PDC鉆頭浸漬工藝評(píng)定研究

宋康頓，郭龍飛

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

0 前言

隨著油氣勘探開發(fā)工作的不斷深入，各油田PDC鉆頭使用量逐年增多，同時(shí)因PDC鉆頭胎體的質(zhì)量問題引起的鉆井事故在國(guó)內(nèi)外都很普遍［1］。一旦發(fā)生鉆井事故，輕者耗費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力和時(shí)間，還會(huì)影響工程質(zhì)量;重者導(dǎo)致鉆井工程報(bào)廢、設(shè)備損壞、環(huán)境污染、貽誤油氣開發(fā)時(shí)機(jī)，甚至造成人員傷亡。在鉆探行業(yè)已有完善的PDC鉆頭的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，但鉆具失效事故還是得不到有效的控制［2］。

PDC鉆頭采用無壓浸漬法制造過程中，直接決定PDC鉆頭胎體性能的關(guān)鍵因素是胎體粉末的配料和燒結(jié)浸漬工藝。目前在PDC鉆頭性能研究方面，國(guó)內(nèi)外對(duì)金剛石鉆頭的研究多集中于胎體配方上，且配方研究已經(jīng)較為成熟［3］。也有大量對(duì)影響PDC鉆頭力學(xué)性能的主要幾何參數(shù)的理論研究［4］，且更側(cè)重于鉆頭實(shí)際鉆進(jìn)碎巖效果的研究，而對(duì)PDC鉆頭燒浸漬結(jié)工藝研究較少。國(guó)內(nèi)的PDC鉆頭的燒結(jié)工藝參數(shù)是由國(guó)外引進(jìn)，由于國(guó)外對(duì)中國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家只知道生產(chǎn)工藝參數(shù)，并不知道為什么要按照這樣的參數(shù)生產(chǎn)。具體生產(chǎn)過程中只能用經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行生產(chǎn)，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或者規(guī)定。這樣生產(chǎn)出來的PDC鉆頭并不能保證其性能達(dá)到最佳，而且產(chǎn)品質(zhì)量也不穩(wěn)定。因此，對(duì)PDC鉆頭胎體的浸漬工藝進(jìn)行評(píng)定顯得勢(shì)在必行。

1 PDC鉆頭浸漬工藝性能評(píng)定試驗(yàn)

1．1 浸漬工藝性能評(píng)定試驗(yàn)試樣制作

PDC鉆頭胎體浸漬工藝的主要流程為鉆頭參數(shù)確定→骨架與粘結(jié)劑壓制成型、模具與鋼體制造→組裝燒結(jié)→檢驗(yàn)凈化處理→復(fù)合片焊接。PDC鉆頭試樣統(tǒng)一燒結(jié)為壓力p=83 kN，采用四組燒結(jié)溫度(1 050℃、1 100℃、1 150℃、1 180℃)，每組燒結(jié)溫度下采用4組保溫時(shí)間(80、85、90、95 min)分別燒結(jié)制造4個(gè)PDC鉆頭試樣，然后根據(jù)PDC鉆頭實(shí)際工作受力情況選取取樣部位。試樣采用線切割方法避免了因模具制造試樣造成的尺寸差異與表面處理帶來的影響。具體燒結(jié)方案如表1所示。

表1 PDC鉆頭胎體試樣具體燒結(jié)方案

1．2 浸漬工藝性能評(píng)定試驗(yàn)方案

PDC鉆頭胎體性能參數(shù)主要包括抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、耐磨性、硬度、沖擊韌性、紅硬性、金相檢驗(yàn)或掃面電鏡分析等。根據(jù)工程學(xué)院斷裂與疲勞實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該次試驗(yàn)主要進(jìn)行胎體表面硬度、沖擊韌性、抗彎強(qiáng)度的測(cè)試試驗(yàn)，并在低倍鏡下進(jìn)行胎體材料組織均勻性與完整性觀察。

1．2．1 硬度試驗(yàn)

