油氣井金剛石鉆頭制造新工藝研究進(jìn)展①

趙永明，謝德龍，萬 隆，方嘯虎

（1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，100728；2.湖南大學(xué)材料與科學(xué)工程學(xué)院，長沙410082；3.上海琦實(shí)超硬材料有限公司，上海201108）

自采取粉末冶金技術(shù)制造金剛石鉆頭以來，油氣井鉆頭制造工藝有了一定的發(fā)展，但變化不大［1］。然而近年來，在模具制造、胎體材料研制、鉆頭冷卻和PDC鉆頭釬焊工藝方面卻有著不同程度的進(jìn)步。

1 橡膠——陶瓷模具

油氣井金剛石鉆頭制造一般采用無壓浸漬法，其模具成型時(shí)用高強(qiáng)石墨，采用機(jī)加工和手工相結(jié)合的方法完成。這種方法存在著石墨模具費(fèi)用高，模具重復(fù)使用率低（一般模具只能使用一次），模具生產(chǎn)周期長等缺點(diǎn)，而且模具加工過程中產(chǎn)生的石墨粉塵對(duì)人體及環(huán)境均有較大的危害。另外，由于模具加工是多工位、多工序完成，而鉆頭對(duì)模具的成型精度要求較高，如復(fù)合片鉆頭要保證準(zhǔn)確的出刃，以準(zhǔn)確的復(fù)合片定位孔來保證復(fù)合片安裝位置的準(zhǔn)確，其工作點(diǎn)必須在連續(xù)的包絡(luò)曲線上。特別是在批量生產(chǎn)時(shí)，要做到每一只鉆頭都準(zhǔn)確再現(xiàn)是很難辦到的。橡膠——陶瓷模具是一套全新的模具成型方法，其制造工藝較好地解決了無壓浸漬法制造鉆頭時(shí)模具材料和模具成型中存在的問題（橡膠公模見圖1）。

圖1 橡膠公模Fig.1 The rubber male die

橡膠——陶瓷模具是按鉆頭設(shè)計(jì)先加工出母模（基礎(chǔ)模）到公模（橡膠模），再由公模倒出母模（陶瓷模）的制造過程，最后得出的陶瓷模即是用來燒結(jié)鉆頭的模具［2］。這樣每次只用橡膠模具倒出陶瓷模即可燒結(jié)鉆頭，橡膠模具可反復(fù)使用一年多。此工藝具有制模時(shí)間短（約1個(gè)小時(shí)）、工件精度高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、工時(shí)短等特點(diǎn)，制造鉆頭綜合成本降低約20%左右。此制模工藝可使用到任何胎體鉆頭的工藝中。

2 多種胎體材料組裝工藝

鉆頭組裝的表鑲金剛石鉆頭和TSP鉆頭與傳統(tǒng)的金剛石鉆頭沒有大的變化，而PDC鉆頭組裝工藝過程卻有較大的進(jìn)步。其主要進(jìn)步是采用新研制的多種高性能胎體材料組裝鉆頭，這大大提高了鉆頭整體性能，降低了因鉆頭質(zhì)量問題而造成井底事故。

表鑲鉆頭和TSP鉆頭一般設(shè)計(jì)為水槽淺、刀翼短，胎體配方只要耐磨損、耐沖蝕即可使用。而PDC鉆頭則不同：水槽深，刀翼長。若采用老的胎體配方，使用中常出現(xiàn)崩塊，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)刀翼被折斷。因此，需要研制出適合PDC鉆頭用的多種性能的胎體材料。如在鉆頭表面裝一薄層耐沖蝕、耐磨損、抗沖擊的胎體材料以降低對(duì)鉆頭的損傷，而在鉆頭中心的大部分體積裝入抗彎強(qiáng)度和抗沖韌性高的胎體配方，防止在鉆進(jìn)中鉆頭受到振動(dòng)、沖擊和碰撞而損傷或折斷刀翼。另外在鉆頭需機(jī)加工的交界處裝入適量的易切削的胎體配方，不僅有利于機(jī)加工，而且可以避免打刀的情況出現(xiàn)。這樣，多種性能的胎體配方燒結(jié)成一只鉆頭，既提高了鉆頭整體性能又有利于機(jī)加工。

3 鉆頭組裝體燒結(jié)

傳統(tǒng)的鉆頭燒結(jié)，是將整個(gè)鉆頭所用的工件和材料全部組裝后送入爐中，升到一定的溫度，保溫一定的時(shí)間后，出爐冷卻退模［3］。這樣鉆頭常有氣孔、熔濕和局部未浸透的情況發(fā)生，造成鉆頭出現(xiàn)次品和廢品的幾率較高。

新的燒結(jié)方法是將鉆頭裝完胎體材料后，送到一個(gè)自制加熱爐罩中進(jìn)行預(yù)熱處理，將整個(gè)鉆頭體加熱約300℃～400℃，保溫1～3小時(shí)，然后再裝入浸漬金屬合金、硼砂和上蓋板，最后送入鉆頭燒結(jié)爐進(jìn)行常規(guī)的鉆頭燒結(jié)。這樣的預(yù)熱處理可以排除鉆頭組裝體內(nèi)的有害氣體和水分，提高鉆頭燒結(jié)的成品率。

