耐磨带技术在随钻仪器中的应用

丁元皓，代 萌，药晓江

（中海油田服务股份有限公司，河北 廊坊 065201）

0 引言

随钻测井，通俗地来说就是将测井仪器连接在钻杆上，在钻井的同时进行测井，随钻测井技术兴起于20 世纪60年代初期[1]，到了20 世纪90 年代中期形成了以斯伦贝谢、贝克休斯、哈利伯顿3 家公司为代表的规模化随钻测井作业。与传统的电缆测井技术相比，随钻测井技术具有以下优势：①提升钻井时效，一边钻井一边测井，节约了传统电缆测井需要起下钻的时间和单独的电缆测井时间[2]；②实时性强，在钻头打开地层的第一时间就能获取地层参数，测量结果受泥浆侵蚀影响较小；③便于定向钻井，由于随钻测井技术可以实时获取钻井的工程参数，包括井斜方位等信息，定向井工程师可以及时根据需求调整井眼轨迹[3]。

国内的随钻测井技术起步较晚，在本世纪初以中海油田服务股份有限公司油田技术研究院尚捷团队为代表的国内科研力量才开始研发随钻测井技术[4]，直到2015 年5月，中海油田服务股份有限公司自研的Drilog 随钻测井系统首次在海上作业成功，标志着我国的随钻测井技术正式进入商业化应用阶段[5]。

1 耐磨带技术

由于随钻仪器中需要布置大量的传感器、电路板、执行机构等部件，因而随钻仪器较常规钻杆来说结构复杂，直径尺寸偏大，而且仪器中的传感器大多对金属磁性比较敏感，所以随钻仪器大多采用无磁材料加工，导致仪器外部较常规钻杆更容易受到地层的磨损[6]。以随钻近钻头仪器为例，在8.5＂井眼钻井过程中，钻杆直径尺寸通常为5＂，而随钻近钻头仪器的直径尺寸为7＂。这就使得在钻井过程中，随钻近钻头仪器更容易与地层之间产生摩擦，如果不采取防护措施，仪器入井钻进100h 就会被磨损报废，因此耐磨带技术在随钻仪器上的应用至关重要，图1为随钻仪器磨损照片。

图1 随钻仪器磨损照片Fig.1 Wearing photos of tools while drilling

针对随钻仪器结构复杂，整体要求无磁，成本较高，易于磨损的特点，几乎在随钻仪器兴起的同时，耐磨带技术就同时出现。随钻仪器的耐磨带技术通常是指在仪器表面熔覆耐磨层，耐磨层外径需大于仪器最大外径，这样在仪器钻进的过程中，耐磨带就优先于地层进行摩擦，从而达到保护仪器本体不受磨损的目的。因此，耐磨带需要具有高硬度，耐磨性强，无磁性，易于熔覆等特点。同时耐磨带不能过硬，一旦耐磨带硬度过高，在随钻仪器经过套管段时就会磨损套管，对后期油井的维护产生影响，目前在用的耐磨带硬度通常在HRC45 ～HRC60 之间。

目前市场上常用的耐磨带焊接技术主要有3 类：氩弧焊、激光焊接、等离子弧焊接，其中氩弧焊成本较低，对焊接条件要求不高，操作简单，但是氩弧焊产生的热量较高，需要额外的散热工艺，通常应用在仪器本体材料较厚，对热量不敏感，不易变形的区域。激光焊接是采用大功率激光辐照焊材与焊接本体，使二者融合的技术，激光焊接产生的热量低，散热快，而且对焊材没有要求，熔覆的厚度范围较宽，通常一层厚度可以在0.2mm ～2.0mm 之间。激光焊接更容易实现自动化控制，但是激光焊接对焊接设备和焊接工艺的要求较高，通常应用在结构复杂，对热敏感的耐磨带焊接区域。激光焊接技术在随钻仪器的耐磨带熔覆中应用最为广泛，等离子弧焊接是利用高能量密度的等离子弧作为焊接热源的焊接技术，等离子弧焊接具有能量密度高，焊接速度快，热变形小，电弧稳定易于控制的特点，但是等离子弧焊接价格较高，通常应用在焊接本体较薄的区域。

