ЛАЗЕРНАЯ НАПЛАВКА ИЗНОСОСТОЙКИХ СЛОЁВ НА РАБОЧИЕ ПОВЕРХНОСТИ СТАБИЛИЗАТОРОВ БУРИЛЬНЫХ КОЛОНН

АННОТАЦИЯ

Добыча нефти характеризуется увеличением доли трудноизвлекаемых запасов, что предъявляет особые требования к буровому оборудованию, в том числе к износостойкости стабилизаторов бурильных колонн. Для защиты от износа рабочей поверхностей лопастей стабилизаторов бурильных колонн наносят упрочняющие слои также лазерной наплавкой. Представлены результаты эксперимента по определению оптимальных режимов наплавки на стабилизаторы. Эксперимент, проведённый в АО «Плакарт», показал, что наилучший результат получен при содержании 53,9% WC в наплавляемой смеси.

ABSTRACT

Modern oil production places special demands on drilling equipment, including the wear resistance of drill string stabilizers. To protect the working surfaces of drill string stabilizer blades from wear, hardening layers are applied using laser cladding. The results of an experiment to determine the optimal cladding conditions for stabilizers are presented. The experiment was conducted at Plakart JSC. It was shown that the best result was achieved with a 53.9% WC content in the cladding mixture.

Ключевые слова: лазерная наплавка, стабилизатор бурильной колонны, износостойкий слой, микроструктура, микротвёрдость.

Keywords: laser cladding, drill string stabilizer, wear-resistant layer, microstructure, microhardness.

Введение. Процесс добычи энергетических ресурсов постоянно усложняется и требует более широкого применения деталей машин и механизмов бурового оборудования со всё большей наработкой и высокой надёжностью. Основным элементом бурового оборудования являются бурильные колонны. Они совершают возвратно-поступательные движения внутри скважины, подвергаясь воздействию стенок при сложных траекториях скважины переменным нагрузкам и интенсивному износу, химическим воздействиям, что приводит к сокращению их срока службы и увеличению затрат на ремонт и замену [1]. Бурильная колонна соединяет долото (или забойный двигатель и долото) с наземным оборудованием (вертлюгом). Бурильная колонна состоит из свинченных друг с другом ведущей трубы, бурильных труб и утяжеленных бурильных труб (УБТ). Кроме названных выше элементов, в компоновку бурильных колонн могут включаться калибраторы, центраторы, стабилизаторы, расширители, промежуточные опоры для УБТ, средства наклонно-направленного бурения и другое специальное оборудование [2, с.67].

Стабилизаторы, калибраторы и центраторы относятся к опорно-центрирующим элементам бурильных колонн (далее - ОЦЭ). Опорно-центрирующие элементы бурильной колонны представляют собой средства, обеспечивающие центрирование нижней части колонны и забойного двигателя, стабилизацию, изменение направления ствола скважины, а также оптимизацию условий работы долота. В настоящее время отмечается повышенная актуальность применения данных элементов, что обусловлено, в первую очередь, усложнением траекторий скважин, увеличением скорости бурения и расширением практики бурения скважин с высоким углом отклонения от вертикали и протяжёнными горизонтальными участками. ОЦЭ применяются при бурении вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных скважин для управления траекторией и повышения качества проводки, управления параметрами искривления ствола скважины и снижения возможностей возникновения осложнений, а также улучшения технико-экономических показателей бурения [3, с.36].

Согласно отраслевому стандарту ОСТ 39-078-79, стабилизатор – это опорно-центрирующее устройство, предназначенное для стабилизации направления ствола скважины, устанавливается над калибратором или в колонне бурильных труб [3, с.37]. Стабилизатор веса бурового оборудования – это специальный буровой инструмент, применяемый для предотвращения повреждений стенок скважины бурильной колонной при бурении. Стабилизатор осуществляет центрирование бурильной колонны и забойного двигателя, стабилизацию и изменение траектории ствола скважины. Материал рабочей поверхности (называемой также стенным контактом) состоит из твердых металлов с вставками из алмаза и карбида вольфрама. Условия работы – щелочная среда, температура от -50 до 60 °С, гидроабразивный износ [4, с.26].

