1、高減摩性鉆桿耐磨帶藥芯焊絲項目工作報告一項目背景在石油鉆桿接頭上堆焊金屬耐磨帶，是減少鉆桿、套管磨損的有效措施之一。堆焊金屬耐磨帶常用的的工藝方法有粉末等離子弧噴焊和藥芯焊絲氣保護電弧堆焊。傳統的金屬耐磨帶多采用以普通鐵基合金粉末或鐵基合金粉末碳化鎢粉末為噴焊材料的等離子弧噴焊耐磨帶。粉末等離子弧噴焊耐磨帶存在著重復堆焊性差，耐磨帶開裂、剝落、掉塊傾向大，對鉆桿接頭基體傷害大等缺點。另外，傳統的碳化鎢粉末噴焊耐磨帶對套管的磨損較大，噴焊普通鐵基粉耐磨帶在較大接觸力下的套管磨損也不能滿足超深井、大斜度井、大位移井及水平鉆井技術的發展要求。這些都嚴重的限制了粉末等離子弧噴焊耐磨帶的應用和發展。隨著

2、超深井、大斜度井、大位移井及水平鉆井技術的發展，因鉆井時間延長、鉆桿作用在套管上的側向力增高等因素，使套管和鉆桿的磨損問題越來越突出，輕則降低鉆桿的抗扭、抗彎強度和套管柱的抗擠毀、抗內壓強度，重則造成套管柱擠毀、變形及泄漏，甚至造成全井報廢，從而大幅度的增加鉆井成本。我國深井和超深井鉆井技術已進入規模化應用階段，由于我國深探井鉆井井下復雜和事故多（失效率超過10%），且周期長（均超過2年），因此，減少技術套管磨損是目前我國石油鉆采工業中急需解決的問題。近些年國內外廣泛應用和發展的新型金屬耐磨帶材料具有耐磨減摩的特點，可以起到即保護鉆桿又保護套管的作用。新型金屬耐磨帶材料大都采用合金粉末加工成的

3、藥芯焊絲，堆焊方法采用氣體保護電弧堆焊。氣體保護電弧堆焊耐磨帶具有重復堆焊性較好，耐磨帶開裂、剝落、掉塊傾向較小，對基體的傷害也較小等優點。新型金屬耐磨帶良好的耐磨減摩性和良好的堆焊工藝性使其得到愈來愈廣泛的應用。1. 項目來源與傳統的晶態合金相比，非晶態合金具有的高斷裂強度、高硬度和低摩擦系數非常有利于新型金屬耐磨帶材料進一步提高耐磨減摩性的發展要求。國外進口的非晶耐磨帶焊絲由于價格昂貴，已嚴重制約了非晶耐磨帶焊絲在我國的普及應用。目前，我國在這方面的研究很少，尚處于起步階段。本著開發具有我國獨立自主知識產權的非晶合金鉆桿耐磨帶材料以替代同類進口產品的目的，山西北方風雷工業集團有限公司與西安

4、納特石油技術有限責任公司開展了合作開發非晶鉆桿耐磨帶藥芯焊絲項目。2. 國內外研究現狀與非晶聚合物及無機非晶材料一樣，非晶合金在物理性能、化學性能及力學性能方面是各向同性的，并隨溫度的變化呈現連續性。非晶合金在熱力學上處于介穩狀態，在晶化溫度以上即可克服一定大小的能壘而轉變成晶態。組成非晶合金的原子在空間排列不呈現周期性和平移對稱性，即不存在長程有序，結構上無晶界與層錯等缺陷，但與完全無序不同，它們以金屬鍵作為其結構特征，在幾個晶格常數范圍內保持短程有序。非晶合金特殊的原子結構使其具有各種獨特的力學性能、電磁性能及抗腐蝕性能，隨著上世紀80年代后期多組元塊體非晶合金的出現，非晶合金的研究受到各

