鉆桿耐磨帶堆焊工藝及性能分析

劉光磊 黃磊

1. 概述

在油氣田勘探開發鉆井中，尤其是在深井、大位移井、水平井、大斜度井中，由于地層中頁巖，石英砂的存在導致鉆桿和套管的嚴重磨損，給鉆井施工帶來重大損失，因此鉆井過程中鉆桿和套管的磨損及防磨問題已引起鉆井界的密切關注。從我國油田分布來看，大港、大慶、江蘇油田由于地層較軟，含巖石量相對較低，因此鉆桿磨損相對較小，對于新疆塔里木油田、四川普光油氣田，由于這里地層頁巖含量大，對鉆桿磨損十分嚴重。

鉆桿接頭耐磨帶以其一定的耐磨性和減磨性，保護鉆桿接頭和套管免遭強烈的磨損，故在鉆井工程中獲得了廣泛的應用。鉆桿耐磨帶主要是采用耐磨帶焊絲通過CO2氣體保護焊的方式堆焊到鉆桿接頭部位的一種高合金耐磨材料。目前進口耐磨帶焊絲以美國某公司的100XT型產品使用最廣泛，最具代表性；國產耐磨帶焊絲以北京佳倍德GD—100具代表性。但無論是那款耐磨帶產品其設計都以保護鉆桿接頭，防止套管磨損為原則。本文以北京佳倍德GD—100耐磨帶焊絲為例，詳細介紹耐磨帶堆焊工藝。

2. 耐磨帶堆焊工藝

（1）耐磨帶材料及設備 試驗采用北京佳倍德GD—100耐磨帶焊絲，f1.6mm，耐磨帶堆焊設備為ZS2000，如圖1所示。焊接電流285A，電弧電壓28V，氬氣保護。耐磨帶寬度76mm，厚度3mm，鉆桿直徑為168.3mm。GD—100耐磨帶焊絲熔敷金屬化學成分如表1所示。

圖1 鉆桿耐磨帶自動堆焊設備

表1 耐磨帶合金成分（質量分數） （%）

（2）耐磨帶堆焊工藝 鉆桿接頭材質為35CrMoSi，為避免堆焊后產生裂紋，造成堆焊層脫落，堆焊前要對鉆桿接頭部位進行預熱。高頻感應加熱升溫到300℃，加熱時間3min保證扶正器內外溫度一致。

以接頭f168mm的鉆桿為例，焊接速度為3min堆焊鉆桿接頭一周，每根鉆桿接頭連續堆焊三道，所以時間為約10min，每道焊縫約消耗0.25kg耐磨帶焊絲。焊接過程中，要保持鉆桿接頭部位溫度≥250℃，用紅外測溫計隨時監測，若低于250℃，馬上停止焊接，再次感應加熱至350℃，再次進行堆焊，如此反復進行。

在堆焊過程中發現，耐磨帶焊絲在純氬氣環境下，要比在CO2保護氣環境下效果好，如圖2所示。在Ar氣保護環境下，相同電流、電壓、焊接速度的情況下，堆焊的耐磨帶表明平整光滑。而CO2保護氣下堆焊的耐磨帶表面會有明顯的魚鱗紋。

耐磨帶堆焊完畢后，為防止耐磨帶焊縫熔合區熱裂紋的出現，需要對耐磨帶進行保溫處理。將內含保溫棉的保溫桶套于鉆桿接頭部位，使其自然冷卻。

3. 耐磨帶性能分析

（1）耐磨帶硬度測試 采用便攜式硬度計對冷卻后的鉆桿接頭耐磨帶進行硬度測試。在測試前按照便攜式硬度計要求先對耐磨帶表面進行打磨、拋光處理，然后對鉆桿接頭耐磨帶不同部分進行硬度測試，測試結果如表2所示。結果表明GD—100耐磨帶宏觀硬度高達61HRC，而且測試點之間硬度差小于2HRC，硬度分布均勻。

（2）著色處理分析 為了減少耐磨帶在鉆井使用中脫落的現象，目前所使用的鉆桿耐磨帶堆焊材料都要求無裂紋。為了比較兩種材料的抗裂性，焊后對堆焊層進行著色處理（見表3），檢查耐磨帶堆焊層的開裂情況及裂紋分布。著色處理表面：GD—100耐磨帶堆焊后無明顯裂紋（見圖3），屬于高硬度無裂紋耐磨帶材料。

4. 結語

采用GD—100耐磨帶焊絲對鉆桿接頭耐磨帶堆焊工藝進行了詳細的介紹，并對不同保護氣下堆焊外觀效果進行了對比，發現采用Ar氣作為堆焊保護氣體要優于CO2保護氣。最后對堆焊后的耐磨帶硬度和開裂情況進行了檢測，結果表明堆焊后的耐磨帶硬度高達61HRC，硬度分布均勻無明顯裂紋。

圖2 不同保護氣下堆焊效果

表2 耐磨帶硬度測量 （HRC）

表3 著色處理分析

圖3 GD100耐磨帶著色處理無裂紋

[1]韓秀明，樊建春.鉆桿防磨技術的現狀和發展[J].石油礦廠機械，2007，36（3）：17-22.

[2]孫咸.鉆桿接頭耐磨帶堆焊材料的發展及應用[J].電焊機，2007，37（10）：46-49.