高強(qiáng)度低成本石油鉆頭胎體配方的研究

趙永明,李 亮

(河北小蜜蜂工具集團(tuán)有限公司，河北 正定 050000)

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高強(qiáng)度低成本石油鉆頭胎體配方的研究

趙永明,李 亮

(河北小蜜蜂工具集團(tuán)有限公司，河北 正定 050000)

文章以鐵(Fe)為主體，以碳化鎢(W2C)為輔助骨架，以銅(Cu)和鎳(Ni)為粘結(jié)劑和浸漬合金，研制開(kāi)發(fā)了三種高性能石油鉆頭胎體配方。首先依據(jù)胎體配方制備預(yù)合金粉末，然后測(cè)試胎體配方的抗彎強(qiáng)度和抗沖擊韌性等性能，最后加入金剛石，試制鉆頭。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用三種胎體配方所制備鉆頭的抗沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度都遠(yuǎn)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，表明鉆頭試制成功；新配方的成本比現(xiàn)用的胎體降低1/3左右。該項(xiàng)目研究在鉆頭制造中取得了突破性進(jìn)展，提高了鉆頭在井內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下的工作能力，并降低了鉆頭成本。

胎體配方;金剛石鉆頭;預(yù)合金粉末;胎體性能

1　前言

隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)也在不斷的進(jìn)步，PDC鉆頭對(duì)地層的適應(yīng)范圍也越來(lái)越廣泛。過(guò)去PDC鉆頭只限于鉆軟到中硬地層，如今其應(yīng)用范圍也在逐漸擴(kuò)大到硬地層、高耐磨性地層及含躒石層及軟硬交錯(cuò)等不均質(zhì)地層。這就對(duì)金剛石鉆頭技術(shù)研究工作者提出了更高的要求。近年來(lái)我國(guó)金剛石鉆頭有了較大的發(fā)展，新型鉆頭不斷出現(xiàn)，解決了生產(chǎn)中的許多難題。盡管如此，目前對(duì)于深部井段惡劣的鉆井條件，特別是復(fù)雜的地質(zhì)條件，使用PDC鉆頭仍有不少的問(wèn)題出現(xiàn)，總結(jié)如下：胎體脫落、斷刀翼、磨心、斷齒、胎體嚴(yán)重磨損、刺鉆、沖蝕、崩刃、脫層、龜裂、泥包、PDC片脫落、噴嘴堵塞、拉槽等。但是在如此多的問(wèn)題中，最主要的是胎體脫落和斷刀翼 ，胎體脫落將造成整個(gè)鉆井報(bào)廢的嚴(yán)重后果，雖然這種情況罕見(jiàn)，但一旦發(fā)生，損失是非常大的，而出現(xiàn)問(wèn)題較多的是斷刀翼事故。由于出現(xiàn)斷刀翼后需用很長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行打撈或者進(jìn)行磨井處理，這樣就嚴(yán)重影響鉆進(jìn)速度，提高了鉆井成本，也會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究出高強(qiáng)度、高性能的胎體配方十分重要，這對(duì)于制造高質(zhì)量的PDC鉆頭具有極其重要的意義。

2　預(yù)合金粉作用

眾所周知，預(yù)合金粉用于地質(zhì)鉆頭、鋸片等金剛石工具制造上，主要是為胎體合金化均勻，起提高力學(xué)性能，降低燒結(jié)溫度等作用。本課題研究預(yù)合金粉的目的，是擬解決石油鉆頭單元素胎體配方存在的以下問(wèn)題：

(1)鐵粉末漂移

長(zhǎng)期以來(lái)，行業(yè)內(nèi)許多技術(shù)人員都試圖用鐵基粉末取代一部分鑄造碳化鎢，使其降低胎體成本，但都未成功。由于碳化鎢的比重為17.15克/cm3；而鐵的比重僅為7.82克/cm3左右；差距懸殊。因此在燒結(jié)鉆頭排除氣體時(shí)，鐵粉隨著氣體產(chǎn)生漂移，使燒結(jié)的鉆頭胎體性能受到極大的影響。預(yù)合金粉是鐵和碳化鎢粘合為一體的，不會(huì)產(chǎn)生鐵粉漂移。

(2)胎體產(chǎn)生氣孔問(wèn)題

由于單元素鐵粉的漂移，再加之鐵的化學(xué)性質(zhì)而決定了易于產(chǎn)生氧化，使燒結(jié)的鉆頭胎體產(chǎn)生眾多的氣孔，影響胎體的力學(xué)性能和鉆頭使用效果。預(yù)合金粉是多元素組成的，解決了鉆頭氣孔嚴(yán)重問(wèn)題。