5、國更加廣泛的重視，人們對塊體非晶制備方法、形成機理、合金體系、性能及其應用等都進行了大量的研究，并取得了重大進展。非晶合金的發展大致經歷了兩個階段。第1階段為1960年(Duwez首次采用快淬方法制得Au70Si30非晶合金薄帶)1989年。這段時期，人們主要通過提高冷卻速率(104K/s)來獲得非晶合金，因而得到的基本是非晶合金薄膜、薄帶或粉末。所研究和制得的主要是二元合金。第2階段始于1989年，其主要特征是非晶形成機理的研究有了突破，人們的主要注意力不再放在如何提高合金液的冷卻速率，而是通過增加組元數、選擇合適的成分體系以及元素配比來抑制晶態相的形核和長大，從而提高合金的非晶形成能力，降

6、低形成非晶所需的臨界冷卻速率。近十幾年來，分別以鎂、鋯、鐵、鈦、鎳、鈷、銅、鈣及鑭系金屬為基的塊體非晶合金相繼被研制出來。這些合金的臨界冷卻速率都小于103/s，最小的僅為0.1/s。它們中的大部分都可以用傳統鑄造方法，如銅模鑄造法、高壓模鑄法、吸鑄法、模壓鑄造法等鑄造工藝生產出厚度大于1mm的全非晶制品，其最大厚度可以達到72mm左右。為了區別于需要極高臨界冷卻速率的傳統非晶合金，目前低臨界冷卻速率的塊體非晶合金常常被稱為金屬玻璃。在開發新的鐵基非晶合金時，需要對大量的、不同的合金元素組合進行篩選，耗費巨大的人力和物力。為此，人們在探索合金非晶化機理以便預測具有高的非晶形成能力的合金成分方面

7、作了大量研究。Inoue提出了有利于形成塊體非晶的3條經驗準則：具有3種或3種以上組元的多元合金系；3種主要組元之間的原子半徑差應在12%以上；主要組元間應呈現較大的負混合熱。盡管這3條經驗法則大大縮小了人們的篩選范圍，但它們還是太一般化了，對實際研究的指導作用不是很直接。Egami認為，非晶轉變是由溶質原子(合金元素)占據溶劑原子(基體元素)晶格后產生的局域體積應變導致基體晶格局域失穩而引起的。Egami將他的理論推廣到多組元體系，提出容易形成塊體非晶的合金組分選擇原則為：增大組元原子的尺寸比；增加組元數目；增加小原子組元和大原子組元之間的交互作用；增加小原子組元之間的相互排斥作用。Inou

8、e把塊體非晶合金的成分體系分為5組:第1組由ETM或者Ln(Ln為鑭系稀土)、Al及LTM構成，比如Zr-Al-Ni、Ln-Al-Ni、Zr-Ti-Al-Ni-Cu、Zr-Nb-Al-Ni-Ln等；第2組由LTM、ETM及類金屬元素構成，例如Fe-Zr-B、Co- Ni-B、Co-Zr-Ni-B、Fe-Zr-Hf-B等；第3組為LTM(Fe)-Al或Ga-類金屬元素(P、C、B、Si)體系；第4組為Mg-Ln-LTM及ETM(Zr、Ti)-Be-LTM體系，比如Mg-Ln-Cu、Zr-Ti-Be-Ni-Cu等；第5組為Pd-Cu-Ni-P及Pd-Ni-P體系。鐵基系列合金由于具有豐富的自然資源

9、、低廉的材料成本以及獨特的物理和力學性能而成為最重要的非晶態合金系之一。鐵基非晶態合金最為顯著的力學性能特征是具有極高的斷裂強度，其楊氏模量高于鈦合金并接近于鋼鐵材料的楊氏模量。鐵基非晶合金的維氏硬度可達10GPa，例如Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2合金的維氏硬度為12.53GPa，高硬度可保證非晶態合金具有高耐磨性。此外，鐵基非晶態合金表面的摩擦系數較低，會減小對偶件的磨損，因此具有較普通晶態合金更好的減摩性。鐵基非晶態合金比相同成分的晶態合金具有低得多的腐蝕速度,甚至可以低幾個數量級。例如,鐵基非晶態合金Fe72Cr8P13C7在1N 的HC1 中浸漬168 h (30 )