耐磨带焊接另外一个比较重要的因素是焊材的选择，对于随钻仪器而言，耐磨带焊材必须选择无磁且易于与无磁钻铤材料熔融的焊材。当前国内外已经在市场流通的焊丝主要是美国的Ultraband、No-Mag、Arnco 等品牌，国内的Wan-Hai、凌达等品牌[7]，使用药芯焊丝直接焊接方便快捷，但成本较高，且硬度通常低于HRC50；也有部分焊接厂家不使用药芯焊丝，直接用硬质合金粉末（碳化钨）进行激光烧结，效果同样很好，且成本更低。焊接耐磨带硬度可以通过调节硬质合金颗粒含量进行调节，灵活度更高，其硬度可达HRC60。

耐磨带焊接需要注意事项：由于耐磨带焊接材料硬度较高，如果直接在随钻仪器本体上进行耐磨材料熔覆，会导致耐磨层出现开裂，甚至是仪器本体都有可能出现裂纹，所以有经验的耐磨带焊接厂家通常会在耐磨层和仪器本体之间增加一段过渡层，使仪器本体和耐磨层之间能够牢靠地结合而没有裂纹，通常过渡层的硬质合金含量会低于耐磨层，且厚度在0.8mm ～1.5mm 之间；单条耐磨带宽度最少要达到30mm，否则耐磨带的寿命会降低且防磨损效果不佳，耐磨层的厚度需要维持在2.5mm ～4.0mm 之间，耐磨层太厚容易开裂，太薄耐磨性会变差；耐磨带焊接应保证表面光洁，不能有焊接残渣，耐磨带边缘平整，不能出现咬边的现象；所有耐磨带焊接走丝方向都应沿着仪器的周向，不可以沿着仪器轴向走丝，容易造成仪器本体开裂，作业过程中存在仪器断裂的可能性；焊接过程中应严格控制温度，温度过高会对仪器钻铤本体的材料产生热处理效应，使仪器的本体材料强度及硬度变差；焊接成品的耐磨带表面不能存在裂纹，一旦出现裂纹耐磨带的使用寿命会大大缩短，在实际使用过程中会出现耐磨带成块脱落的现象，更严重地甚至会导致仪器钻铤本体出现裂纹，导致仪器报废。

2 耐磨带的常见结构及典型应用

仪器的耐磨性除了受焊接材料和耐磨带焊接质量的影响外，同样受到耐磨带布局结构的制约，一个仪器上耐磨带的结构布局如果不合理的话，不仅不能达到预想的耐磨效果，仪器的使用寿命也会受到影响。反之，如果仪器的耐磨带结构布局设计合理，往往会起到事半功倍的效果。目前常见的耐磨带结构布局主要由环形耐磨带布局、筒式耐磨带、长条状耐磨带布局、螺旋形耐磨带布局，几种布局形式各有优缺点，见表1。一根随钻仪器上往往具有不止一种耐磨带布局来达到最优的耐磨效果，下面将逐一介绍几种常见耐磨带结构布局的典型应用。

表1 各类耐磨带对比Table 1 Comparison of various types of wear belts

2.1 环形耐磨带在随钻仪器中的应用

环形耐磨带结构形式简单，在随钻仪器上应用广泛。该种耐磨带直接在钻铤上熔覆耐磨层，对于焊接条件要求低，耐磨带宽度一般在5cm ～8cm 左右，对于耐磨带轴向两侧容易受到地层磨损的位置能够起到很好的保护作用，但是保护范围较小，一支仪器上通常根据需要防护的位置布置多个环形耐磨带，来达到保护仪器基体的目的。

