高性能石油鉆探用金剛石復(fù)合片的研制

張 濤,盧燦華,竇 明,劉俊濤,寧軍壘

(豫西工業(yè)集團(tuán)中南鉆石有限公司，河南 南陽 473264)

高性能石油鉆探用金剛石復(fù)合片的研制

張 濤,盧燦華,竇 明,劉俊濤,寧軍壘

(豫西工業(yè)集團(tuán)中南鉆石有限公司，河南 南陽 473264)

采用非平面連接技術(shù)、梯度過渡技術(shù)和納米結(jié)合劑技術(shù)，在六面頂壓機(jī)上合成出高性能石油鉆探用金剛石復(fù)合片。經(jīng)性能測(cè)試，磨耗比在34萬以上，抗沖擊韌性85焦耳；在750℃保溫2小時(shí)的條件下，具有很好的熱穩(wěn)定性；經(jīng)顯微結(jié)構(gòu)分析，金剛石顆粒排列緊密，形成D-D結(jié)合致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；制作成鉆頭后，在延長(zhǎng)油田進(jìn)行了鉆井應(yīng)用試驗(yàn)，取得了較好的鉆探效果。

六面頂壓機(jī)；石油鉆探；金剛石復(fù)合片；性能測(cè)試

石油鉆探用金剛石復(fù)合片是PDC鉆頭的切削元件，其性能的優(yōu)劣對(duì)金剛石鉆頭的鉆進(jìn)效果有著決定性的影響。在燒結(jié)過程中，由于金剛石層與硬質(zhì)合金基體的熱膨脹系數(shù)、彈性模量相差較大，冷卻時(shí)容易在兩者的結(jié)合界面出現(xiàn)較大的殘余應(yīng)力，這會(huì)造成復(fù)合片的強(qiáng)度降低，導(dǎo)致在工作時(shí)金剛石層容易從基體上脫落，造成鉆頭失效。

近期，中南公司采用非平面連接技術(shù)、梯度過渡技術(shù)和納米結(jié)合劑技術(shù)，突破了該領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，在六面頂合成壓機(jī)上合成出高性能石油鉆探用金剛石復(fù)合片，制作成鉆頭后，在延長(zhǎng)油田進(jìn)行了鉆井應(yīng)用試驗(yàn)，取得了較好的鉆探效果。

1 條件與過程

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

本實(shí)驗(yàn)使用六面頂壓機(jī)合成，為了提高硬質(zhì)合金基體與金剛石層之間結(jié)合強(qiáng)度，采用了非平面連接技術(shù)，通過增加接觸面積和特定的結(jié)構(gòu)形狀，提高界面的結(jié)合力；為了改善界面的匹配提高界面的結(jié)合強(qiáng)度，采用梯度過渡層技術(shù)，通過在界面處設(shè)置過渡層，使界面殘余應(yīng)力得到降低；為了解決在燒結(jié)過程中軸向壓力損失問題，采用了六面頂壓機(jī)加熱與保壓方向不等量供油的液壓控制系統(tǒng)[1]；為了合成出高性能的PDC，采用了納米結(jié)合劑技術(shù)，選用多峰值分布的高品級(jí)金剛石微粉，通過高溫高壓燒結(jié)得到性能優(yōu)異的產(chǎn)品。

