(中石化勝利石油工程公司黃河鉆井總公司管具公司,山東 東營 257000)

無磁鉆具防磨處理技術(shù)

徐建飛張曉光

(中石化勝利石油工程公司黃河鉆井總公司管具公司,山東 東營 257000)

通過對無磁鉆具的性能特點、磨損機(jī)理及材質(zhì)焊接性分析，選擇了粉末等離子弧堆焊技術(shù)對無磁鉆具進(jìn)行表面防磨處理；并介紹了無磁鉆具等離子堆焊工藝、操作技術(shù)及防磨層的探傷工藝。經(jīng)武漢材料保護(hù)研究所的權(quán)威檢驗，堆焊耐磨層的相對磁導(dǎo)率為1.008 2，堆焊層硬度為HRC50至HRC55，堆焊層無晶間腐蝕。采用此技術(shù)對一根φ178 mm無磁鉆鋌和一根φ127 mm無磁承壓鉆桿進(jìn)行等離子堆焊防磨處理，由中石油渤海鉆探公司先后在蘇里格油田進(jìn)行了三口井鉆井作業(yè)，完成了直井段、造斜段及水平段施工，累計井下作業(yè)時間568 h。

無磁鉆具等離子弧堆焊防磨鉆井石油

0 序 言

定向鉆井常采用磁性測量井眼方向。無磁鉆具(文中無磁鉆具包括無磁鉆鋌及無磁承壓鉆桿)可以提供無磁環(huán)境，是定向井鉆進(jìn)不可缺少的鉆具。隨著鉆探技術(shù)的發(fā)展，定向鉆井的數(shù)量不斷增加，無磁鉆具的使用不斷增加。由于無磁鉆具材質(zhì)相對常規(guī)鉆具較軟一些，耐磨性相對較差，因此無磁鉆具的磨損較為嚴(yán)重。當(dāng)其外徑達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)所需的尺寸時，該無磁鉆具就得進(jìn)行報廢處理，另外無磁鉆具外徑的縮小，導(dǎo)致連接螺紋的強(qiáng)度降低，從而出現(xiàn)螺紋斷裂的現(xiàn)象；無磁鉆具價格昂貴，為普通鉆具價格的幾倍至十幾倍。因此對無磁鉆具進(jìn)行防磨處理，增加其耐磨性，可以延長無磁鉆具的使用壽命，節(jié)約鉆井成本。

1 無磁鉆具的材質(zhì)及磨損分析

由于磁性測量儀器在測量井眼的方向時，感應(yīng)的是井眼的大地磁場，因此測量儀器必須位于一個無磁環(huán)境。然而在鉆井過程中，常規(guī)鉆具往往具有磁性，影響磁性測量儀器，不能得到正確的井眼軌跡測量信息數(shù)據(jù)。而無磁鉆具由于其材質(zhì)的特殊性，可以提供測量所需的無磁環(huán)境，圖1是無磁鉆鋌的工作原理圖，其上下的干擾磁場對測量儀器部位沒有影響，保證了磁性測量儀器采集到的數(shù)據(jù)為真實大地的磁場信息。

圖1 無磁鉆具工作原理圖

1.1 無磁鉆具材質(zhì)的化學(xué)成分

無磁鉆具是采用磁導(dǎo)率很低的不銹合金鋼制成的，常見的無磁鉆具用材料帶可以分為表1所示的幾類。

1.2 無磁鉆具材質(zhì)的特殊性

根據(jù)國內(nèi)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5144—2013《鉆鋌》，無磁鉆具材質(zhì)必須滿足以下性能要求：

(1)當(dāng)磁場強(qiáng)度為(1×105/4π)A/m時，相對磁導(dǎo)率應(yīng)小于1.010。

(2)沿內(nèi)孔任意相距100 mm的磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度ΔB不應(yīng)大于0.05 μT。

(3) 腐蝕性能要求：無磁鉆鋌材料不應(yīng)存在晶間腐蝕開裂。

(4)力學(xué)性能較高，具體見表2。

1.3 無磁鉆具的磨損分析

由于無磁鉆具的襯質(zhì)為不銹合金鋼，組織為奧氏體，耐磨性要低于鐵素體組織；同時無磁鉆具的整體硬度相對較低(HRC 28～34)，在與井壁的接觸過程中磨損較大。另外，無磁鉆具的使用頻率較普通鉆具要高，而且無磁鉆具大多用于裸眼井段，因此無磁鉆具的磨損速度要遠(yuǎn)高于普通鉆具的磨損速度。

