鉆頭材料修復(fù)的研究進(jìn)展

于磊

摘要：本文首先分析了常規(guī)PDC鉆頭磨損、損壞的原因，然后詳細(xì)介紹了PDC鉆頭修復(fù)的一般工藝技術(shù)，最后指出了PDC鉆頭修復(fù)的一些可創(chuàng)新之處、鉆頭修復(fù)所要達(dá)到的預(yù)期目標(biāo)及今后其發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：PDC鉆頭；修復(fù)；再制造

0引言

在石油鉆井行業(yè)中，PDC鉆頭（聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的簡稱）是一種應(yīng)用非常廣泛的鉆井工具。PDC鉆頭本身是一體式鉆頭的一種，和其它類型鉆頭相比，比較簡單，其抗沖擊能力、耐磨性以及強(qiáng)度比較出色。這種技術(shù)也是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新技術(shù)。PDC鉆頭主要由鉆頭體、切削齒、噴嘴、保徑面和接頭等組成。根據(jù)鉆體冠部材料的不同,可分類為胎體式和鋼體式兩種。在軟中硬地層中使用金剛石鉆頭優(yōu)點(diǎn)明顯，比如進(jìn)度較快、工作過程平穩(wěn)、進(jìn)尺多、井身質(zhì)量出色、壽命長以及井下作業(yè)過程中事故概率出現(xiàn)低等[1,2]。

由于夾層較硬會導(dǎo)致鉆頭損壞，在軟巖地層中PDC鉆頭是最早應(yīng)用的。但是隨著技術(shù)發(fā)展以及結(jié)構(gòu)方面的變化，現(xiàn)在的PDC鉆頭已能用在硬巖地層和硬夾層上。隨著PDC鉆頭切削齒質(zhì)量的不斷提高，PDC鉆頭正越來越多地為各個企業(yè)所用。隨著鉆頭設(shè)計和切削齒的改進(jìn)，PDC鉆頭的可定向性較之以前也隨之提高，這更加削弱了牙輪鉆頭在鉆井中的優(yōu)勢。目前，PDC鉆頭在許多不同地層的應(yīng)用中越來越多地擠占著牙輪鉆頭的市場[3]。

1常規(guī)PDC鉆頭損壞的主要原因

通過對PDC鉆頭進(jìn)行分析，我們能夠發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)的PDC鉆頭出現(xiàn)損壞原因在于齒柱折斷、復(fù)合片掉片或者碎裂等。就這些損壞情況而言，在井下作業(yè)過程中，PDC鉆頭除了受到反作用力和與地層巖石摩擦損耗外，還會受到一些額外作用力的影響，并且導(dǎo)致PDC鉆頭破壞的主要原因也是額外作用力的影響。通過對PDC鉆頭使用情況進(jìn)行分析和總結(jié)，我們可以得出導(dǎo)致PDC鉆頭出現(xiàn)損壞的原因在于下面幾點(diǎn)：

（1）地層中存在性質(zhì)堅(jiān)硬的礫石層，地層的下半部含有厚度不等的礫石層段，PDC 鉆頭進(jìn)入該段，PDC 齒切削時，經(jīng)常會產(chǎn)生碎裂、崩片等狀況，是致使鉆頭切削齒在上半部地段損壞的主要原因。

（2）導(dǎo)致PDC鉆頭掉齒、復(fù)合片碎裂的主要原因在于地層中硬夾層比較多。PDC鉆頭從軟地層鉆進(jìn)到硬夾層中去時，鉆頭接觸到的地層硬度差別比較大，這也會導(dǎo)致切削齒受到的力不夠均勻，很容易導(dǎo)致鉆頭出現(xiàn)憋鉆或者挑鉆的情況，甚至?xí)l(fā)生更嚴(yán)重后果。另外，PDC鉆頭基體與PDC鉆頭復(fù)合片焊接不牢固，當(dāng)受到巨大的瞬時作用力時，就造成了復(fù)合片破裂、掉片等現(xiàn)象。綜上所述，即使鉆井的參數(shù)一樣，在鉆進(jìn)硬巖層中去時PDC鉆頭更容易遭到破壞。

（3）PDC鉆頭水力參數(shù)選擇不當(dāng)，若是實(shí)用PDC鉆頭工作時，選擇的比水功率比較小，便會對復(fù)合片清洗和冷卻不徹底，易造成PDC鉆頭泥包和復(fù)合片的熱加速磨損。如果比水功率選擇過大，會使噴嘴或者切削齒脫落，甚至噴出的流體沖擊到井底后會直接沖蝕切削齒。