10、,幾乎沒有重量上的變化,而在同樣條件下, 18Cr8Ni的不銹鋼卻以10 mm/a的速率被鹽酸腐蝕掉。非晶態合金耐蝕性好主要是由于非晶態合金表面鈍化膜的形成和非晶態的均勻性。鐵基非晶態合金的高耐蝕性對提高新型金屬耐磨帶的耐磨減摩性也是有益的。3. 國內外同類技術對比近些年國內外廣泛應用和發展的新型金屬耐磨帶材料具有耐磨減摩的特點，可以起到既保護鉆桿又保護套管的作用。如美國安科技術公司生產的ARNCO 100XT、ARNCO 200XT、ARNCO 300XT和西安納特石油技術有限責任公司研制生產的具有獨立知識產權的Nate 101J、Nate 303J、Nate 505J等鉆桿耐磨帶藥芯焊絲產

11、品。目前國內外市場上廣泛使用的各種新型金屬耐磨帶藥芯焊絲，要么抗裂性雖高，但耐磨性不足，如ARNCO 100XT和NATE 101J等；要么耐磨性雖高，但抗裂性卻較差，如ARNCO 200XT、300XT和NATE 303J等。西安納特石油技術有限責任公司經過深入的理論研究和大量的成分優化設計試驗，2009年成功研制了一種高抗裂性和高耐磨減摩性兼備、且堆焊工藝性能優良的專利產品-Nate 505J高抗裂型鉆桿耐磨帶焊絲，已基本解決了這一問題。在新型金屬耐磨帶藥芯焊絲的的實際應用中，目前用戶關心的是新型金屬耐磨帶的減摩性是否能進一步提高，以更好的保護套管，提高深井和超深井鉆井技術。美國Liqui

12、dmetal Technologies公司生產的LMC-MStar耐磨帶藥芯焊絲在這一方面有明顯的有優勢。該焊絲已在我國西部鉆井過程中得到批量應用。LMC-MStar耐磨帶藥芯焊絲屬于鐵基非晶藥芯焊絲。與傳統的晶態合金相比，非晶態合金具有許多優越的性能，如優異的軟磁性能，良好的耐蝕性，高斷裂強度，高硬度和低摩擦系數等。非晶態合金具有的高斷裂強度、高硬度和低摩擦系數非常適合新型金屬耐磨帶材料進一步提高耐磨減摩性的發展要求。但進口的LMC-MStar非晶耐磨帶焊絲由于價格昂貴，已嚴重制約了非晶耐磨帶焊絲在我國的普及應用。二項目工作情況1. 實施概況參考國外同類產品設計非晶鉆桿耐磨帶材料，通過非晶鉆

13、桿耐磨帶材料的制造工藝試驗，研制出可用于明弧自動堆焊的制造工藝藥芯焊絲；利用現有噴焊設備，進行耐磨帶堆焊工藝試驗，優選一組非晶鉆桿耐磨帶藥芯焊絲的堆焊工藝參數，以保證耐磨減摩性和抗裂性；通過磨料磨損試驗研究，對比耐磨帶堆焊層的耐磨性，調整非晶材料配方，保證耐磨性達到國外同類產品先進水平；通過實物套管磨損試驗，對比耐磨帶堆焊層的減摩性，調整非晶材料配方，保證減摩性達到國外同類產品先進水平；通過現場工藝試驗，檢驗非晶鉆桿耐磨帶材料的堆焊工藝性和重復堆焊性，確定非晶鉆桿耐磨帶材料。具體內容如下：1) 非晶合金鉆桿耐磨帶材料的成分設計為了設計出一種符合我國金屬資源狀況和藥芯焊絲制備水平的的鐵基非晶合金