1.2 硬質(zhì)合金基體界面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于金剛石復(fù)合片切削齒在切削時(shí)，尤其是在用作鉆頭切削齒破碎巖石時(shí)，會(huì)受到強(qiáng)烈磨粒磨損及沖擊，全部或部分金剛石層常易從硬質(zhì)合金基體上脫落，從而嚴(yán)重影響切削齒的使用性能和壽命。因此，如何改進(jìn)和提高金剛石層與硬質(zhì)合金基體結(jié)合的牢固度，一直是行業(yè)中廣泛關(guān)注和需要解決的一個(gè)重要問題。合理的界面結(jié)構(gòu)對(duì)降低金剛石復(fù)合片熱殘余應(yīng)力，提高金剛石復(fù)合片使用壽命至關(guān)重要。為了改善界面匹配和提高界面的結(jié)合強(qiáng)度，中南公司采用非平面連接技術(shù)，在硬質(zhì)合金基體上設(shè)計(jì)出一種特定形狀的界面[2]，如圖1所示，硬質(zhì)合金基體有一個(gè)同體同軸的凸臺(tái)，凸臺(tái)上均勻布設(shè)放射形凹槽、周向環(huán)槽和徑向溝槽，通過在硬質(zhì)合金基體與金剛石層相結(jié)合的界面上設(shè)置周向環(huán)槽和徑向放射形凹槽，形成更為合理的凸凹界面結(jié)構(gòu)，使金剛石層與硬質(zhì)合金基體結(jié)合的牢固度進(jìn)一步增強(qiáng)，提高了其抗沖擊性和耐磨性。

圖1 硬質(zhì)合金基體Fig.1 Carbide alloy substrate1-硬質(zhì)合金基體 2-金剛石層 3-硬質(zhì)合金基體的凸臺(tái) 4-凸臺(tái)上的周向環(huán)槽 5-凸臺(tái)邊部上的放射形凹槽 6-心部上的徑向溝槽

1.3 內(nèi)置過渡層PDC的設(shè)計(jì)

由于金剛石層與硬質(zhì)合金基體的熱膨脹系數(shù)相差太大，彈性模量不匹配，這就常造成金剛石層剝落，導(dǎo)致其失效[3]。為了強(qiáng)化金剛石層與硬質(zhì)合金的界面，改善兩相界面的結(jié)合，我們將非平面連接技術(shù)及梯度過渡技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)置過渡層的金剛石復(fù)合片[4]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種金剛石復(fù)合片由金剛石層、過渡層與硬質(zhì)合金基體三部分組成，硬質(zhì)合金基體有一個(gè)同體同軸的凸臺(tái)，金剛石層外邊緣帶有向下的帽沿，通過凸臺(tái)與帽沿將過渡層設(shè)置在金剛石層與硬質(zhì)合金基體之間。金剛石層由金剛石微粉和納米結(jié)合劑組成，內(nèi)置過渡層由金剛石微粉、碳化鎢粉和納米結(jié)合劑組成，納米結(jié)合劑由鈷粉、碳化鈮粉、鎳粉、鈹粉所組成。其有益效果是通過在金剛石層配方中采用納米結(jié)合劑，以及硬質(zhì)合金基體與金剛石層之間采用過渡層結(jié)構(gòu)連接技術(shù)，由表至里使彈性模量梯度與熱膨脹梯度逐漸均勻變化，結(jié)果是殘余應(yīng)力與剝落現(xiàn)象減少，提高了石油鉆探用金剛石復(fù)合片的耐磨性、抗沖擊韌性、熱穩(wěn)定性和自銳性。

圖2 內(nèi)置過渡層PDC Fig.2 The built-in transition layer PDC1-硬質(zhì)合金基體 2-過渡層 3-金剛石層

1.4 合成塊組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)合成組裝塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 合成塊組裝結(jié)構(gòu)Fig.3 The assembled structure of synthetic block1-導(dǎo)電鋼圈合件 2- 葉蠟石塊 3-復(fù)合材料管 4 -碳管 5-白鹽管 6-白鹽片 7-碳片 8-硬質(zhì)金屬組件 9-復(fù)合體

在導(dǎo)電鋼圈中，使用了預(yù)成型復(fù)合材料芯以保證壓力有效傳遞和熱量的有效隔絕；在導(dǎo)電鋼圈與碳管之間，增加硬質(zhì)金屬組件，解決了六面頂液壓機(jī)合成金剛石復(fù)合片時(shí)軸向傳壓?jiǎn)栴}；在葉蠟石塊的內(nèi)腔采用新型復(fù)合材料作為傳壓介質(zhì)，避免了由于葉蠟石高溫相變而帶來的負(fù)面影響；碳管內(nèi)的管、片零件采用白鹽材料壓制，利用鹽的高溫膨脹和流動(dòng)的特點(diǎn)，減小合成腔體的壓力梯度。

