石油天然气钻井旧钻具的综合修复利用研究

王军和①郭昭学③钟水清②③

王军和①WangJunhe；郭昭学③GuoZhaoxue；钟水清②③ZhongShuiqing

（①中国石化华北分公司镇泾采油厂，郑州450006；②中国石油天然气集团公司西南油气田公司，成都610051；

③“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学，成都610500）

（①SinopecNorthChinaBranchZhenjingOilProductionPlant，Zhengzhou450006，China；②ChinaNationalPetroleumCorporationSouthwestOilandGasFieldCorporation，Chengdu610051，China；③"OilandGasReservoirGeologyandExploitationEngineering"NationalKeyLaboratoryofSouthwestPetroleumUniversity，Chengdu610500，China）

摘要：在石油天然气钻井施工过程中，常常造成钻具接头磨损、偏磨及丝扣粘连，这是引起钻具损坏进而演化为井下事故的主要原因之一。同时由于钻具接头超磨，也容易造成钻具使用周期缩短甚至提前报废。为延长钻具使用寿命、减少事故发生，在实践中总结了一整套行之有效的修复方法：即：用气体保护焊接方法修复钻具接头；丝扣刷镀铜提高其表面质量，防止磨损和粘扣；用等离子喷焊耐磨带增加钻具接头耐磨性。实践证明这些方法可行且十分有效。

Abstract:Intheconstructionprocessofoilandgasdrilling,thejointdrillwear,eccentricwearandthreadedpartialadhesioncauseddrillingdamageandthenevolvedintothemajormineaccidents.Atthesametimethejointdrillwearalsoeasilyleadtoshorteningthelifecycleofdrillingandevenearlyretirement.Toextendthedrilllifeandreduceaccidents,inpractice,thispapersummedupthewholesetofeffectiverehabilitationmethods:torepairthedrillingwithweldinggasjoint;threadedcopperbrushtoimprovethequalityofitssurfacetopreventwearandgluing;touseplasmaspraywear-resistingbelttoincreasetheresistantofdrillingjoints.Thepracticeprovedthatthemethodisfeasibleandveryeffective.

关键词：钻具；磨损；修复；镀铜；喷焊

Keywords:drillingtool；wear；repair；copper；spray

中图分类号：TE3文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）07-0017-02

0引言

在深度较大的地层钻井时，会钻遇多套复杂的地层层序、甚至复杂的地应力构造地层单元，钻成井眼会有一定的弯曲，直接或间接地增加了钻具的磨损程度，而钻具的耗损在整个钻井成本中占有一定的比例。因此，尽量延长钻具的使用寿命，对旧钻具进行修复进行重新使用可以大大节约钻井成本。在旧钻具的修复方面，前人做了不少工作，崔顺贤（1991）对摩擦对焊和手工对焊焊接方法的技术特性进行了比较。李明枢（1997）用等离子喷焊技术修复钻具接头,在钻具接头外表面上喷焊一道金属保护环带，可提高接头的使用寿命一倍以上。张耀辉（2001）提出了工件的寻位算法和加工余量的自动分配方法，并建立了石油钻具接头螺纹的数控修复加工系统。郭建军（2003）采用形变热处理工艺来提高焊接质量和焊缝的性能。黄成（2010）分析了焊接修复钻具失效的原因，认为磨料磨损造成壁厚变薄及蚀坑造成的腐蚀共同作用的结果，并提出了相应的预防措施和方法。在前人研究的基础上，根据多年的工作实际，从可修复钻具的筛选及修前准备、接头补焊及焊后加工、丝扣刷镀及镀后处理、等离子喷焊耐磨带几个方面对旧钻具的修复进行综合研究[1-8]。

1可修复钻具的筛选及修前准备

对旧钻具的挑选主要侧重考虑外形尺寸、测厚和探伤、焊前检查等。外形尺寸挑选从井场退回的钻具，要按其服役期限（钻井尺寸）和钻具接头、管体的几何尺寸进行分类挑选。选出管体表面光滑、外表无损伤、接头长度合适的钻具进行进一步检测。测厚与探伤主要按外形尺寸挑选出的钻具，要进行管体超声波测厚。厚度合适的钻具，再对其接头、管体进行超声波探伤。符合要求的钻具，转入下道工序。焊前准备主要考虑做到以下几点：①对挑选出的钻具进行弯曲度检查，合格的转到下道工序，有弯曲的要先进行校直；②将校直好的钻具上车床，按水眼进行找正，然后以最小的加工量对钻具接头进行车圆；③转到补焊工序。