2常規(guī)PDC鉆頭的修復(fù)過程

（1）鉆頭的初檢：

（2）鉆頭的初檢和分解拆卸：根據(jù)PDC鉆頭磨損情況和長期的鉆頭修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，將PDC鉆頭磨損情況分門列類，視磨損情況分別處理。分解步驟一般是：先將要修復(fù)的胎體PDC鉆頭清洗干凈，然后將清洗后的鉆頭利用中頻加熱設(shè)備加熱。當(dāng)鉆頭體溫被加熱到600℃左右時，取下切削齒，把能夠再次使用的部分放到保溫設(shè)備中等待再次使用，對于不能再次使用的需要放到容器中，進(jìn)行修復(fù)或者再制造。除掉切削齒的鉆頭，則需要放在保溫材料中，進(jìn)行冷卻。

（3）修復(fù)鉆頭體以及切削齒：首先將冷卻的鉆頭體進(jìn)行噴砂處理（增加鉆頭粘附性），用石墨代替品鑲嵌到齒中，然后采用堆焊的方法進(jìn)行鉆頭體修復(fù)，切削齒的修復(fù)與鉆頭體類似。

（4）鉆頭體與切削齒的焊接:銀釬焊采用中頻感應(yīng)加熱技術(shù)與氧-乙炔堆焊加熱技術(shù)相結(jié)合的方式。焊接的過程中，需要將焊槍對準(zhǔn)焊接孔，進(jìn)行輔助加熱，確保焊料熔化能夠充分，讓切削齒和孔之間實(shí)現(xiàn)完全的吻合，對復(fù)合片施加一定的壓力, 使復(fù)合片冷卻固定,特別注意，對于再利用的切削齒應(yīng)該將其磨損部位旋轉(zhuǎn)到齒穴的側(cè)面去。

（5）保溫及后處理：進(jìn)行冷卻的主要目的是為了確保焊接強(qiáng)度能夠滿足實(shí)際需要，降低其內(nèi)應(yīng)力，在鉆頭體堆焊和釬焊之后，需要將鉆頭放在保溫設(shè)備中進(jìn)行保溫處理，保溫時間6～9小時。鉆頭的主體修復(fù)后, 可將其裝在機(jī)床上, 對其外徑用金剛石砂輪進(jìn)行再加工,以期得到理想、規(guī)則的尺寸和外形，然后進(jìn)行出廠檢測。

（6）修復(fù)樣品信息反饋：對于修復(fù)的PDC鉆頭進(jìn)行編號，追蹤反饋鉆頭的使用情況和損壞情況，進(jìn)行列表分析改進(jìn)修復(fù)工藝[2]。

3可行的創(chuàng)新點(diǎn)與目標(biāo)

（1）在鉆頭修復(fù)過程中，改進(jìn)修復(fù)技術(shù)，盡量縮短工序，降低生產(chǎn)成本，同時保證鉆頭修復(fù)質(zhì)量，從而提高經(jīng)濟(jì)效益；（2）與使用PDC鉆頭企業(yè)聯(lián)系、溝通，在PDC鉆頭使用過程中及時進(jìn)行跟蹤調(diào)查，在鉆頭出現(xiàn)大的損壞情況前及時發(fā)現(xiàn)（指目前比較好修復(fù)的狀況），并進(jìn)行修復(fù)，防止鉆頭損壞嚴(yán)重后，增加修復(fù)難度和成本，從而幫助企業(yè)降低成本，并且提高鉆頭使用壽命；（3）跟蹤反饋修復(fù)后鉆頭的信息，及時改進(jìn)修復(fù)技術(shù)，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高鉆頭修復(fù)工藝；（4）對復(fù)合條件的舊鉆頭進(jìn)行再制造，對于質(zhì)量好的舊鉆頭可以不僅僅進(jìn)行簡單的修復(fù)，可以進(jìn)行深加工，再制造，提高其性能，使其能適用于更復(fù)雜的地況，提高其自身價值。

本項(xiàng)目研究的預(yù)期目標(biāo)是希望通過本技術(shù)修復(fù)的PDC 鉆頭質(zhì)量與新加工的PDC鉆頭質(zhì)量無明顯差別，解決PDC 鉆頭的回收及再制造問題，既能滿足生產(chǎn)需要，又將大幅度降低鉆頭成本，使得廢舊材料重新發(fā)揮其應(yīng)用價值，爭取實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn):

[1]孔麗麗.胎體PDC鉆頭修復(fù)技術(shù)的探討[J].工業(yè)技術(shù),2012(11) :49.

[2]周龍昌等.鋼體PDC鉆頭修復(fù)技術(shù)之研究[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）,2005(9):41-45.

[3]周龍昌.鋼體PDC鉆頭新型制造工藝研究[J].石油礦場機(jī)械, 2004.33(05):105-107.endprint