1.5 合成工藝曲線的選擇

燒結(jié)工藝曲線設(shè)計(jì)采用了一次升壓一次升溫方式，為了減少?gòu)?fù)合體燒結(jié)后冷卻及卸壓時(shí)應(yīng)力，采用了慢降溫慢降壓退火工藝方案，燒結(jié)工藝曲線如圖4所示。燒結(jié)工藝曲線參數(shù)設(shè)定為：合成溫度為1430℃～1530℃、合成壓力為6～7GPa、 合成時(shí)間為30～40min。

圖4 壓力、功率曲線Fig.4 pressure，power curve

1.6 樣品制備

以粒度為5～15μm金剛石微粉、納米結(jié)合劑及碳化鎢粉為原料，按照一定配比分別對(duì)金剛石層、過渡層進(jìn)行配料與混制，將混勻的金剛石層、過渡層依次鋪入耐熱金屬杯中，放入硬質(zhì)合金基體，扣上耐熱金屬蓋，在3×10-4Pa真空條件下，750℃保溫2小時(shí)，按圖1的合成塊組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝，用六面頂壓機(jī)在溫度為1500℃、壓力為6.8GPa的條件下合成35min。樣品燒結(jié)后經(jīng)外磨、平磨、研磨后最終尺寸為：直徑Φ19.05mm、總高13.2mm，金剛石層厚2.0mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 性能測(cè)試

從外觀檢驗(yàn)和磨、研合格的樣品中，隨機(jī)抽5片PDC樣品，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T3235-2013，采用自制的磨耗比試驗(yàn)機(jī)，對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行磨耗比測(cè)試；采用自制的金剛石復(fù)合片抗沖擊試驗(yàn)裝置，對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行抗沖擊韌性測(cè)試。為便于比較，同時(shí)測(cè)試了1片國(guó)外某公司的同類產(chǎn)品，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 性能指標(biāo)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果Table 1 Laboratory test results of performance index

從測(cè)試結(jié)果來看，樣品的平均磨耗比、抗沖擊韌性及熱穩(wěn)定性的測(cè)試指標(biāo)與國(guó)外某公司同類產(chǎn)品相當(dāng)。

2.2 顯微結(jié)構(gòu)分析

圖5是樣品金剛石層結(jié)構(gòu)微區(qū)SEM照片，圖中亮白色呈斷續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀分布的是結(jié)合劑，被結(jié)合劑包圍之中黑色部分的是金剛石顆粒。從圖中可見，結(jié)合劑分布均勻呈斷續(xù)“網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)，金剛石顆粒排列緊密，金剛石顆粒之間交互生長(zhǎng)在一起，廣泛地形成均勻致密的D-D結(jié)合型結(jié)構(gòu)。說明了金剛石層表面形貌良好和成分分布均勻的樣品性能、品質(zhì)都比較好，顯微定性分析與實(shí)際樣品性能測(cè)定結(jié)果是吻合的。

圖5 樣品金剛石層結(jié)構(gòu)微區(qū)SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM Photo of micro structure of diamond layer

2.3 鉆井應(yīng)用試驗(yàn)

為了驗(yàn)證PDC復(fù)合片的鉆井效果，將中南PDC1913復(fù)合片和國(guó)外某公司的PDC1913復(fù)合片，各取19粒制作成標(biāo)準(zhǔn)8 3/4¨胎體鉆頭，分別標(biāo)識(shí)為1號(hào)鉆頭和2號(hào)鉆頭，其有關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 PDC鉆頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 2 PDC drilling bit test data

鉆井試驗(yàn)在延長(zhǎng)油田進(jìn)行，試驗(yàn)井為相鄰的28定向1井、28定向2井；地層構(gòu)造位置鄂爾多斯盆地依陜斜坡，試驗(yàn)地層及主要巖性特征見表3，鉆井試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表3 試驗(yàn)地層及主要巖性特征Table 3 Experimental stratum and the main lithologic characteristics