2钻具接头的补焊及焊后加工准备

2.1设备配备注意事项钻具补焊机构的结构现场利用S119车床进行改造，车床旋转、进给系统工作正常，并进行了其它设备的配置。在实际操作中需要注意以下几个方面：①动力改造上选用了一台4kW的交流调速电机代替原来的常规电机，使这一机构的旋转速度具有无极可调性，十分有利于焊接工作；②为了提高焊接性能，并满足钻具接头焊后可加工的要求，选用焊王牌NBK—500型气体保护焊机。整机电流、电压、送丝可调性非常好；③枪头选用直头枪（也可使用焊机原装枪头），枪头要带工作、停止双向锁止开关，并用特制夹具将枪头固定在车床刀架上，穿好焊丝，接好电缆备用；④焊丝和保护气体的选用考虑1.2mm或1.6mm的镀铜焊丝进行焊接。焊接时用80%氩气与20%二氧化碳气的混和气体作保护气。

2.2焊接工艺及操作设计的焊接工艺操作流程如下：①焊接工作时，先开启车床，车床反向旋转，刀架正向进给；②开动焊机开关，先在接头右边缘起弧，待焊接一周时，挂和开合螺母，使刀架向右进给，给进量按焊缝重叠状况与焊接厚度进行调整；③待焊接点到达接头左边缘时，摘掉开合螺母，并使焊接工作再完成一周后停机；④焊接走丝速度、电流、电压按接头直径大小、所用焊丝直径进行调整；⑤钻具旋转速度按焊接走丝速度进行调整；⑥如接头直径未达到要求，重复上述焊接工序。

3丝扣刷镀及镀后处理

3.1钻具螺纹刷镀铜基本原理螺纹刷镀铜的原理如图1所示。交流电通过电源设备的降压整流，用导线连通到与钻具螺纹相接触的阳极镀笔上，钻具联通负极。阳极与钻具螺纹之间用包套间隔并在中间充满流动的镀液。使钻具以一定转速旋转，使阳极与钻具螺纹有相对运动。通电后钻具螺纹表面在直流电场电镀液介质作用下，电源不断从阳极把电子输送到阴极，使连接阴极的钻具螺纹表面进行电化学反应，即镀液中的铜离子在阳极和电镀液介质中向钻具螺纹表面迁移，同时得到电子并在螺纹表面结晶。这3个过程交替发生随时间的进展反复进行，使铜沉积层逐渐加厚，达到所要求的刷镀厚度。

3.2刷镀设备和机具

3.2.1直流电源箱直流电源箱提供离子电子必不可少的设备。基本要求为直流电源，负载特征较平硬直，直流输出电压能无极调节，最高电压不得低于20V。具备直流输出正负极性切换的方便旋转旋钮。有以安培——小时计电量的计量显示仪表。通过镀铜消耗电量，回接监控镀层厚度并具备短路、过流保护装置。

3.2.2刷镀用溶液输送系统钻具螺纹镀铜所用的预处理液，成本不高，可不必循环使用，以高架自流供液即可；镀铜液用输液泵强制供液。将镀液槽、输液泵、输液罐、阳极电缆、与阴极石墨连在一起，操作方便。制作成水电缆，简化了手工镀笔尾部的接线插头，更便于操作。

3.2.3镀笔镀笔是钻具螺纹镀铜的主要工具，由镀笔杆和阳极两部分组成，它主要是用来使电源和钻具构成直流回路，进行刷镀。

3.2.4杆旋转机构用前述S119车床即可达到旋转与速度调整的目的，不再赘述。

3.3钻具的输送和旋转加工好丝扣的钻具，再一次上到用于补焊工序的改造后的S119车床上，准备刷镀。刷镀时，钻具螺纹表面与阳极必须保持相对运动，使镀液在螺纹表面得到充分搅拌，随时排除阻碍沉积物资，提高镀层质量，获得致密均匀光亮的镀层。相对运动速度太慢，不仅影响生产效率，还会导致镀层烧伤；相对速度太高，导致阴极电极电效率降低。据试验，钻具旋转速度为25~50r/min为宜，并随钻具外径增大，转速适当减少，具体根据钻具丝扣类型选定调试（见表1）。

3.4刷镀操作①预处理。新加工好的钻具丝扣除去表面污物后，用预处理液对钻具丝扣进行处理，以便进行刷镀；②刷镀。开动镀液循环泵，起动刷镀电源，调整好电流、电压，手持镀笔进行刷镀。刷镀时可以两头同时进行，也可以单头进行刷镀；③待镀层沉积到预定厚度时，停止刷镀；④清水冲洗丝扣表面，待干燥后，涂一层薄机油待用。