4 科學(xué)的冷卻方式

常用鉆頭冷卻方法為緩冷和自然冷卻。但是在使用中常發(fā)現(xiàn)鉆頭出現(xiàn)氣孔、局部浸漬不透、鋼體冷卻收縮產(chǎn)生裂縫等情況。因此，選用一項(xiàng)新的冷卻技術(shù)至關(guān)重要。如下面的定向冷卻法，其規(guī)程如下：

4.1 冷卻裝置

（1）在燒結(jié)爐側(cè)面制作一冷卻臺(tái)（放鉆頭）

（2）冷卻臺(tái)中心處裝上Φ15mm水嘴

（3）冷卻臺(tái)中心上部吊一個(gè)保溫罩（可上下滑動(dòng)）

（4）配制拉桿和推桿

4.2 冷卻工序

（1）將爐膛中保溫到時(shí)的鉆頭推拉到冷卻臺(tái)上；

（2）降下保溫罩罩住鉆頭組裝體；

（3）打開水嘴開關(guān)，噴向鉆頭組裝體底模中心處；（從鉆頭拉出到打開水嘴開關(guān)，必須在兩分鐘內(nèi)完成）

（4）繼續(xù)噴水，讓鉆頭組裝體緩慢冷卻，待石墨模完全恢復(fù)本色后關(guān)上水嘴開關(guān)，自然冷卻到常溫后退模。

這種冷卻方式對(duì)保證鉆頭浸漬良好，胎體孔隙率低，鋼體與胎體粘結(jié)牢固起了很重要的作用。同時(shí)，對(duì)胎體有定向結(jié)晶的作用，浸入胎體粉料中的粘結(jié)金屬性能比常規(guī)冷卻方式提高5%左右。

5 三維釬焊裝置

PDC復(fù)合片的釬焊［4］是鉆頭制造的重要環(huán)節(jié)，PDC復(fù)合片焊接是否牢固、溫度是否精確等因素將直接影響鉆頭質(zhì)量和使用效果。初期PDC鉆頭釬焊是將鉆頭從預(yù)熱爐拉出放在任意地方，工人圍繞鉆頭轉(zhuǎn)圈施工，很不方便。后來，放在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的臺(tái)子上釬焊施工，有了進(jìn)步，但由于鉆頭多為曲面，設(shè)計(jì)有保徑齒或倒劃眼齒，釬焊還是不方便，有鉆頭釬焊不牢、溫度控制不準(zhǔn)、PDC切削齒受到傷害，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工時(shí)間長等問題。

近來，有研究單位研制出了一種三維釬焊裝置，徹底解決了上述釬焊中的問題。三維釬焊裝置是由加熱罩、溫度監(jiān)控器、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、減速器、支架等組成，其主要參數(shù)為：

（1）加熱溫度：750℃；

（2）可自動(dòng)控制溫度精度：±1℃；

（3）鉆頭旋轉(zhuǎn)角度：360°

（4）可傾角度：90°

（5）上下移動(dòng)可達(dá)400mm。

由于三維釬焊裝置溫度控制準(zhǔn)確，工人操作方便，降低了施工強(qiáng)度，縮短了工作時(shí)間，大大提高了鉆頭釬焊質(zhì)量。

6 結(jié)論

油氣井金剛石鉆頭的強(qiáng)勁發(fā)展勢頭在未來一段時(shí)期內(nèi)仍將持續(xù)進(jìn)行［5］。特別是在深部難鉆地層鉆井應(yīng)用方面，將是最有價(jià)值的發(fā)展方向。隨著先進(jìn)設(shè)計(jì)、分析技術(shù)的推廣應(yīng)用，油氣井鉆頭的設(shè)計(jì)水平相應(yīng)會(huì)有顯著提高。我們需要做出更大的努力，促進(jìn)鉆頭技術(shù)質(zhì)量和性能的提高，促進(jìn)我國超硬材料的持續(xù)發(fā)展。

［1］金剛石切削刃與金剛石強(qiáng)化柱齒的發(fā)展歷史及其對(duì)石油與天然氣工業(yè)的影響［J］.工業(yè)金剛石，2007（3）：48－55.

［2］郭東瓊.燒結(jié)PDC鉆頭軟模成型工藝研究［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2007，35（04）：75－77.

［3］孫毓超，宋月清.金剛石工具制造理論與實(shí)踐［M］.鄭州：鄭州大學(xué)出版社，2005，2－8.

［4］方嘯虎，鄧福銘，鄭日升.現(xiàn)代超硬材料與制品［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2011.

［5］趙云良.金剛石復(fù)合片及其石油、天然氣鉆頭發(fā)展概況［J］.超硬材料工程，2009，21（02）：23－27.