表4 鉆井試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Drilling test data

圖6是1號(hào)鉆頭鉆進(jìn)2476m取出后的實(shí)物圖，圖7是2號(hào)鉆頭鉆進(jìn)2470m取出后的實(shí)物圖，從圖中可以看出，1號(hào)鉆頭和2號(hào)鉆頭上的5個(gè)刀翼上切削齒磨損正常，無明顯崩損現(xiàn)象出現(xiàn)。1號(hào)鉆頭切削齒磨損略高于2號(hào)鉆頭，1號(hào)鉆頭新度大約為80%，2號(hào)鉆頭新度大約為85%，說明 1號(hào)鉆頭和2號(hào)鉆頭仍可以二次使用，從而驗(yàn)證了中南PDC復(fù)合片使用性能的優(yōu)異性。

圖7 2號(hào)鉆頭實(shí)物圖Fig.7 2# drilling bit

3 結(jié)論

(1)采用非平面連接技術(shù)、梯度過渡技術(shù)和納米結(jié)合劑技術(shù)，有效地降低了因金剛石層與硬質(zhì)合金層熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，解決了殘余應(yīng)力所引起的分層，有效地提高了PDC抗沖擊與抗疲勞強(qiáng)度。

(2)樣品經(jīng)性能測(cè)試，磨耗比在34萬以上；抗沖擊韌性85焦耳；在750℃保溫2小時(shí)的條件下，具有很好的熱穩(wěn)定性，測(cè)試性能與國(guó)外同類產(chǎn)品相當(dāng)。

(3)樣品制作成鉆頭后，在延長(zhǎng)油田進(jìn)行了鉆井應(yīng)用試驗(yàn)，取得了較好的鉆探效果，鉆探效果接近國(guó)外同類產(chǎn)品水平。

[1] 南陽中南金剛石有限公司.六面頂壓機(jī)加熱與保壓方向不等壓供油的液壓控制系統(tǒng)，2007 1 0054438.8(P).

[2] 中南鉆石有限公司. 一種耐沖擊石油鉆探用金剛石聚晶復(fù)合片，2015 2 0370504.2(P).

[3] 賈志宏,王貴成.梯度復(fù)合片的組織與耐熱性[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005(6):114-116.

[4] 中南鉆石有限公司. 一種納米結(jié)合劑及使用該結(jié)合劑制成的石油鉆探用金剛石復(fù)合片，2014 1 0292965.2(P).

The Research and Development of High Performanced Oil-drilling PCD

ZHANG Tao, LU Can-hua, DOU Ming, LIU Jun-tao, NING Jun-lei

(ZhongnanDiamond,Co,LtdofYuxiIndustriesGroup,Nanyang,Henan,China473264)

The high performanced oil-drilling PCD has been synthesized by hexahedron press through non-planar connecting technology, gradient transition technology and nano binding agent technology. Performance test shows that the abrasive ratio of it is over 340,000 and the impact toughness is 85 Joule; it continues to show excellent thermostability under 750℃ for 2 hours; microstructure analysis shows that the diamond particles are closely spaced to form a D-D compact reticular structure; good drilling result of the drill bit made of this type of PCD has been achieved in practical experiment in Yanchang oil field.

hexahedron press ; oil-drilling; PCD; performance test

2017-02-10

張濤(1963-)，教授級(jí)高工，主要從事超硬材料及制品研究開發(fā)和應(yīng)用。E-mail:13837750891@126.com。

盧燦華(1962-)，教授級(jí)高工，主要從事超硬材料及制品研究開發(fā)和應(yīng)用。E-mail:lucanhua01@163.com。

張 濤,盧燦華,竇 明,等.高性能石油鉆探用金剛石復(fù)合片的研制[J].超硬材料工程，2017，29(3)：13-18.

TQ164

A

1673-1433(2017)03-0013-06