鉆具耐磨帶敷焊質(zhì)量可靠性及技術(shù)應(yīng)用

1、論文：鉆具耐磨帶敷焊質(zhì)量可靠性及技術(shù)應(yīng)用(1)論文關(guān)鍵詞：耐磨帶鉆具鐵基合金粉焊絲。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，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解決鉆具耐磨帶失效問題非常重要。Keyword ：Wearproof girdle 、 Drilling rig 、Unalterable foundation compound metal powder 、Welding wire

2、 。Abstract ：Be living in the deep well ultradeep well prospecting process ，Since radial direction force 、Eddy is stird 、Elements such as horizontal vibration and so on being ，In the wake of well drilling time the increase ，The auger post writings is used the casing inside wall crossrange strenuously

3、 to broaden ，It is more and more grave to cause casing and drilling rig to join the wornout problem 。Create the main reason of wearproof brining failure of drilling rig to possess layer abrasivity 、The drill pipe operational mode under the shaft 、Wearproof stuff selection together with effect applyi

4、ng solderers skill 。It is very much significant against applies solderers skill to the wearproof girdle failure problem of settlement drilling rig to choose the rightful wearproof stuff 。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，減少對其的損害，為油井的長期生產(chǎn)提供保障。

5、現(xiàn)在則提出了兩方面的要求，不僅能保護(hù)鉆桿頭，延長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)對套管磨損少的苛刻要求，對鉆具接頭的耐磨性提出了越來越多的要求，對目前的耐磨帶材料提出了更高的要求。因此，必須針對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

6、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大小、鉆桿構(gòu)件與井壁的相對運(yùn)動(dòng)速度、材料特性、載荷情況、表面粗糙度、溫度及潤滑等因素密切相關(guān)。分析認(rèn)為地層研磨性強(qiáng)、長裸眼井身結(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，

7、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。鉆具反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)示意圖 1二、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。對于

8、這種磨損其基本對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序號敷焊材料主要成分耐磨帶硬度敷焊工藝1100XT鐵、鉻、碳HRC5861NBC自動(dòng)氣體保護(hù)堆焊2300XT碳、錳、硅、鎳、硼、鈮HRC6165NBC自動(dòng)氣體保護(hù)堆焊3EFD-

9、2-55鉻、碳、錳、鉬HRC5660NBC自動(dòng)氣體保護(hù)堆焊4Fe14鐵、鉻、碳、鉬HRC5055DP自動(dòng)氣體保護(hù)堆焊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，延長鉆具使用壽命，而且對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

10、噴槍與接頭的相對轉(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66C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?/p>

11、程控制器單元是程控系統(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，對于 127 mm 鉆桿，擺幅調(diào)為3O40mm。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

12、度減小，反之厚度增大。對于 127 mm鉆桿，轉(zhuǎn)動(dòng)電壓調(diào)為15 V，送粉電壓調(diào)為2O V，可將耐磨帶厚度控制在23 mm。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)格相對低廉，焊接工藝簡單，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。

13、但是，在較長一段時(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

14、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、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

15、嘴距工件高度、送絲速度等各種參數(shù)進(jìn)行對比調(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

16、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。本篇論文由網(wǎng)友投稿，3COME文檔只給大家提供一個(gè)交流平臺(tái)，請大家參考，如有版權(quán)問題請聯(lián)系我們盡快處理。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

17、導(dǎo)電嘴距工件高度1518cm，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。通過多次調(diào)試，找到了以上各種參數(shù)的最佳值：焊接電流：270-300A 焊接電壓：2729V轉(zhuǎn)動(dòng)電壓：1520V 轉(zhuǎn)動(dòng)速度：4-5分鐘擺動(dòng)電壓：20V 擺動(dòng)寬度：3335 氬氣流量：15L/MIN 導(dǎo)電嘴距工件高度：1518cm送絲速度：9米/分 槍擺速度 大約60 - 90 次/分推薦的焊絲焊接參數(shù)圖示 “ 焊 槍 置 位”“X” 距離范圍 1/2” 到 1-1/2”（12.7mm-38.1mm）,距離公差 0.015” (0.38mm)

18、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ARCNO 200XT)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。而對接頭材質(zhì)為AISI4145HT、1340H

19、T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

20、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

21、帶材料，ARNCO100XT是對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ARNCO 1OOXT耐磨帶不僅對套管磨損降為最低，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)MAUREENGINEEDEA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