ОЦЭ могут быть металлическими или пластиковыми, изготовленными из различных материалов, таких как сталь, полиамид (PA), ультравысокомолекулярный полиэтилен (UHMWPE) и другие. Традиционные металлические материалы включают высокопрочные сплавы, такие как 42CrMo, 35CrMo, 20CrMo, стали 45 и 316L, а также коррозионностойкие стали, применяемые при наличии высокоагрессивных сред [5]. ОЦЭ обычно изготавливаются из высокопрочных износостойких материалов, которые соединяются со штангами и непосредственно контактируют с трубопроводом, переводя износ с штанг и трубопровода на стабилизатор, что предотвращает износ и увеличивает срок службы подъемного оборудования [6]. В качестве материала бурильных колонн в Китае предложено использовать углеродное волокно (CF) и композитные материалы CF/GF/PA. Новые материалы значительно снизили коэффициент обрыва штанг и увеличили срок службы стабилизаторов. Для армирования PA66 использовано углеродные волокна (40%) и изготовлены композитные стабилизаторы CF/PA66, которые значительно повысили прочность на растяжение и изгиб [7].

Одним из разработанных способов нанесения износостойкого слоя является лазерная наплавка, технология которой является объектом представленных здесь исследований. Лазерная наплавка рабочих поверхностей ОЦЭ позволяет обеспечить: упрочнение, восстановление калибраторов с любым типом ранее существовавшего упрочнения рабочей поверхности; замену традиционно применяемых технологий упрочнения зубками и пайкой твердосплавных пластин на более высокое по потребительским свойствам износостойкое покрытие, используемое ведущими мировыми компаниями-производителями данного оборудования; импортозамещение; возможность в короткие сроки оснащения буровых бригад стабилизаторами требуемого диаметра; ремонтопригодность [8, с.52].

Методология исследования включает в себя литературный обзор известных способов обеспечения износостойкости рабочих поверхностей деталей, испытывающих триботехническую нагрузку, а также изучение свойств и структуры наплавленных слоёв при проведении эксперимента по отработке технологии лазерной наплавки стабилизаторов.

Целью статьи является представление результатов экспериментального подбора оптимального режима лазерной наплавки рабочих поверхностей стабилизаторов бурильных колон.

Известен целый ряд публикаций, представляющих исследования износостойких слоёв, полученных с применением лазерной наплавки. С учётом приведенных в публикациях рекомендаций и производственного опыта было осуществлено планирование и проведение эксперимента по определению режимов лазерной наплавки в АО «Плакарт».

В условиях производства подбор значений параметров режимов наплавки (мощность лазера, скорость подачи порошка и др.) осуществляется с учётом технических характеристик оборудования, актуального химического состава материала, свойств порошка и требований заказчика к качеству наносимого слоя.

Стабилизаторы, для которых отрабатывались режимы, изготовлены из специальной немагнитной, аустенитной Mn-Cr-стали Р550 (таблица 1). Материал наплавки, согласно рекомендациям из публикаций и опыта работы АО «Плакарт», выбран следующий: материал подложки – Inconel 625; материал покрытия – карбид вольфрама и порошок ПР-НХ8С3Р2.

Проводились эксперименты, в которых варьировались обороты дисков питателей (об/мин), а значит и масса подаваемого порошка (г/мин). Выбраны три варианта соотношений оборотов дисков питателей (таблица 2). Масса порошка определялась в результате нескольких замеров, в таблице указано среднее значение. По соотношениям масс порошков рассчитывалась доля карбида вольфрама в подаваемой смеси.

Таблица 1.

Химический состав и механические свойства стали Р550

Неизменяемыми параметрами режима наплавки были:

- мощность:                                                                           1500 Вт;

- скорость перемещения пятна лазерного излучения: 6,8 мм/с;

- расход транспортирующего газа (аргона):                4 л/мин;

- расход защитного газа (аргона):                               16 л/мин.

Таблица 2.

Значения варьируемых параметров режимов наплавки

Наплавка осуществлялась в соответствии с принятыми на предприятии технологиями нанесения наплавочных слоёв, включая подготовку поверхности под наплавку, последующую обработку и контроль качества нанесённого слоя.

Для оценки качества наплавленного слоя проводилось изучение микроструктуры и микротвёрдости. Микроструктура нанесенного слоя и увеличенный фрагмент микроструктуры возле линии сплавления показаны на рисунке 1, а изменение микротвёрдости от поверхности – на рисунке 2.

Рисунок 1. Структуры слоев: а) образца 1; б) образца 2; в) образца 3

По изображениям микроструктуры наплавленного слоя видно, что у образцов 1 и 2 в наплавленном металле наблюдаются поры, а возле линии сплавления – трещины. Следует признать, что трещины могли образоваться и при изготовлении образцов, поскольку нанесённый слой является твёрдым, но хрупким. Для всех трёх образцов наблюдается неоднородное распределение карбидов вольфрама, что непосредственно влияет на твёрдость материала и, соответственно, на его эксплуатационные характеристики.