(3)鉆頭胎體銹蝕

單元素鐵粉配方，燒結(jié)出來(lái)的鉆頭極易氧化，產(chǎn)生銹蝕。尤其是在井下使用后，很快產(chǎn)生銹跡，鉆頭表面光潔度受損嚴(yán)重，如果再繼續(xù)使用將很容易產(chǎn)生泥包，影響鉆進(jìn)工作的進(jìn)展。由于預(yù)合金粉中含有一定量的鎳和鉻等元素，可防止鉆頭銹蝕。

(4)混料問(wèn)題

鐵基單元素胎體配方，由于其成分中鐵和碳化鎢二者比重相差兩倍以上，所配制的粉料很難混合均勻，因而燒結(jié)出的鉆頭胎體各部位性能差異也較大，也影響鉆頭的使用效果。而使用預(yù)合金粉，混料簡(jiǎn)化了許多。

根據(jù)鐵基胎體存在的問(wèn)題，本次實(shí)驗(yàn)研究采用以鐵為主；W2C為輔，首先試制成預(yù)合金粉，擬解決以上的問(wèn)題

3　實(shí)驗(yàn)研究

3.1預(yù)合金粉配方的設(shè)計(jì)

為了降低成本，提高配方的力學(xué)性能。本實(shí)驗(yàn)以Fe為主，以W2C為輔做骨架相，以Cu、Ni為主，Cr、Si作配方為微量元素，浸漬金屬合金為516#，試制胎體配方，使其達(dá)到了目的。(見(jiàn)表1)

表1胎體配方組成

Table 1Composition of matrix formula

胎體配方Fe(%)W2C(%)Cr及其它(%)浸漬合金備注441XN30～5530～450.5～15516#基料546XN35～5525～450.5～10516#易切削料W4025～5030～600.5～5.0516#面料

在材料選用上，F(xiàn)e用普通Φ25mm的圓鋼，W2C采用60目以細(xì)的粉料，Cr、Ni、Si等選塊狀材料。

(2)預(yù)合金粉的試制

試制預(yù)合金粉在ZP—100型晶體管中頻爐電源裝置上進(jìn)行，先配置材料，分時(shí)將不同材料裝入中頻感應(yīng)爐加溫，然后采用水霧法進(jìn)行噴粉。由于Fe和W2C的熔點(diǎn)溫度相差較大，首先將Fe、Ni等金屬熔化后在加入W2C金屬繼續(xù)加溫，熔煉一段時(shí)間后進(jìn)行噴粉。初次試驗(yàn)，由于金屬元素的比例和配方等諸多因素，前4次試驗(yàn)未能噴出粉末，沒(méi)有達(dá)到預(yù)想的結(jié)果。在認(rèn)真總結(jié)的基礎(chǔ)上，先對(duì)配方進(jìn)行調(diào)整，再?gòu)墓に嚿线M(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)30余次試制達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，獲得了成功。(圖1)

圖1　預(yù)合金粉照片F(xiàn)ig.1　Broken blade of drill bit

3.3性能測(cè)試樣品制備

本項(xiàng)目研究的重要目標(biāo)之一是提高胎體配方性能，因此，對(duì)有要求的抗彎強(qiáng)度和抗沖擊韌性指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)胎體硬度性能進(jìn)行檢測(cè)。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制備試樣。(見(jiàn)表2)

表2　試樣尺寸

3.4試樣模具設(shè)計(jì)

試樣模具設(shè)計(jì)根據(jù)試樣尺寸要求，模具設(shè)計(jì)成有底盤、型模、套模的結(jié)構(gòu)形式(如圖2)。這種接構(gòu)符合尺寸要求、也符合無(wú)壓燒結(jié)工藝要求；模具還可以重復(fù)使用，節(jié)省成本。

3.5試樣燒結(jié)及處理

試樣燒制在8千瓦高溫爐中進(jìn)行，設(shè)計(jì)爐溫度1350℃。試樣燒結(jié)溫度為1200℃，保溫1個(gè)小時(shí)，爐溫降到900℃出爐自然冷卻。

試樣從模具中退出后，在砂布上磨掉毛刺，再到拋光機(jī)上將試樣表面拋光；最后對(duì)試樣編號(hào)、測(cè)量尺寸、裝袋進(jìn)行檢查，準(zhǔn)備檢測(cè)。

3.6性能測(cè)試

(1)抗彎強(qiáng)度

抗彎強(qiáng)度在GNT-100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。兩支點(diǎn)距離為24mm

