HF3000合金焊接工艺在钻具稳定器中的应用研究

HF3000合金焊接工艺在钻具稳定器中的应用研究

王令辰

（河南中原重型锻压有限公司，河南省济源市 454650）

摘要：介绍了HF3000合金焊接工艺，及其对钻具稳定器的强化效果。结果表明：采用HF3000合金焊接工艺处理后的钻具稳定器，能够增加钻具稳定器的耐磨性，提高钻具稳定器的使用寿命，满足高强度、高韧性的机械性能要求，有效的降低钻井成本，缩短建井周期。

关键词：钻具稳定器; 焊接工艺; HF3000合金;

1 引言

钻具稳定器是石油、天然气及地质勘探钻井工程中，实现控制井斜必不可少的重要工具。在钻探的过程中，钻具稳定器需承受重载，极易发生损坏，因此必须具备高强度、高韧性及可靠性。常规的钻具稳定器，大都是采用镶嵌一定数量的硬质合金块增加表面耐磨性。但是，硬质合金块的脱落现象十分严重，掉入井内后，影响钻井速度，减少钻头寿命，增大钻井成本。近几年，随着钻采行业的发展，HF3000型钻具稳定器，以其高强度、高韧性、高耐磨的性能成为了采矿行业最有力的装备。HF3000型钻具稳定器是采用耐磨的堆焊敷料将碳化钨合金块堆焊到钻具稳定器表面强化而成，合金的焊接结合面达到97%以上，在磨砺性地层中的耐磨材料的接触面积100%，具有良好的耐擦伤磨料磨损及耐冲击磨料磨损性能。该类型钻具使用寿命长、耐磨性能好、应用范围广，市场前景良好。

本文通过研究分析HF3000合金焊接工艺，及其对钻具稳定器的强化效果，为提高钻具稳定器的使用寿命、降低钻井成本起到借鉴意义。

2 HF3000合金焊接工艺

2.1 焊前准备

堆焊材料用铸造碳化钨焊条,被焊工件基体材料为钻具稳定器用4145H钢。

堆焊之前，应将表面铁锈等所有污物去除干净，确定表面处理干净；保温炉预热的工件出炉后用纱布打磨现清理现喷焊，确保表面无氧化。检查氧气、乙炔压力，不得超压。检查喷焊枪嘴、开关喷粉等是否正常。

2.2 预热和堆焊时温度控制

预热方法：保温箱加热；把焊接部位整体放入保温箱。升温速度控制在100℃/h左右，将焊接部位整体预热到300℃保温1小时，然后保持此温度到焊接工作结束。

2.3 堆焊工艺

堆焊人员除了应具有熟练的操作技能和掌握正确的操作方法, 还应采用合理的堆焊工艺进行氧气-乙炔喷焊枪堆焊，该工艺主要包括以下几个方面:

（1）喷枪与工件距离30-40mm，采用中性焰或略带碳化焰，将工件加热至400℃；

（2）施焊层处于平焊位置，喷嘴距工件表面90-100mm，采用中性焰，焰心长度7mm，垂直于工件表面，喷焊0.2mm的保护层，将工件表面封严，以防氧化。

（3）继续加热，采用焊刀的方法，将合金块和本体一同加热至500-600℃（呈暗红色），用一步喷焊法焊接，整齐排列。喷熔从一端开始，喷距10～30mm，有顺序地对保护层局部加热到熔融开始湿润（不能流淌）时再喷粉，与熔化反复进行，直至达到预定厚度（2～4mm为宜, 堆焊层过厚抗冲击能力会变弱），表面出现“镜面”反光，再向前扩展，直到工件表面全部覆盖喷焊层。

（4）工件堆焊后的部位要进行550℃的低温去应力热处理，加热速度小于80℃/h，冷却速度小于100℃/h；冷却到200℃后关断电源，缓冷至常温（减小残留应力, 防止堆焊层开裂和剥落）。

3 磨损试验

采用MLD —10 动载磨料磨损试验机，对常规焊接工艺所焊试样1和HF3000合金焊接工艺所焊试样2进行冲击磨料磨损试验。试样基体材料均为钻具稳定器用4145H钢，加工成的20mm*10mm*10mm长方块；焊层厚度均为2mm左右；对磨环为45钢表面淬火，外径 50 mm，转速120r/min；磨料介质组成物为20%石英砂（60目）+85%水+少量悬浮剂（CMC）；冲击能量为15.3NM，冲击频率为65次/min。

取常规焊接工艺所焊试样1和HF3000合金焊接工艺所焊试样2各1只，预磨15min后测出起始质量，然后每磨1h测重1次，累计测重3次。通过试验结果发现试样1平均质量损失为0.6326g，基体材料无磨损，堆焊层有开裂倾向；试样2平均质量损失为0.3765g，基体材料无磨损，堆焊层无开裂倾向。由此可知，HF3000合金焊接工艺所焊试样2显示出了较高的抗磨能力。

4 分析讨论

采矿工业是全球经济发展的支柱，矿业资源的开发利用依赖于采矿工业的科技进步，采矿工业的科技进步又主要取决于采矿装备的发展。随着现代钻采工艺的普遍实施，钻具的服役条件愈趋恶劣，钻具已成为最易失效的易损件。钻井过程中，通过对不同的钻具进行组合控制，可以实现对井眼的轨迹调整。在不同的钻具组合中 ,钻具稳定器具有非常重要的作用，是实现井斜控制不可或缺的组件。钻具稳定器工作时，主体表面会与井壁发生剧烈摩擦和碰撞，导致承载能力降低，为了提高其耐磨性，通常会在钻具稳定器表面镶嵌耐磨合金块，但是硬质合金块具有硬度高、韧性低的特性，在地层中硬度较高的砂石冲击作用下，由于结合强度不够，硬质合金块非常容易出现碎裂脱落的现象，影响钻井进程。根据近几年的钻采行业的发展情况来看，HF3000型钻具稳定器，逐渐以其高强度、高韧性、高耐磨的性能，发展成为采矿行业最有力的装备。HF3000型钻具稳定器是用耐磨的堆焊敷料将碳化钨合金块堆焊到钻杆稳定器表面形成的强化而成，采用HF3000合金焊接工艺处理后的钻具稳定器，能够增加钻具稳定器的耐磨性，提高钻具稳定器的使用寿命，满足高强度、高韧性的机械性能要求，有效的降低钻井成本，缩短建井周期。焊接过程中对基体的热影响小，能有效的保持基体原有的力学性能；采用该工艺生产的钻具稳定器具有易修复、修复后可重复使用等特点。

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