利用激光覆焊技术提高LWD仪器寿命

2018-02-09郭劲松吴冬凤

设备管理与维修 2018年2期

郭劲松，吴冬凤

（中国石油渤海钻探定向井技术服务分公司，天津 300280）

0 引言

LWD（Logging While Drilling，无线随钻测井仪），它是在MWD（Measure While Drilling，随钻测量）仪器基础上发展起来的随钻仪器。仪器在随钻钻井作业过程中，不仅可以实时测量井筒的井斜角、磁方位角、工具面、环空压力、振动等工程参数，还可以实时测量地层的电阻率、自然伽玛等地质数据，可以实现分辨地层，确定地层岩性，为地质导向人员决策提供依据，实现找油气层的目的。

1 现状

目前国外先进的LWD仪器的测量功能基本上涵盖了电缆测井仪器的绝大部分测量功能，有替代完井电测的趋势，相比之下，我国LWD随钻仪器研制水平与国外还存在一定的差距，国内少数公司已经研制LWD仪器，大多基于电阻率和自然伽马仪器，在仪器精度、数据处理及解释方面还有很多有待改进的地方。

LWD井下仪器的电子线路安装在钻铤的壁上，仪器在使用过程中因为钻铤与井壁的摩擦，尤其是在研磨性很强的地层钻进时，常常会使钻铤外径磨细，使镶嵌在钻铤壁上的电子线路密封损坏，造成泥浆侵入，使整根仪器报废，造成严重后果（图1）。

2 原因分析

（1）LWD仪器在水平井或大位移井钻进过程中，滑动钻进时低边端与地层长时间摩擦，易造成钻铤外径磨小，电子线路部分直接暴露。

（2）泥浆性能的好坏，决定在钻进的过程中磨阻的大小，磨阻越大对仪器的磨损越严重。

（3）在钻进时碰到特殊地层，有些地层研磨性很强，如致密砂岩和砾岩，对仪器的磨损很严重。

（4）所钻的井越深，地层越坚硬，对仪器的磨损越严重。

图1 因钻铤外径磨细电子线路损伤

3 解决方案

表面处理技术是对设备经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面和非金属表面的形态、化学成份和组织结构和应力状态，以获得所需要表面性能的系统技术，可实现抗磨损、抗腐蚀、间隙控制、控制流体环境、热障、恢复尺寸、改变导电性、改变导磁性、控制粗糙度及摩擦系数等功能。由于只在材料表面进行制备，因而具有实施方便、功能性强、成本较低的特点。目前常用的表面修复方法有2种，方法一是在LWD仪器外表面镶嵌碳化钨合金块，以起到耐磨保护基体的作用。方法二是在LWD仪器外表面熔覆一定比例碳化钨合金粉，耐磨层与基体形成冶金结合，使用过程中耐磨带逐步磨损失效。方法一在较大的冲击和振动工况条件下容易产生碳化钨耐磨块脱落现象，同时一旦产生脱落，耐磨带快速失效，伤及基体，损失较大。据此多采用方法二，在LWD仪器专用钻铤的外表覆焊碳化钨合金粉，形成耐磨带，垫高本体，防止磨损本体损伤电路。

LWD仪器种类繁多，大部分设计结构采用的是内嵌式而不是探管式，内嵌式结构是将数据的测量和传输电路模块及穿线预埋在无磁钻铤中。这些钻铤覆焊耐磨带的位置通常都离这些电路板和导线很近（图2、图3，注：Formation Evaluation While Drilling，FEWD。随钻地质评价测量系统），进口仪器电路板和导线安装拆卸复杂，难度大，因此需要在不拆卸电路板和导线的情况下，直接在本体上覆焊耐磨材料。LWD专用钻铤材料多为低碳高铬锰无磁不锈钢，LWD仪器测量需要无磁环境下，故焊接材料必须也为无磁。

图2 FEWD专用钻铤耐磨带

图3 FEWD专用钻铤内部结构

4 专用钻铤覆焊耐磨带需达到的技术要求

（1）对材料本身的热变形及热影响区小，温度必须＜125℃，不能对内部的电路板及导线产生影响，对基体热损伤小，耐磨带可重复制造。

（2）覆焊材料必须是无磁材料，磁导率＜1.01。

（3）覆焊材料与基体必须具有足够的结合力，不会出现掉块现象。

（4）覆焊材料必须具有高的耐磨性。

激光覆焊技术能很好满足上述要求。激光覆焊是激光焊接技术应用中的一种，它指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节省了大量的贵重元素。

激光覆焊要遵循覆焊材料与基体材料的热膨胀系数相近原则和润湿性原则。专用钻铤材料多为低碳高铬锰无磁不锈钢，耐磨带需覆焊高耐磨性磁导率低的材料，可采用在Ni基粉中添加WC，SiC等陶瓷相的硬质复合材料。其中WC是耐磨性极佳的硬质材料，可借助于起钎料作用的胎体金属形成硬质合金或相应的耐磨材料。Ni基合金对WC有很好的润湿性。WC选择球形铸造WC颗粒，球形碳化钨颗粒具有高的抗冲击性能，避免因尖角应力集中导致的裂纹及剥落。

覆焊时，高能激光束作用在工件表面（图4），并采用同步送粉技术，快速加热、熔化、冷却，使得Ni基WC粉与基体表层产生冶金结合，熔覆过程中电路部位全程温度控制在＜120℃以防止损伤电路。在基材与耐磨层之间熔覆缓冲层，有效吸收碳化钨耐磨层裂纹以防裂纹在使用过程中向工件基体延伸。耐磨层中，WC含量≥60%WC为球状，分布均匀，激光熔覆过程在惰性气体保护下完成，无WC烧损，无破损现象。确保耐磨层性能，同时微观表面WC球面与岩石接触，在振动、冲击环境中，其颗粒不易脱落，有效延长使用寿命。图5为在专用钻铤的天线及数据读出电路的间隙间覆焊耐磨带，垫高本体。