抗彎強(qiáng)度按下式計(jì)算：

圖2　抗彎試樣模具Fig.2　Image of pre-alloyed powder

σb—抗彎強(qiáng)度(MPa)

Р—試樣斷裂時(shí)的載荷(N)

L—試樣支點(diǎn)間距離(mm)

b—試樣寬度(mm)

h—試樣厚度(mm)

我們對(duì)研制的三種配方各制作3～4個(gè)抗彎試樣，并進(jìn)行抗彎強(qiáng)度的測(cè)試，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

(2)抗沖擊韌性

測(cè)定胎體抗沖擊韌性是在JB—50型簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，兩支點(diǎn)距離為40mm，試樣中部不制切口。

沖擊韌性按下式計(jì)算：

ak—沖擊韌性；(J/cm2)

AK—式樣的沖擊功；(J)

F—試樣受力處的橫截面積。(cm2)

根據(jù)研制的三種配方各制作3～4個(gè)抗沖擊試樣，并進(jìn)行抗沖擊測(cè)試，其結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　抗沖擊韌性試結(jié)果

(3)硬度檢測(cè)

在每個(gè)抗彎和抗沖擊韌性試樣測(cè)試完后再進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度檢測(cè)在HR-150A型洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　硬度檢測(cè)結(jié)果

(4)面料與基料燒結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)

由于面料和基料在用材上不同，它們的收縮系數(shù)有差距，兩者間調(diào)配不好燒結(jié)的鉆頭體會(huì)出現(xiàn)裂紋或脫層。因此，新研制的配方需要做二者間的燒結(jié)實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)方法是在石墨模具上加工一個(gè)Φ16mm×60mm的孔，將面料和基料各裝入1/2進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)工藝與抗彎試樣類同。

我們對(duì)面料W40和基料441XN進(jìn)行試驗(yàn)，燒制三個(gè)試樣，抗沖擊韌性分別為15.25、10.85、11.46(J/cm2),平均12.52(J/mm2)。與基料的抗沖擊韌性相近。因此，證明面料與基料結(jié)合強(qiáng)度良好。

3.7鉆頭試制

由于新的胎體配方所用的材料以及性能都有較大的改變，因此，鉆頭制造工藝也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，如解決與模具黏連、裝料、燒結(jié)等方面的問(wèn)題。

(1)黏模問(wèn)題

新的胎體配方中，由于含有大量鐵元素，與石墨模具在燒結(jié)中易產(chǎn)生黏連，不但影響胎體燒結(jié)性能，還嚴(yán)重?fù)p壞燒結(jié)模具，使其不能重復(fù)使用。為解決黏模問(wèn)題，我們自制一種脫模劑，把這種脫模劑噴涂在石墨模具表面，成功地解決了黏模問(wèn)題。

(2)鉆頭組裝問(wèn)題：

新的胎體配方，粉末粒度遠(yuǎn)小于現(xiàn)用配方，如像以前那樣裝料，想達(dá)到需要的胎體密度很難實(shí)現(xiàn)。因此，裝料時(shí)增加了震動(dòng)次數(shù)和延長(zhǎng)了震動(dòng)時(shí)間，使其達(dá)到需要的裝料密度。

(3)燒結(jié)問(wèn)題

由于粉末粒度很細(xì)，粉末間的間隙很小，燒結(jié)時(shí)排除水分和氣體較難，易污染粉料或產(chǎn)生氣孔，影響鉆頭胎體燒結(jié)性能。因此，我們對(duì)鉆頭燒結(jié)工藝進(jìn)行調(diào)整，主要是在燒結(jié)的預(yù)熱初期，將低溫延長(zhǎng)時(shí)間，通過(guò)采取以上措施燒結(jié)的鉆頭完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(見(jiàn)圖3)

圖3　預(yù)合金粉胎體配方燒結(jié)的鉆頭Fig.3　Drill bit prepared by pre-alloyed powder formula

4　綜合結(jié)果分析

4.1預(yù)合金粉

預(yù)合金粉研究的成敗是本課題的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于石油鉆頭的特點(diǎn)，需要加入大量的碳化二鎢提高其耐磨性，又要使用一定量的低價(jià)金屬鐵元素，使其降低成本。但是在研制過(guò)程中，由于這兩種主要材料各種性能差異較大，特別是熔點(diǎn)和比重的差異懸殊給研究工作帶來(lái)了很大的難度。研制工作經(jīng)過(guò)反復(fù)地五次試制才獲得成功。在實(shí)驗(yàn)的初次在合金中增加20%～30%的碳化二鎢，但是在噴嘴處由于堵塞沒(méi)有粉料噴出；通過(guò)認(rèn)真總結(jié)分析，在合金中增加微量的鎳、硅、鉻等元素，噴粉獲得良好的效果。又將鑄造碳化鎢增加到40%，噴粉再次成功。在此經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，相繼研制了石油鉆頭需用的胎體配方面料、基料和易切削粉均獲得成功。

