鉆桿耐磨帶技術分析

滿國祥，程林，王克虎，楊宏偉，孔令滬，吳浩宇

(河北省地礦局國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形帶，此環形帶即稱之為鉆桿耐磨帶。從機理上講,鉆桿接頭耐磨帶實質上是一個隔離層，利用耐磨帶焊絲的耐磨性，通過這個隔離層,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，以保護鉆桿接頭和套管免遭強烈磨損。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用，而且該技術已經成為國際重大石油工程項目招標中，投標方中標的必備技術條件之一。

1 如何選擇耐磨帶

耐磨帶的工況條件較為復雜，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發生持續摩擦，耐磨帶必須經受住這樣長時間磨損。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最大最典型的誤區。在最早期，耐磨帶焊絲的技術方案，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時廣泛地應用于鉆桿接頭，因為當時的鉆井工作很多是淺井、直井而且沒有套管保護。隨著深井、斜井和套管保護越來越多，碳化鎢耐磨帶焊絲逐漸被淘汰，這是因為碳化鎢耐磨帶會很快磨穿套管。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，套管磨損程度越嚴重。因此，并不是說耐磨帶的硬度和耐磨性越高越好，而是應綜合考慮，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系，將這個匹配關系量化確立，是耐磨帶焊絲的核心技術所在。

總之，選擇耐磨帶時不是硬度越高、越耐磨越好。對鉆桿耐磨帶性能的正確選擇是應該同時具有耐磨性和減磨性。

2 耐磨帶對比

市場上可供選擇的耐磨帶材料并不多，廣大用戶迫切需要價格合理、性能優良的新型耐磨帶焊絲。高性能耐磨帶焊絲與國際先進水平的接軌，為我國耐磨帶焊絲的研發指出了明確方向。

2.1 市場常見耐磨帶分析

目前市場上的耐磨帶焊絲主要有安科、博騰、固本、固邦、帝寶等品牌，國外品牌中以美國安科一家獨大，但是價格高昂。隨著國內品牌的質量提升，性能已經接近或超過國外品牌，國內市場基本上已經實現了國產化，詳見表1。

表1 進口及國產焊絲性能對比Table 1 Performance comparison of imported and domestic welding wires

進口及國產焊絲中，多家企業生產的碳化鎢焊絲已逐步淘汰，只有少數的鉆井隊仍在使用。美國安科公司生產的100XT焊絲是常用型號，無裂紋，150XT型號焊絲為新型產品，有細微裂紋，300XT型號焊絲適用于裸眼井。

2.2 耐磨帶性能分析

以下對耐磨帶需要什么樣的性能來滿足使用要求，同時耐磨帶焊絲需要具備什么優良性能來滿足更高的要求進行分析。

耐磨帶焊接在鉆桿接頭、鉆鋌、加重鉆桿的表面，焊接過程中達到熔融狀態后冷卻，在這過程中焊接處的基體會發生性能變化，我們分別從10 mm和15 mm處取樣進行分析，性能要求標準見表2，具體實驗參數見表3。

表2 耐磨帶焊接對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

通過實驗分析，焊接2道耐磨帶對基體的性能基本上沒有影響，焊接3道10 mm深度耐磨帶屈服強度和延伸率有一定影響，在可接受的范圍之內。

2.2.2 焊接設備和焊接工藝

焊接設備差別不大，都需要能夠方便地對焊接各參數進行調整的自動焊接設備，焊接工藝需要實現數字化控制，在保護氣體、焊前熱處理、焊后熱處理以及防止裂紋產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的指標，應該針對不同的工況進行綜合選擇。比如裸眼鉆進的鉆桿耐磨帶就不用過多考慮減磨性，應突出耐磨性能，廉價的碳化鎢粉末，高耐磨高硬度是第一選擇，但是往往鉆具的使用也是復雜多工況的，這就需要綜合考慮。對鉆桿耐磨帶性能參數分析要考慮的因素主要有載荷、摩擦系數和材料特性等方面。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了鉆桿接頭的偏磨現象，一定要關注鉆井參數是否適合；其次摩擦系數對耐磨帶性能的影響顯而易見，從鉆井參數上要選擇合適的潤滑劑品種；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

1.加強飼養，防止營養因子缺乏。妊娠母豬飼喂全價飼料，保持營養平衡，防止維生素A、維生素D、維生素C、維生素E、微量元素及礦物質的缺乏，以保證胎兒正常發育。同時，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、免疫球蛋白和不飽和脂肪酸含量，從而增強仔豬抗御病原體，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，防止腹瀉的發生。

焊接成型和耐磨帶的修復是耐磨帶材料的重要因素，從適應鉆井環境來說，理想狀態要達到以下幾點要求：①耐磨帶上無龜裂；②在鉆井過程中, 對套管的磨損降為最低；③套管與鉆桿接頭同時得到保護；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 耐磨帶焊接實驗

通過上文市場常見耐磨帶性能和耐磨帶焊絲性能分析制定焊接實驗方案，分別對市場常見的耐磨帶焊絲進行焊接對比，從而為耐磨帶焊絲選擇提供依據，實驗數據見表4。

表4 耐磨帶焊絲焊接實驗數據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程嚴格執行，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，沒有裂紋產生，飛濺小。上海博騰BoTn1000耐磨帶焊絲，焊前不需要預熱，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，焊前不需要預熱，硬度不太均勻，偶爾有軟點出現，焊接成型好，收弧處偶有裂紋產生，加強型出現裂紋頻率較高，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焊絲小批量焊接對比實驗，得出以下結論。博騰1000焊絲收弧重疊處大約10 mm區域硬度HRC38左右，對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 其他焊絲實驗

在對市場推廣早、使用較多的焊絲進行實驗驗證的同時，我們也對河北清河聯盛焊接技術有限公司和無錫帝寶應用材料高科技有限公司開發的耐磨帶產品進行了實驗和技術交流，總體來說國內焊絲在一定程度上滿足了鉆井要求，還有很大的進步和發展空間。聯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 新技術與工藝

隨著鉆井工況的變化和耐磨帶技術應用場合的拓展，耐磨帶產品除了不斷追求更好的焊接外觀、更強的耐磨性能、更穩定的產品品質外，在一些新興需求面前，對標國外先進產品推陳出新，不斷進步。目前，值得關注的新技術、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性能，但遠遠達不到最終用戶的預期。

(2)無須預熱的堆焊工藝。通常，耐磨帶的焊接需要對鉆桿接頭進行預熱，但是會有很多不具備預熱工藝的場合出現。這方面的需求國內耐磨帶表現優于國外品牌，通過對耐磨帶焊絲進行合金設計調整，可以實現不預熱直接堆焊且完全沒有裂紋。

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

(4)低溫焊接工藝。隨著鉆桿內涂層使用的逐漸普及，耐磨帶復焊時由于焊接溫度過高導致鉆桿內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的產品，這是耐磨帶焊絲和內涂層涂料研究共同的課題。

4 結語

耐磨帶產品的選擇并不是簡單地根據產品硬度來決定，需要考慮產品的合金設計、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，選用國產品牌，比進口產品具有更好的性價比。