4等离子喷焊耐磨带

4.1等离子喷焊机理等离子喷焊是在特殊结构的喷枪中通入人工气体（氩气）和直流电源，经过铈钨棒阴极高频火花而激发引弧电弧在枪体中受到冷收缩、磁收缩、机械收缩三种效应同时作用后，弧柱变细，开成一股能量集中、通过喷嘴射出的非转移弧，同时使储存在送粉器中并由氩气气流携带送入喷枪的金属粉末加热。随后在枪体内氩气产生等离子电流携带金属粉末喷出喷嘴，金属粉末被非转移弧加热成半熔融状态而射向被喷焊的钻具接头的预定表面位置。另外，在喷枪内的铈钨棒阴极与接头之间有另一电源作用下产生转移弧，用以加热接头表面，并使喷出的半熔融状态的金属粉末再加热，最后使金属粉末与接头表面溶成一层合金带。

4.2等离子喷焊的工艺过程①将预备好的、待喷焊的钻具上到前面所说的S119车床上，找正待焊；②将等离子喷焊设备准备好后，喷枪固定在特制夹具中，并上在车床刀架上；③启动车床，按程序开启等离子喷焊设备，对准钻具母接头上预先车好的沟槽进行喷焊。待焊层厚度达到2～3mm时，停止喷焊，卸下钻具即可。

4.3喷焊用金属粉末选用与耐磨试验

4.3.1金属粉末的选用。一般情况，对钻具接头喷焊耐磨带，选用Fe55。选用粉末粒度为40～160目，根据所要求耐磨带的厚度、耐磨要求以及喷枪喷嘴型号来确定。

4.3.2喷焊后开成的喷焊带的耐磨性。焊好的耐磨带，其表面硬度为HRC454-55，具有良好的韧性，不易掉块。经过钻井现场试验后，钻具接头的磨损非常小，3000m进尺后，耐磨带直径磨损小于0.5mm，完全达到防磨要求。

焊接后的钻具母接头如图2所示。

用上述综合修复法修复的钻具，表面质量可达到2级钻具标准，完全能够满足一般浅、中、深石油天然气钻井的要求。整个工艺过程简洁明了，不仅具有技术全面、投入少、经济易行的特点，许多设备如电焊机、电源等均可作为通用机具，可以长期利用。

5结论

5.1石油天然气钻井施工过程中，常常造成钻具接头磨损、偏磨及丝扣粘连，现场实践中可采用有效的修复方法来延长钻具的使用寿命、减少事故的发生。

5.2用气体保护焊接方法修复钻具接头；丝扣刷镀铜提高其表面质量，防止磨损和粘扣；用等离子喷焊耐磨带增加钻具接头耐磨性。经过实践，证明这些方法可行且十分有效。

5.3综合修复法修复的钻具表面质量可达到2级钻具标准，完全能够满足一般浅、中、深石油天然气钻井的要求。整个工艺具有技术全面、投入少、经济易行的特点，简单易行。

参考文献：

[1]崔顺贤.对焊钻具修复方法的技术经济分析[J].石油机械,1991:19(2),51-55.

[2]李明枢.离子喷焊技术在钻具接头修复中的应用[J].石油机械,1997:25(1),22-24.

[3]张耀辉,王秀梅,王启民,等.石油钻具接头螺纹的数控修复加工系统[J].装甲兵工程学院学报,2001,15(1),37-41.

[4]郭建军,李玉民,田章随,等.钻具摩擦焊形变热处理装置的设计与应用[J].石油机械,2003,31(7),17-19.

[5]黄成,何元君,唐洪发,等.焊接修复钻具的失效分析及预防措施[J].石油天然气学报,2010,32(3)：312-314.

[6]钟水清，陈怀龙，熊继有，等.土库曼斯坦古姆达格油田油藏驱动方式特点研究[J].钻采工艺，2007，30(6):61-65.

[7]林安村,韩烈祥.罗家16H井井喷失控解读[J].钻采工艺，2006,29(2):20-22.

[8]姚振华,谯抗逆.罗家塞高含硫气田丛式大斜度定向井水平钻井技术[J].钻采工艺,2007,3(04):5-9.

基金项目：本文受到国家重大科技专项“多枝导流适度出砂技术”和国家自然科学基金项目(编号：90610013)的资助。

作者简介：王军和（1968-），男，内蒙古磴口人，本科，工程师，主要从事石油工程专业工作；郭昭学（1974-），男，四川成都人，博士，副教授，主要从事石油工程教学及油气钻井工程仿真模拟、钻井新技术理论与应用技术方面的研究工作；钟水清（1952-），男，四川成都人，博士，高级工程师，主要从事石油工程专业方面的研究工作。