胎體硬度是鉆頭胎體主要性能指標(biāo)之一，嚴(yán)格的說應(yīng)該以胎體的腐蝕性作為胎體性能的主要指標(biāo)為宜，但由于胎體的硬度指標(biāo)在某些特定的條件下(如胎體配方相同的條件下，硬度越高胎體的耐磨性及抗沖蝕性也越高)與胎體的耐磨性、抗沖蝕性一致。并且鉆頭胎體的耐磨性，目前國(guó)內(nèi)外尚無統(tǒng)一測(cè)定的方法，只能用比較容易測(cè)定的絡(luò)氏硬度HRC來表示鉆頭胎體性能。試樣硬度的測(cè)定按照標(biāo)準(zhǔn)金屬絡(luò)氏硬度試驗(yàn)在HR-150A型洛氏硬度計(jì)硬度計(jì)上進(jìn)行［5］。硬度試樣在測(cè)定前需要在金相預(yù)磨機(jī)上進(jìn)行預(yù)磨，圓柱體的兩面都要平整光滑，不能有毛刺或者凹坑，否則無法準(zhǔn)確測(cè)試硬度值。

1．2．2 沖擊韌性試驗(yàn)

沖擊韌度反映材料裂紋形成和擴(kuò)展過程所消耗的總能量。鉆頭在鉆進(jìn)過程中隨縱向震動(dòng)和橫向抖動(dòng)的頻繁沖擊;在提下鉆過程承受孔壁的瞬時(shí)撞擊;在掃脫落巖心中受滾動(dòng)沖擊;在沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中鉆頭又承受一種周期性的高頻沖擊，在上述多種沖擊載荷的作用下，要想工作齒不出現(xiàn)裂紋、掉塊等現(xiàn)象，胎體的抗沖擊韌性指標(biāo)顯得更為重要。沖擊試樣取樣部位如圖1所示，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，U型缺口深度為2 mm。依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行夏比擺錘沖擊試驗(yàn)［6］。

圖1 胎體沖擊試樣取樣部位示意圖

1．2．3 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)

抗彎強(qiáng)度表征合金的本征強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)缺陷控制水平?？箯潖?qiáng)度試驗(yàn)是測(cè)定胎體材料在靜彎曲負(fù)荷作用下折斷時(shí)的材料性能，它與胎體材料的強(qiáng)度和韌性有關(guān)。對(duì)于屬脆性的鉆頭胎體材料在彎曲時(shí)無明顯塑性，最大彎曲應(yīng)力容易測(cè)得，將胎體合金試樣置于兩支點(diǎn)上，在其中點(diǎn)處加一集中載荷，直至斷裂，單位面積上所受的力即為抗彎強(qiáng)度，該數(shù)值愈大反映胎體的強(qiáng)度高，韌性大。胎體抗彎性能由胎體成分和燒結(jié)工藝所決定，并以胎體的成分設(shè)計(jì)為主。胎體抗彎強(qiáng)度應(yīng)保證胎體不發(fā)生碎裂，胎體與鋼體有足夠的連接強(qiáng)度。

具體試驗(yàn)方案:取樣部位如圖2所示，試樣尺寸為20 mm×24 mm×110 mm。具體試驗(yàn)方法是采用三點(diǎn)彎試驗(yàn)方法［7］，在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，選用的負(fù)荷標(biāo)度盤最小刻度值不大于胎體斷裂負(fù)荷的1%，采用三點(diǎn)彎曲(橫向面彎)試驗(yàn)裝置。

1．2．4 金相顯微組織試驗(yàn)

掃描電鏡(Seanning Eleetron MicroSeopy)可用于觀察樣品的形貌、斷口，也可以分析樣品的成分，本次試驗(yàn)主要利用掃描電鏡觀察試樣的斷口，分析樣品的組織的均勻性與完整性，從而比較各種燒結(jié)工藝的優(yōu)劣。斷口分析的試樣選用沖擊試驗(yàn)斷裂后的試樣，采用金相試樣切割機(jī)和金相試樣拋光機(jī)處理試樣。

圖2 鉆頭體抗彎試樣取樣部位示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與評(píng)定

2．1 硬度測(cè)試結(jié)果及分析

胎體硬度的測(cè)試結(jié)果見表2，根據(jù)測(cè)試結(jié)果做出溫度參數(shù)下平均硬度的變化趨勢(shì)圖3，從而分析燒結(jié)溫度與保溫時(shí)間的變化對(duì)胎體硬度的影響。如圖3所示，從不同燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間的試樣平均硬度折線圖可看出在燒結(jié)溫度為1 150℃和1 180℃、保溫時(shí)間為90 min時(shí)，胎體試樣的平均硬度值最高為HRC 50．67，燒結(jié)溫度對(duì)胎體硬度的影響比較明顯。