在电磁波电阻率类仪器中，由于仪器上布置了诸多的电磁波收发天线，收发天线本身结构复杂，功能重要且耐磨性不强，需要重点保护，因而在收发天线周围都布置有环形耐磨带，用来降低地层对收发天线的磨损，提升仪器的使用寿命。

相对于其它结构形式的耐磨带，环形耐磨带结构简单，焊接方便，容易维修，灵活性强，方便布局，对仪器形成整体防护。但是，环形耐磨带在遇到研磨性极强的地层时耐磨性偏低，在环形耐磨带的轴向两侧容易出现磨损，难以对仪器起到很好的保护作用。

2.2 筒式耐磨带在随钻仪器中的应用

筒式耐磨带是提前在筒式基体上焊接耐磨带，形成耐磨筒，然后将耐磨筒装到随钻仪器上。筒式耐磨带主要应用在声波类和放射性类随钻仪器中，该类仪器的钻铤上存在规则的圆形传感器安装孔，筒式耐磨带厚度较大，整体外径尺寸高出仪器本体较多，因此对于钻铤上圆形传感器安装孔具有极好的防护性。

筒式耐磨带焊接工艺相对复杂，对焊接条件要求较高，在安装过程中需要对耐磨筒进行加热，使之膨胀，套在钻铤上，自然冷却后耐磨筒尺寸收缩，抱紧在钻铤上，整个热装过程难度较大，需要设计人员对尺寸及温度进行精确计算，废品率高。但是，筒式耐磨带可以独立加工，与钻铤的加工工艺不冲突，可以同时进行，缩短了仪器的加工周期，同时筒式耐磨带便于更换，在耐磨带磨损严重时只需要将原有耐磨带去掉，重新热装一个新的耐磨带即可，可以缩短仪器的维修时间，提高仪器的运转效率。

2.3 长条状耐磨带在随钻仪器中的应用

长条形耐磨带同样是属于在仪器钻铤上直接熔覆耐磨带的形式，与环形耐磨带的区别在于长条形耐磨带在结构布局上是沿着钻铤中心轴线的方向，这种耐磨带的防护目的性明确，主要应用在沿着钻铤周向布置的盖板类结构上，对盖板起到防护作用。

长条形耐磨带的焊接形式简单，使用时间久，但是该种耐磨带的应用局限性较大，仅适合在盖板的周围布置。

2.4 螺旋形耐磨带在随钻仪器中的应用

螺旋形耐磨带主要形式有两种，一种是在钻铤上直接熔覆，这种类型的耐磨带通常宽度较窄，一般用在作为扶正器的仪器上，提升仪器的使用寿命；另外一种形式为在电路保护筒上熔覆耐磨带，对仪器整体起到很好的防护作用。螺旋形耐磨带的螺旋方向与仪器钻进过程中的旋转方向一致，因此有利于钻井液的快速返出，不会形成憋压；同时螺旋形耐磨带在钻进过程中对于地层可以起到一定的切削作用，对于提升井眼质量有一定的帮助，因此螺旋状耐磨带通常用在与地层接触较多，受磨损情况比较严重的仪器上，如近钻头类仪器，柔性短节类仪器，扶正器类仪器等。

螺旋状耐磨带相对于其它耐磨带具有更好的耐磨性和仪器整体防护性，对于井眼的平整作用也是其它种类耐磨带所不具备的，但是该种耐磨带对于钻铤上的安装孔和盖板不能起到很好的局部防护作用，且螺旋状耐磨带焊接难度较大，对于焊接条件要求较高，一旦损坏修复比较困难（电路保护筒上熔覆螺旋状耐磨带的情况），只能更换电路保护筒，维修成本较高。

3 结论

通过以上耐磨带的典型应用分析不难看出，每种耐磨带都具有优劣势。针对不同的仪器特点，不同的使用环境可以选择不同的耐磨带结构形式。对于仪器设计人员来说，应该充分考虑仪器的易磨损位置以及钻井工程需求，选择最优的一种或者几种耐磨带结构形式，提升仪器使用寿命。