钻杆耐磨带技术分析

满国祥，程林，王克虎，杨宏伟，孔令沪，吴浩宇

(河北省地矿局国土资源勘查中心石探厂，石家庄 050081)

0 引言

为了避免钻杆在钻井过程中发生过度磨损情况,采用焊接方式将耐磨焊丝沿钻杆接头圆周方向焊接环形带，此环形带即称之为钻杆耐磨带。从机理上讲,钻杆接头耐磨带实质上是一个隔离层，利用耐磨带焊丝的耐磨性，通过这个隔离层,使钻杆接头外壁和套管壁或井壁隔离，避免钻杆接头与套管壁或井壁直接接触，以保护钻杆接头和套管免遭强烈磨损。钻杆耐磨带在深井、大位移井和大斜度井钻井工程中获得了广泛应用，而且该技术已经成为国际重大石油工程项目招标中，投标方中标的必备技术条件之一。

1 如何选择耐磨带

耐磨带的工况条件较为复杂，性能要求苛刻。在钻井特别是裸眼钻井过程中，耐磨带与岩石井壁会发生持续摩擦，耐磨带必须经受住这样长时间磨损。用户希望耐磨带的硬度、耐磨性越高越好，这是用户在选择耐磨带时最大最典型的误区。在最早期，耐磨带焊丝的技术方案，主要是在较软的碳钢基体上包含碳化钨耐磨颗粒。这种碳化钨耐磨带焊丝当时广泛地应用于钻杆接头，因为当时的钻井工作很多是浅井、直井而且没有套管保护。随着深井、斜井和套管保护越来越多，碳化钨耐磨带焊丝逐渐被淘汰，这是因为碳化钨耐磨带会很快磨穿套管。正确的思路是必须考虑钻井过程中耐磨带与套管的接触摩擦和磨损。如果耐磨带的硬度和耐磨性比套管高过多，那么套管磨损程度将比耐磨带大得多。在这种情况下，耐磨带的硬度、耐磨性越高，套管磨损程度越严重。因此，并不是说耐磨带的硬度和耐磨性越高越好，而是应综合考虑，使其具有良好的综合抗磨性能。

综合抗磨性能是指在具有较高耐磨性的前提条件下，同时具有一定的减磨性。最佳的耐磨性与减磨性之间存在一定的匹配关系，将这个匹配关系量化确立，是耐磨带焊丝的核心技术所在。

总之，选择耐磨带时不是硬度越高、越耐磨越好。对钻杆耐磨带性能的正确选择是应该同时具有耐磨性和减磨性。

2 耐磨带对比

市场上可供选择的耐磨带材料并不多，广大用户迫切需要价格合理、性能优良的新型耐磨带焊丝。高性能耐磨带焊丝与国际先进水平的接轨，为我国耐磨带焊丝的研发指出了明确方向。

2.1 市场常见耐磨带分析

目前市场上的耐磨带焊丝主要有安科、博腾、固本、固邦、帝宝等品牌，国外品牌中以美国安科一家独大，但是价格高昂。随着国内品牌的质量提升，性能已经接近或超过国外品牌，国内市场基本上已经实现了国产化，详见表1。

表1 进口及国产焊丝性能对比Table 1 Performance comparison of imported and domestic welding wires

进口及国产焊丝中，多家企业生产的碳化钨焊丝已逐步淘汰，只有少数的钻井队仍在使用。美国安科公司生产的100XT焊丝是常用型号，无裂纹，150XT型号焊丝为新型产品，有细微裂纹，300XT型号焊丝适用于裸眼井。

2.2 耐磨带性能分析

以下对耐磨带需要什么样的性能来满足使用要求，同时耐磨带焊丝需要具备什么优良性能来满足更高的要求进行分析。

耐磨带焊接在钻杆接头、钻铤、加重钻杆的表面，焊接过程中达到熔融状态后冷却，在这过程中焊接处的基体会发生性能变化，我们分别从10 mm和15 mm处取样进行分析，性能要求标准见表2，具体实验参数见表3。

表2 耐磨带焊接对钻具基体的性能影响要求Table 2 The influence of wear-resistant belt welding on the performance of drilling tool matrix

表3 耐磨带焊接对钻具基体的性能影响Table 3 The influence of wear-resistant belt welding on the performance of drilling tool matrix

通过实验分析，焊接2道耐磨带对基体的性能基本上没有影响，焊接3道10 mm深度耐磨带屈服强度和延伸率有一定影响，在可接受的范围之内。

2.2.2 焊接设备和焊接工艺

焊接设备差别不大，都需要能够方便地对焊接各参数进行调整的自动焊接设备，焊接工艺需要实现数字化控制，在保护气体、焊前热处理、焊后热处理以及防止裂纹产生等方面存在一些差别。

2.2.3 耐磨性和减磨性

耐磨带的耐磨性和减磨性都是相对的指标，应该针对不同的工况进行综合选择。比如裸眼钻进的钻杆耐磨带就不用过多考虑减磨性，应突出耐磨性能，廉价的碳化钨粉末，高耐磨高硬度是第一选择，但是往往钻具的使用也是复杂多工况的，这就需要综合考虑。对钻杆耐磨带性能参数分析要考虑的因素主要有载荷、摩擦系数和材料特性等方面。首先是钻井过程中载荷的影响，凡是增大钻杆接头与井壁接触力的因素都会加剧磨损，比如典型的“狗腿井段”，如果耐磨带磨损过快甚至出现了钻杆接头的偏磨现象，一定要关注钻井参数是否适合；其次摩擦系数对耐磨带性能的影响显而易见，从钻井参数上要选择合适的润滑剂品种；再有就是耐磨带材料本身的材料特性也是非常关键的因素，甚至是研究耐磨带材料的最重要因素。