表1 無磁鉆具使用材料

表2 無磁鉆具力學(xué)性能

2 無磁鉆具的焊接性分析

無磁鉆具為無磁鋼，焊接過程中易出現(xiàn)以下問題：焊接中氮的損失、焊接熱裂紋、焊接氣孔；焊接熱影響區(qū)組織為奧氏體和少量分布在晶界上的δ-鐵素體；隨著焊接冷卻速度的增大，HAZ中δ-鐵素體的數(shù)量增加；隨著焊接峰值溫度停留時間增加，δ-鐵素體的數(shù)量增加。

無磁鉆具的性能特點要求奧氏體組織穩(wěn)定，不發(fā)生馬氏體相變。焊接時，焊縫組織需形成穩(wěn)定的奧氏體，不得有馬氏體組織，尤其是進(jìn)行表面堆焊時，不得產(chǎn)生形變馬氏體，因此焊接時要嚴(yán)格控制熱輸入和道(層)間溫度；同時選擇材質(zhì)和焊接工藝時，要防止熱裂紋的產(chǎn)生和碳化物的析出。最終得到的焊縫及熱影響區(qū)不得產(chǎn)生晶間腐蝕，磁性滿足無磁鉆具行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 無磁鉆具防磨處理技術(shù)種類

常規(guī)鉆具的防磨是采用焊接耐磨帶技術(shù)，主要有粉末等離子噴焊和焊絲氣體保護(hù)焊兩種焊接方法。一般應(yīng)用場合選取的焊接材料具有較大的磁性，且在焊接過程中也會有磁性的產(chǎn)生，因此采用常規(guī)的材質(zhì)及焊接方法是無法滿足使用要求。無磁鉆具標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5144—2013)規(guī)定磁性很低，而且要求無晶間腐蝕。這樣對防磨材質(zhì)、焊接方法及焊接工藝的制定提出了更苛刻的要求。

目前，國外無磁鉆具表面防磨處理技術(shù)多采用焊絲氣體保護(hù)焊及粉末激光熔焊。其中焊絲氣體保護(hù)焊多用于無磁鉆具測量儀器的表面防磨處理上，表面處理層的硬度較低；粉末激光熔焊用于鉆探用無磁鉆具表面防磨處理上，表面防磨層硬度較高，但成本高。國內(nèi)京東方通快公司進(jìn)行了石油鉆鋌激光熔覆修復(fù)，其修復(fù)樣品如圖2所示；鐵嶺市奧通石油鉆采公司可以進(jìn)行無磁鉆鋌敷焊硬質(zhì)合金(可能是激光修復(fù))；北京工業(yè)大學(xué)申請了用于激光熔覆的WC-FeNiCr無磁涂層發(fā)明專利。由于焊絲氣體保護(hù)焊硬度低，難以滿足鉆探用無磁鉆具使用需要，而粉末激光熔焊成本太高，難以進(jìn)行推廣使用，因此文中采用粉末等離子堆焊技術(shù)進(jìn)行無磁鉆具進(jìn)行表面防磨處理。

圖2 無磁鉆鋌激光修復(fù)

4 無磁鉆具等離子弧堆焊技術(shù)

4.1 粉末等離子弧堆焊技術(shù)

粉末等離子弧堆焊技術(shù)[1]是利用聯(lián)合型等離子弧或轉(zhuǎn)移型等離子弧為熱源，以合金粉末作填充金屬的一種堆焊工藝，等離子弧溫度高、能量集中、燃燒穩(wěn)定，能迅速而順利地堆焊難熔材料；熔敷率高，稀釋率低，堆焊層質(zhì)量好；工藝過程穩(wěn)定，易于實現(xiàn)機(jī)械化、自動化。粉末等離子堆焊一般采用直流正極性接法，焊接電源的負(fù)極接于鎢極，正極接在工件上，堆焊層和母材金屬之間可以形成很好的冶金結(jié)合。

4.2 無磁鉆具堆焊粉末

無磁鉆具堆焊粉末采用以鈷基為主的自熔性合金粉末，成分主要有Co，Ni，C，Cu，B，Si，F(xiàn)e等元素。它的機(jī)理是與母材高溫熔化后形成碳化物硬質(zhì)相、高硬質(zhì)的硼化物相(CrB，Cr2B)和魚骨狀的共晶化合物相，晶相組織為奧氏體組織，因此堆焊層抗氧化、耐磨損、防腐蝕，而且磁性很低。該合金粉末的適用粒度為74～250 μm、硬度為HRC55以上、松裝比≥4 g/cm3、流動性≤20 s/50 g，流動性能強(qiáng)，焊接性好。

4.3 無磁鉆具等離子堆焊工藝

4.3.1焊前準(zhǔn)備

(1)水路、電路、氣路保持通暢，水位達(dá)到水箱的2/3，氬氣輸出壓力為0.3 MPa左右，粉末輸送正常。

(2)待焊無磁鉆具夾持部位要求干凈，并有金屬光澤，焊接部位不得有泥土、油污和鐵銹，尤其是起焊點必須有金屬光澤。

(3)升降機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、移動機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)正常。