Графики изменения микротвёрдости по толщине нанесённого слоя имеют сложный профиль, что свидетельствует об изменении объекта локального измерения: высокие значение – WC, низкие значения – Niα. Третий образец демонстрирует равномерное распределение карбидов, что свидетельствует об однородном, качественном покрытии. Кроме того, у третьего образца отсутствуют микроструктурные нарушения, поэтому режим наплавки с долей карбида вольфрама 53,9% можно считать оптимальным для нанесения износостойкого покрытия на рабочие поверхностей стабилизаторов бурильных колон для принятых постоянных значений режима наплавки.

Рисунок 2. Изменение микротвёрдости HV0.5: а) образца 1; б) образца 2; в) образца 3

Дальнейшие исследования могут быть проведены по изучению влияния погонной энергии, а также металлокерамического покрытия NiCrBSiFe−WC на качество наносимого слоя на стабилизаторы бурильных колон. Технология нанесения металлокерамического покрытия NiCrBSiFe−WC с помощью порошковой наплавки многоканальным СО² лазером исследовалась в работе [9]. Для лазерной наплавки использовали порошковую смесь марки ПС-12НВК-01 (ГОСТ 28377-89). Смесь состоит из 35 % WC - карбида вольфрама и 65 % гранулированного порошка марки ПГ-10Н-01 с химическим составом согласно ТУ 48-19-383-91, % (масс.): 0.6…1.0 C; 14…20 Cr; 2.8…4.2 B; 4.0…4.5 Si; 3.0…7.0 Fe; ост.- Ni. Материалом подложки служила конструкционная сталь марки 40Х (ГОСТ 4543-71).

Заключение

Стабилизатор бурильной колоны относится к опорно-центрирующим устройствам, предназначенное для стабилизации направления ствола скважины. Стабилизаторы эксплуатируются в условиях гидроабразивного износа поэтому актуальным является нанесение износостойких слоёв на рабочие поверхности стабилизаторов. Одним из разработанных способов нанесения износостойкого слоя является лазерная наплавка. Для обеспечения такого слоя в АО «Плакарт» наносились Inconel 625 (материал подложки) и смесь карбида вольфрама и порошка ПР-НХ8С3Р2 (материал покрытия) при таких значениях режима наплавки: мощность - 1500 Вт, скорость перемещения пятна лазерного излучения - 6,8 мм/с, расход транспортирующего газа (аргона) - 4 л/мин, расход защитного газа (аргона) - 16 л/мин. В результате проведенного эксперимента показано, что достаточно качественное покрытие формируется при наплавке с долей карбида вольфрама 53,9% в подаваемом порошке.

Список литературы:

1. 崔云波.深井有杆泵采油工艺优化设计研究[J].中国石油和化工标准与质量, 2022, 42(12):173-174+177.
2. Дмитриев А.Ю. Основы технологии бурения скважин: учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 216 с.
3. Гирфанова, Н.И. Обзор классификации опорно-центрирующих элементов и их назначение в бурильной колонне / Н.И. Гирфанова, А.А. Щевелёв, Л.М. Левинсон, Ф.Н. Янгиров // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - 2019. - №3. - С. 35-46. - DOI: 10.17122/ntj-oil-2019-3-35-46
4. Панченко, В.Я. Лазерные технологии газопорошковой наплавки и термической обработки бурового оборудования для задач проекта «Арктика» / В.Я. Панченко, В.В. Васильцов, И.Н. Ильичев, А.В. Богданов, А.Г. Григорьянц, К.И. Макаренко, М.В. Таксанц // Фотоника, 2017. - № 6 (66). - С.22-32. - DOI: 10.22184/1993-7296.2017.66.6.22.32
5. 黄俊媛,沈泽俊,张立新,等.激光表面处理技术在石油机械中的应用[J].激光与光电子学进展,2019,56(06):65-77.
6. 孔学云,李国华,陈杰,等.钻井扶正工具断裂失效分析及预防[J].石油矿场机械,2024,53(02):79-84.
7. Li, J. Interfacial studies on the O3 modified carbon fiber-reinforced polyamide 6 composites[J] / J. Li // Applied Surface Science, 2008, 255(5p2): 2822-2824.
8. Витухина, М.В. Новые высокотехнологичные решения для восстановления и защиты от коррозии быстроизнашиваемых компонентов бурового оборудования / М.В. Витухина // Бурение и нефть, 2018, №5, С. 52-53.
9. Афанасьева, Л.Е. Лазерная наплавка покрытия NiCrBSiFe−WC с помощью многоканального лазера / Л.Е. Афанасьева, Г.В. Раткевич // Letters on Materials, 2018, 8 (3), pp. 268-273.