2.2.4 焊接成型和修复

1.加强饲养，防止营养因子缺乏。妊娠母猪饲喂全价饲料，保持营养平衡，防止维生素A、维生素D、维生素C、维生素E、微量元素及矿物质的缺乏，以保证胎儿正常发育。同时，为使免疫母猪尽可能多地给仔猪提供特异性抗体，可在母猪饲粮中添加VE；配种前15 d内及妊娠期间，在母猪日粮中加入适量低分子脂肪酸，可显著提高初乳中总蛋白质、免疫球蛋白和不饱和脂肪酸含量，从而增强仔猪抗御病原体，特别是肠道病原体的能力，减少断奶前肠道疾病造成的损失，防止腹泻的发生。

焊接成型和耐磨带的修复是耐磨带材料的重要因素，从适应钻井环境来说，理想状态要达到以下几点要求：①耐磨带上无龟裂；②在钻井过程中, 对套管的磨损降为最低；③套管与钻杆接头同时得到保护；④可用于新旧不同尺寸的钻杆；⑤可焊性好，可以直接在旧的耐磨带上焊接。

2.3 耐磨带焊接实验

通过上文市场常见耐磨带性能和耐磨带焊丝性能分析制定焊接实验方案，分别对市场常见的耐磨带焊丝进行焊接对比，从而为耐磨带焊丝选择提供依据，实验数据见表4。

表4 耐磨带焊丝焊接实验数据Table 4 Welding test data of wear-resistant belt welding wire

安科100耐磨带焊丝，焊前焊后需要按照规程严格执行，硬度均匀，除接口处硬度稍低其他可以满足>50HRC要求，焊接成型好，没有裂纹产生，飞溅小。上海博腾BoTn1000耐磨带焊丝，焊前不需要预热，硬度比较均匀，硬度普遍在HRC55左右，焊接成型不好，没有裂纹产生，纯氩气飞溅小，混合气飞溅较大，如图1所示。无锡固邦100耐磨带焊丝，焊前不需要预热，硬度不太均匀，偶尔有软点出现，焊接成型好，收弧处偶有裂纹产生，加强型出现裂纹频率较高，飞溅小，如图2所示。

图1 博腾1000焊丝堆焊耐磨带Fig.1 The surfacing wear-resistant belt of Boteng 1000 welding wire

图2 固邦100焊丝堆焊耐磨带Fig.2 The surfacing wear-resistant belt of Gubang 100 welding wire

通过上海博腾1000焊丝与无锡固邦100焊丝小批量焊接对比实验，得出以下结论。博腾1000焊丝收弧重叠处大约10 mm区域硬度HRC38左右，对耐磨带整体影响不大，每根都有玻璃体积瘤，肉眼观察不影响焊接性能，最后一道耐磨带不如固邦整齐，博腾有点显波浪，砂带打磨效果无明显差别；固邦100焊丝收弧重叠处硬度HRC50以下，打磨后显轻微裂纹，没有玻璃体积瘤。

2.3.5 其他焊丝实验

在对市场推广早、使用较多的焊丝进行实验验证的同时，我们也对河北清河联盛焊接技术有限公司和无锡帝宝应用材料高科技有限公司开发的耐磨带产品进行了实验和技术交流，总体来说国内焊丝在一定程度上满足了钻井要求，还有很大的进步和发展空间。联盛焊丝的耐磨带如图3所示，帝宝焊丝的耐磨带如图4所示。

图3 联盛LS-100C焊丝堆焊的耐磨带Fig.3 The surfacing wear-resistant belt of Liansheng LS-100C welding wire surfacing

图4 帝宝MX-100焊丝堆焊的耐磨带Fig.4 The surfacing wear-resistant belt of Dibao MX-100 wire

3 新技术与工艺

随着钻井工况的变化和耐磨带技术应用场合的拓展，耐磨带产品除了不断追求更好的焊接外观、更强的耐磨性能、更稳定的产品品质外，在一些新兴需求面前，对标国外先进产品推陈出新，不断进步。目前，值得关注的新技术、新工艺有以下几种。

(1)无磁耐磨带。在无磁钻具上，常见的做法是堆焊不锈钢合金材料，虽然堆焊不锈钢合金材料能提供保护性能，但远远达不到最终用户的预期。

(2)无须预热的堆焊工艺。通常，耐磨带的焊接需要对钻杆接头进行预热，但是会有很多不具备预热工艺的场合出现。这方面的需求国内耐磨带表现优于国外品牌，通过对耐磨带焊丝进行合金设计调整，可以实现不预热直接堆焊且完全没有裂纹。

(3)无须保护气体的堆焊工艺。在一些特殊地区不具备保护气体的条件，耐磨带焊丝研究有必要进行无须保护气体的堆焊工艺研究。

(4)低温焊接工艺。随着钻杆内涂层使用的逐渐普及，耐磨带复焊时由于焊接温度过高导致钻杆内壁涂层失效的问题凸显。耐磨带焊丝研究厂家能否研究出确保堆焊过程中钻杆的受热温度控制在特定范围内的产品，这是耐磨带焊丝和内涂层涂料研究共同的课题。

4 结语

耐磨带产品的选择并不是简单地根据产品硬度来决定，需要考虑产品的合金设计、堆焊工艺的可操作性、用户自身的堆焊工况以及最终用户的使用工况来综合考虑。通常来说，选用国产品牌，比进口产品具有更好的性价比。