4.2胎體配方的設(shè)計(jì)與研制

胎體在鉆頭中起著鑲焊金剛石復(fù)合片，連接鉆頭體和有利于造型的重要作用，而在使用中還要承受巖石的碰撞和磨損，以及巨大的鉆具壓力和泥漿的沖蝕。因此，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中要求鉆頭胎體的抗彎強(qiáng)度大于530MPa;抗沖擊韌性大于2J/cm2。本次研究需提高指標(biāo)要求：抗彎強(qiáng)度為850～1000MPa，抗沖擊韌性是標(biāo)準(zhǔn)的2～3倍，其它性能與現(xiàn)用胎體相當(dāng)；除此之外，還有一個(gè)重要的指標(biāo)，要求胎體成本降低25%～30%。根據(jù)以上的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了鐵含量不低于35%，(降低胎體成本)而碳化二鎢或碳化鎢含量也不低于35%，再加入適量Ni.Zn.Cr.Si等微量元素做骨架成分，采用Cu.Ni.Sn作浸漬合金的配方進(jìn)行研制，通過(guò)在研究試制過(guò)程中不斷調(diào)整配方，對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)，試驗(yàn)結(jié)果表明胎體有較高的耐磨性，最終定型配方鐵元素含量可達(dá)35%～55%；而W2C含量高達(dá)30%～40%，獲得了令人滿意的結(jié)果，總體達(dá)到了胎體設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)要求。

4.3胎體配方的性能與經(jīng)濟(jì)效益

(1)胎體性能

關(guān)于鉆頭胎體材料性能指標(biāo)，至今國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)仍沒(méi)有明確的規(guī)定，而僅有原石油行業(yè)制定的鉆頭標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中有對(duì)胎體材料性能指標(biāo)的要求?，F(xiàn)將新研制的胎體材料性能與其進(jìn)行對(duì)比。(表6)

表6　胎體材料性能對(duì)比表

對(duì)比的結(jié)果表明：新研制的胎體配方無(wú)論是抗彎強(qiáng)度還是沖擊韌性指標(biāo)均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，就基粉而言其抗彎強(qiáng)度比現(xiàn)用配方提高63.51%；比標(biāo)準(zhǔn)配方提高92.92%；而沖擊韌性指標(biāo)是現(xiàn)用配方的3.82倍；是標(biāo)準(zhǔn)要求的5.57倍；而性能較低的面料，其抗彎強(qiáng)度也比現(xiàn)用配方提高26.73%；是標(biāo)準(zhǔn)要求的49.53%；抗沖擊韌性是現(xiàn)用配方的1.98倍；是標(biāo)準(zhǔn)配方的2.89倍。由此可見(jiàn)，新研制的胎體配方性能明顯優(yōu)于現(xiàn)用配方和標(biāo)準(zhǔn)配方性能，試驗(yàn)研究成果取得了新的進(jìn)展。

(2)經(jīng)濟(jì)效益

在鉆頭生產(chǎn)過(guò)程中，耗資最大的是金剛石復(fù)合片，其次是胎體材料，以8-1/2”鉆頭為例，一只鉆頭需用碳化鎢粉料約30公斤，按300元/公斤計(jì)算，一只鉆頭的資金為9000元。使用新研制的胎體配方，一只8-1/2”鉆頭僅用20公斤左右的粉料，其中碳化鎢占40%，用料8公斤，資金2400元，鐵占40%，用料8公斤，每公斤為18元，資金僅為144元；其它粉料為20%；平均每公斤55元計(jì)算，用資金220元；總計(jì)用資金2764元，再加上噴粉費(fèi)用，一只鉆頭的胎體用資為3000元左右，一只鉆頭就可以節(jié)省4000～6000元，是現(xiàn)用胎體成本1/3左右，盡顯經(jīng)濟(jì)效益，這樣的鉆頭在市場(chǎng)上將有更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

4.4鉆頭的試制

由于新的胎體配方和傳統(tǒng)的胎體配方無(wú)論是在成份還是在配方比例上，都有了較大的變化，在鉆頭試制中必然要進(jìn)行工藝的改進(jìn)和調(diào)整。主要解決了以下幾方面的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并采取如下措施：