表2 硬度測(cè)試結(jié)果

圖3 不同燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間的試樣平均硬度折線圖

2．2 沖擊韌性測(cè)試結(jié)果及分析

表3為胎體沖擊韌性的測(cè)試結(jié)果，根據(jù)測(cè)試結(jié)果做出溫度參數(shù)下平均斷裂韌性的變化趨勢(shì)圖，從而分析燒結(jié)溫度與保溫時(shí)間的變化對(duì)胎體沖擊韌性的影響。

表3 沖擊韌性測(cè)試結(jié)果

圖4 不同燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間的試樣平均沖擊韌性折線圖

從不同燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間的平均沖擊韌性折線圖4可看出在燒結(jié)溫度為1 180℃、保溫時(shí)間為95 min時(shí)，胎體試樣的平均抗沖擊韌性值最高，燒結(jié)溫度對(duì)胎體沖擊韌性的影響較保溫時(shí)間的影響更加明顯。

2．3 抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果及分析

抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲法，試驗(yàn)設(shè)備為電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)INSTRON 1251。表4為胎體的抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，根據(jù)測(cè)試結(jié)果做出溫度參數(shù)下平均抗彎強(qiáng)度的變化趨勢(shì)圖5，從而分析燒結(jié)溫度與保溫時(shí)間的變化對(duì)胎體抗彎強(qiáng)度的影響。

表4 抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖5 不同燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間的平均抗彎強(qiáng)度折線圖

從不同燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間的平均抗彎強(qiáng)度折線圖5可看出在燒結(jié)溫度為1 180℃、保溫時(shí)間為95 min時(shí)，胎體試樣的平均抗彎強(qiáng)度值最高，燒結(jié)溫度對(duì)胎體抗彎強(qiáng)度的影響較保溫時(shí)間的影響更加明顯。

2．4 金相顯微組織測(cè)試結(jié)果及分析

2．5 性能評(píng)定

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，綜合胎體試樣的硬度、沖擊韌性、抗彎強(qiáng)度和組織結(jié)構(gòu)情況，得出在燒結(jié)溫度為1 180℃和保溫時(shí)間為95 min時(shí)胎體試樣的各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均達(dá)到最優(yōu)，其具體力學(xué)性能參數(shù)為平均硬度HRC 47．33，平均沖擊韌性9．20 J，平均抗彎強(qiáng)度593．33 MPa，其顯微組織均勻，結(jié)構(gòu)完整。

參照《SY/T5217-2000金剛石鉆頭及金剛石取心鉆頭》等標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鉆頭體材料的硬度不得低于HRC 38，抗彎強(qiáng)度不得低于530 MPa，抗沖擊韌性不得低于2 J。對(duì)比燒結(jié)溫度為1 180℃和保溫時(shí)間為95 min時(shí)胎體試樣的、硬度、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性、組織均勻性與完整性均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

PDC鉆頭采用燒結(jié)溫度為1 180℃、保溫時(shí)間為95 min的浸漬工藝制造是最合理的，其硬度值、沖擊韌性值、抗彎強(qiáng)度均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，胎體的組織沒有疏松、裂紋等缺陷，胎體浸漬飽滿到位，利于切削齒的包鑲。

［1］Sweet R G．Case History of Drillstem Failures Offshore West Africa［C］．SPE Drilling Engineering，18653，March 2010．

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［3］潘薇，楊曉楓，陳亦工，等．金剛石制品熱壓燒結(jié)設(shè)備的研制及發(fā)展［C］//第八屆全國(guó)超硬材料與制品研討會(huì)，2000:36-39．

［4］李大佛，屠厚澤，李天明，等．金剛石、PDC鉆頭與工藝學(xué)［M］．北京:地質(zhì)出版社，2008:291-293．

［5］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局．GBT 231．1-2009金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分:試驗(yàn)方法［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009．

［6］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局．GB/T229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007

［7］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局．GB/T232-1999．金屬材料彎曲試驗(yàn)方法［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999．