14、藥芯焊絲配方，我們花費了大量時間和精力查閱國外資料，設計出了24組原始配方。然后，委托相關機構利用小型中頻感應真空熔煉爐熔煉出相應的母合金并霧化成粒度為1545m的噴涂粉末，并通過超音速火焰噴涂的方法制備出厚約200m的涂層。最后篩選出涂層表面侵潤性良好、涂層硬度在HV700以上的配方共9組。 2) 非晶鉆桿耐磨帶藥芯焊絲的制造工藝試驗根據成分設計工作中非晶粉末的制備經驗和藥芯焊絲制造的技術要求，我們將工業純A1、Sn、Co、Cr、Ni、Mo、W、Nb、Zr、Si、C、B、Y、Er、Cd等及磷鐵、硼鐵合金按上述9種配方中除鐵以外的合金比例混合后在中頻感應真空熔煉爐中熔煉并霧化成適當規格的200

15、120目的合金粉末，制成9種相應的芯粉。而后在藥芯焊絲制造設備上經過低碳薄鋼帶（主要成分是鐵）的放帶開卷、扎為U型、加芯粉、封口成O型、軋制減徑、拉拔減徑和卷絲成盤等工序制成直徑為1.6mm的藥芯焊絲。進一步的送絲試驗表明：樣絲送絲良好，樣絲制備工藝合格。3) 非晶鉆桿耐磨帶藥芯焊絲堆焊工藝試驗為了不明顯改變現有生產現場的焊絲耐磨帶堆焊工藝，我們采用純氬氣保護電弧堆焊耐磨帶，純氬氣保護能更好的減少異質形核，消除異質形核是形成非晶合金的有效措施。4) 非晶鉆桿耐磨帶藥芯焊絲現場堆焊試驗鉆桿耐磨帶硬度、細密波紋成型與美國LMC-MStar鉆桿耐磨帶接近，抗裂性相對也最好。5) 非晶鉆桿耐磨帶實物套

16、管磨損試驗非晶態鉆桿耐磨帶對套管的磨損深度、磨損寬度、磨損體積、套管磨損率、磨損系數，摩擦系數均明顯小于光接頭對套管的磨損。鉆桿耐磨帶對套管的磨損率及其它磨損指標最小，僅為光接頭對套管磨損率的30%。鉆桿耐磨帶對套管的磨損率及其它磨損指標與美國LMC-MStar鉆桿耐磨帶相當。6) 非晶鉆桿耐磨帶濕砂磨料磨損試驗濕砂磨損試驗表明：非晶鉆桿耐磨帶與美國LMC-MStar非晶耐磨帶的耐磨性均為光接頭的11倍以上。綜合現場堆焊試驗、實物套管磨損試驗和濕砂磨損試驗結果可見：非晶鉆桿耐磨帶的硬度、耐磨性、減摩性、細密波紋成型均接近美國LMC-Mstar非晶耐磨帶。2. 技術突破及技術創新點1) 研制出可

17、用于明弧自動堆焊的制造工藝藥芯焊絲，此藥芯焊絲在國內首創，與國際同類產品相比具有高于國外產品特點；2) 通過工藝試驗，研究出非晶鉆桿耐磨帶藥芯焊絲的堆焊工藝參數，硬度比國外同類產品高5-8HRC，實現耐磨減摩性和抗裂性優于國外同類產品；3) 通過磨料磨損試驗，調整非晶材料配方，研究出耐磨帶堆焊層的耐磨性超出國外同類產品先進水平；4) 通過實物套管磨損試驗，磨損率提高了20%，耐磨帶堆焊層的減摩性優于國外同類產品先進水平；5) 通過現場工藝試驗，檢驗非晶鉆桿耐磨帶材料的堆焊工藝性和重復堆焊性，確定出了優于國外同類產品非晶鉆桿耐磨帶材料。三推廣價值及應用前景1. 目前已產生的效益在社會效益方面，此項目試驗成功后，首先在國內我們擁有了自己的非晶合金耐磨帶材料；在國際上，我們研究的非晶合金耐磨帶材料其性能優于同類其他產品，體現了我們產品優越性；同時可以減少資金外流。在經濟效益方面，非晶合金耐磨帶材料在山西風雷鉆具公司鉆桿分廠使用以來，為風雷鉆具公司節約了開支，降低成本，增加經濟效益，一年內新增利潤25萬元。2. 應用前景、市場