(4)按照設(shè)備說明書的要求，將鎢極打磨好，并安裝在噴槍內(nèi)，調(diào)整集中，按要求進(jìn)行高頻點火試驗，及時對鎢極進(jìn)行調(diào)整。

4.3.2焊接

(1)將無磁鉆具吊裝、無磁鉆具接頭傳輸至卡盤，并將其卡緊。

(2)將焊槍移至待焊位置，調(diào)整焊槍的高度、前后位置。

(3)將各焊接工藝參數(shù)設(shè)置好。

(4)啟動焊接按鈕，進(jìn)行焊接操作。焊接時觀察焊接熔池和焊縫成型，并及時對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

(5)堆焊工藝參數(shù)見表3，其中等離子氣和送粉氣均為氬氣。

4.3.3焊后保溫

焊接完畢，及時對焊接區(qū)域進(jìn)行保溫，保溫時間夏天不少于8 h，冬天不少于12 h。

表3 無磁鉆具粉末等離子堆焊工藝參數(shù)

4.4 無磁鉆具防磨層探傷檢驗工藝

4.4.1著色滲透探傷

對無磁鉆具防磨層，首先采用著色滲透探傷，探傷范圍為整體無磁鉆具噴焊層及兩邊熱影響區(qū)30 mm范圍。裂紋寬度采用塞尺檢驗。裂紋判定標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)周向裂紋超過50 mm或裂紋寬度大于0.3 mm時，該無磁鉆具堆焊層必須全部車削。

(2)與無磁鉆具軸線角度超過45°的斜向裂紋，當(dāng)裂紋寬度大于0.3 mm 或裂紋長度超過75 mm時，該無磁鉆具噴焊層必須全部車削。

(3)面積大于25 mm2封閉裂紋必須車削，重新焊接。

4.4.2超聲探傷

磁粉探傷時，發(fā)現(xiàn)有周向或超過45°的斜向裂紋，但長度小于上述要求時，必須采用超聲再次進(jìn)行探傷。標(biāo)準(zhǔn)試塊為CSK-ⅢA試塊，對比試塊如圖3所示。

圖3 對比試塊

(1)采用對比試塊制作出定量線，在定量線的基礎(chǔ)上增加3 dB 和減少5 dB分別制作出判定線及評定線。

(2)當(dāng)超聲探傷發(fā)現(xiàn)有超出判定線的缺陷，并且長度超過10 mm時，該處無磁鉆具噴焊層必須進(jìn)行車削。其余情況則視為合格。

5 無磁鉆具防磨層檢驗

采用粉末等離子堆焊技術(shù)，將研制的新型無磁防磨粉未堆焊到無磁鉆具表面形成耐磨層，首先對現(xiàn)堆焊層進(jìn)行無損探傷檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等焊接缺陷。再經(jīng)中國機(jī)械研究院武漢材料保護(hù)研究所按照SY/T 5144—2013《鉆鋌》標(biāo)準(zhǔn)對堆焊部位進(jìn)行檢測，堆焊部位相對磁導(dǎo)率為1.008 2，堆焊層硬度為HRC50～55，堆焊層無晶間腐蝕。

6 現(xiàn)場應(yīng)用

采用粉末等離子堆焊技術(shù)對多根無磁鉆具進(jìn)行了表面防磨處理，在勝利油區(qū)和長慶蘇里格油區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用(圖4)，其中對中石油渤海鉆探公司的一根φ178 mm無磁鉆鋌和一根φ127 mm無磁承壓鉆桿進(jìn)行等離子堆焊防磨處理，先后蘇里格油田進(jìn)行了三口井鉆井作業(yè)，完成了直井段、造斜段及水平段施工，累計井下作業(yè)時間568 h。

圖4 現(xiàn)場使用情況

7 結(jié) 論

(1)對無磁鉆具進(jìn)行局部加厚防磨處理，可減少無磁鉆具的磨損，提高其使用壽命。

(2)粉末等離子堆焊技術(shù)可應(yīng)用于無磁鉆具防磨領(lǐng)域，通過選擇合理的粉末，匹配相應(yīng)的焊接工藝，耐磨層可滿足無磁鉆具各項性能要求。

(3)目前國內(nèi)各大小油田均有大量的無磁鉆具先期磨損嚴(yán)重，因此該項技術(shù)具有廣闊的推廣前景。

[1] 中國工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊.焊接方法及設(shè)備:第1卷 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

TG455

2017-05-31

徐建飛，1975年出生，高級工程師。主要從事鉆具防磨處理及新型鉆井工具研究工作。