(1)黏膜問(wèn)題：采用氧化鋁粉加水和膠混合成液體狀，然后均勻地噴涂在模具表面，這樣就很好地解決了黏膜問(wèn)題。

(2)鉆頭組裝粉料壓實(shí)問(wèn)題，因?yàn)樾碌呐浞椒哿媳缺砻娣e較大，難以壓實(shí)，采用了增加震動(dòng)次數(shù)及延長(zhǎng)振動(dòng)時(shí)間的方法解決，由過(guò)去震動(dòng)3次，增加為震動(dòng)4～5次；由以前每次震動(dòng)10秒；現(xiàn)在延長(zhǎng)到震動(dòng)30～120秒，還對(duì)狹窄部位用鋼條進(jìn)行反復(fù)的壓扎，也達(dá)到了滿意的效果。

(3)燒結(jié)問(wèn)題：在燒結(jié)過(guò)程中，由于粉料粒度細(xì)造成水份與氣體難以排出，采用延長(zhǎng)低溫預(yù)熱時(shí)間的方法，由1小時(shí)延長(zhǎng)到2小時(shí)。該方法避免了快速加熱產(chǎn)生出噴粉的問(wèn)題。

總之，采取以上的方法措施使鉆頭燒結(jié)生產(chǎn)了良好的效果。

5　結(jié)論

(1)本次通過(guò)對(duì)含碳化鎢預(yù)合金粉的研究，尋找出了合理的噴粉工藝，成功地研制出546XN#、W40#、441 XN#幾種預(yù)合金粉料，本研究含碳化鎢高達(dá)40%的預(yù)合金粉料的成果屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，取得了突破性進(jìn)展。

(2)研制出高性能、低成本的石油鉆頭用胎體配方，其抗彎強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)要求提高92.92%；沖擊韌性是標(biāo)準(zhǔn)要求的5.57倍；可為今后生產(chǎn)高質(zhì)量，低成本的石油鉆頭提供可靠的技術(shù)方法。

(3)采用鐵基胎體配方制造石油鉆頭，是本公司首先試制成功，提高了鉆頭的性能指標(biāo)，降低了生產(chǎn)成本。例如：8-1/2”鉆頭胎體材料成本降低約1.8～3倍，平均一只鉆頭就可以節(jié)省4000～6000元，盡顯經(jīng)濟(jì)效益，這樣的鉆頭在市場(chǎng)上將有更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

[1]劉廣志,等.金剛石鉆探手冊(cè)[M].北京.地質(zhì)出版社,1991．

[2]江漢石油管理局鉆頭廠.江漢鉆頭使用手冊(cè)[M].北京.石油出版社,1992．

[3]羅肇豐,等.鉆井技術(shù)手冊(cè)[M].北京.石油出版社,1984．

[4]沈立娜,等.國(guó)內(nèi)外金剛石鉆頭的部分技術(shù)發(fā)展[J].探礦工程,2011(5)．

[5]周安生,等.粉末冶金學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,1978．

[6]中國(guó)材料研究學(xué)會(huì). 中國(guó)超硬材料與制品[M].杭州：浙江大學(xué)出版社,2014.9．

Research of High-Strength and Low-Cost Formula of Oil Drill Bit Matrix

ZHAO Yong-ming, LI Liang

(Hebei Xiaomifeng Tool Enterprises Corporation ,Sijiazhuang, Hebei 050800, China)

Three types of high-performance oil drill bits matrix formulas have been developed by using iron(Fe) as the matrix, tungsten carbide (W2C) as auxiliary framework, and copper (Cu) and nickel (Ni) as binder and impregnated alloy. Firstly, pre-alloyed powder was prepared according to the matrix formula, and then the performances such as bending strength and impact toughness of matrix formula were tested, and finally, diamond was added for trial-manufacture of drill bits. Result shows that the bending strength and impact toughness of drill bits prepared according to the three types of formulas are all better than the industrial standard, which indicates the success of the trial-manufacture. The cost for the new formula has been reduced by 1/3 compared to that of the currently used matrix. This research has achieved a breakthrough in drill bit manufacture, improved the working performance of drill bit under the complex environment and reduced the cost.

matrix formula; drill bit; pre-alloyed powder; performance of matrix

2015-08-20

趙永明(1951-)，男，高級(jí)工程師， 河北小蜜蜂工具集團(tuán)有限公司 鉆頭事業(yè)部總工 主要研究方向：超高強(qiáng)PDC復(fù)合片石油鉆頭制造技術(shù)及應(yīng)用。

TQ164

A

1673-1433(2016)03-0001-06

引文格式：趙永明,李 亮.高強(qiáng)度低成本石油鉆頭胎體配方的研究[J].超硬材料工程，2016，28(3)：1-6.