào)試工作，在30分鐘內(nèi)即可完成，投入正常工作。
在室外溫度在-5℃寒冷條件下進(jìn)行普通的鉆桿接頭等離子噴焊后，為避免焊后耐磨帶內(nèi)的焊接內(nèi)應(yīng)力，防止焊后裂紋產(chǎn)生，需要進(jìn)行保溫處理。采取的保溫措施是用石棉保溫套戴在耐磨帶上，直到降至室溫為止。
國產(chǎn)的金達(dá)凌EFD-2-55(相當(dāng)于ARCNO200XT)系列產(chǎn)品，在研發(fā)過程中已經(jīng)充分考慮到了為達(dá)到在國內(nèi)各種環(huán)境溫度下焊后不出現(xiàn)應(yīng)力裂紋的要求，所以對(duì)焊絲配方進(jìn)行了專門的研究、攻關(guān)，確保了焊后不需要采取特殊的保溫措施，僅僅是在焊后進(jìn)行室內(nèi)緩冷，達(dá)到室溫即可投入使用。而對(duì)接頭材質(zhì)為AISI4145HT、1340HT來講才需要采取非常嚴(yán)格的保溫措施，如石棉纏繞耐磨帶等。
金達(dá)凌EFD-2-55耐磨帶經(jīng)過試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用證明，與鋼質(zhì)鉆桿接頭相比，套管磨損減少86％；與經(jīng)過碳化鎢處理的鉆桿接頭相比，套管磨損降低76％；摩擦因數(shù)的減小，使鉆具旋轉(zhuǎn)阻力、扭矩增大30％，節(jié)省燃料消耗10％；在裸眼鉆井環(huán)境下，更有效地保護(hù)鉆桿接頭，減小磨損。
4.4、安科耐磨帶
ARNCO公司推出新耐磨帶材料ARNCO200XT，敷焊ARNCO2O0XT的鉆桿不僅降低了鉆桿接頭本身的磨損，還有效地降低了套管的磨損。這種焊絲是一種低摩擦因數(shù)的碳化鉻鐵合金材料，該化合物具有較小的金屬和金屬之間的磨損率，適度偏高的耐磨性能。ARNCO200XT與碳化鎢耐磨帶相比可使套管磨損率下降75～85％。既能有效地保護(hù)套管，又能延長(zhǎng)鉆桿接頭的使用壽命。另外，碳化鎢耐磨帶為了防止其過度地磨損套管，焊接要求高，而敷焊ARNCO200XT耐磨帶后的鉆桿接頭外圓直徑大于接頭外圓，避免了接頭與井壁或套管直接摩擦，且不必經(jīng)過特殊熱處理，就能夠在原來的耐磨帶上敷焊新的ARNCO200XT耐磨帶，能方便修復(fù)磨損的耐磨帶。使用ARNCO200XT耐磨帶的鉆桿與井壁或套管摩擦因數(shù)降低，大大減小了阻力和扭矩，同時(shí)降低了轉(zhuǎn)盤的能耗。迄今為止，該技術(shù)已經(jīng)在世界各地得到了應(yīng)用，在深探井、特殊井技術(shù)套管防磨方面起到了很好的作用。隨后，又開發(fā)出ARNCO1O0XT鉆桿接頭耐磨帶材料，ARNCO100XT是對(duì)ARNC200XT的改進(jìn)。因ARNCO200XT在敷焊過程中易產(chǎn)生微裂紋，雖然在使用過程中沒有影響，但重新敷焊時(shí)則要將有裂紋的部分全部鏟掉。而改進(jìn)的ARNCO1OOXT耐磨帶不僅對(duì)套管磨損降為最低，而且在裸眼井中，它的耐磨性與碳化鎢相當(dāng)，提高鉆桿接頭壽命300%；同時(shí)保護(hù)套管與鉆桿接頭，并可在原先殘存的碳化鎢耐磨帶上繼續(xù)加焊100XT；可用于新、舊不同尺寸的各種鉆桿工具。在美國權(quán)威機(jī)構(gòu)MAUREENGI—NEEDEA一42套管磨損研究中證明，ARNCO耐磨帶技術(shù)既可以用于保護(hù)鉆桿接頭，延長(zhǎng)其壽命，也能保護(hù)套管，減小磨損。實(shí)踐證明，以盡量減少套管磨損為主，允許鉆桿接頭耐磨帶適度磨損的材料設(shè)計(jì)原理是科學(xué)的。
2003年初安科公司推出了“第3代”產(chǎn)品300XT鉆桿接頭耐磨帶。這種耐磨帶不同于早期的100XT和200XT耐磨帶，屬于無鉻金屬的鐵基合金，含有鎳、硼、鈮等元素，并有一些其他的合金成分，能形成很好的熔池效果，特別適應(yīng)于在極度研磨的裸眼地層鉆進(jìn)。能將套管磨損狀態(tài)降至最低程度；以耐磨帶的磨損代替了鉆桿接頭和套管的磨損，并在裸眼井鉆進(jìn)時(shí)的抗磨效果幾乎等同于碳化鎢，確保鉆桿接頭和套管之間的理想摩擦和均衡保護(hù)，采取高度為2mm“凸起”堆焊方式，使摩擦由耐磨帶負(fù)擔(dān)，并且300XT可以堆焊在過去原有的100XT和一些其他公司出產(chǎn)的耐磨帶之上；耐磨壽命長(zhǎng)，大大減少了起下鉆、重新修焊和往返運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間及成本。
結(jié)論
1、等離子弧噴焊的弧柱穩(wěn)定，熱量集中，熱能利用率高；可控性好，能控制熱量過渡，沖淡率低；接近單絲自動(dòng)焊，熔敷率高。它敷焊熔深小、無夾渣、不易產(chǎn)生裂紋和氣孔。但是Fe14鐵基粉耐磨帶有明顯的裂紋、咬邊現(xiàn)象，使用壽命不如合金焊絲。主要原因是耐磨材料偏軟，較高碳含量致使涂層組織中彌散分布的碳化物、硼化物硬質(zhì)相的過共晶萊氏體等碳冷裂，敷焊材料沒有針對(duì)長(zhǎng)裸眼井身結(jié)構(gòu)、地層的強(qiáng)研磨性的具體情況。
2、國產(chǎn)合金焊絲是一種新型的耐磨帶材料，與合金粉相比硬度相當(dāng)、耐磨性更好，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各油田。這種材料敷焊的鉆桿接頭耐磨帶摩擦因數(shù)小，可以在鉆桿接頭與套管間形成摩擦副，不僅有效地保護(hù)鉆桿接頭和套管，而且降低了鉆具旋轉(zhuǎn)阻力，增大鉆桿的扭矩。
3、安科100XT和安科300XT鉆桿接頭耐磨帶，具有超級(jí)優(yōu)越性能，和野外適用性（幾乎可以繼續(xù)加焊在任何原有的耐磨帶上），可以在保護(hù)鉆桿接頭的同時(shí)，保護(hù)石油套管不被磨損。也特別能夠適應(yīng)于在極度研磨的裸眼地層鉆進(jìn)。我國出口的石油鉆桿，和加重鉆桿，也大多加焊了安科技術(shù)公司的耐磨材料。
從性能價(jià)格對(duì)比，鐵基粉類價(jià)格偏低，進(jìn)口焊絲價(jià)格偏高，各油田企業(yè)難以承受，國產(chǎn)焊絲價(jià)格相對(duì)低，焊接工藝簡(jiǎn)單，焊件無需預(yù)熱，焊后具有重復(fù)可焊性，減少了重新修焊和往返、運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間及成本。