影響PDC鉆頭胎體強(qiáng)度韌性的因素及提高措施

張俊嶺，郭一川，黃 斌

（中石油渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭）鉆頭是油氣鉆井領(lǐng)域中廣泛使用的鉆井工具。按照鉆頭冠體材料不同，PDC鉆頭可以分為胎體式和鋼體式2種。鋼體PDC鉆頭相對于胎體式PDC鉆頭來講，材料成本低、在使用過程中基本不存在斷刀翼風(fēng)險，在鉆井中使用率正逐步增大。但鋼體PDC鉆頭的耐磨、耐沖蝕性能較差，不適用于下部地層，并且加工改型周期較長；而胎體PDC鉆頭耐磨耐沖蝕性能好、制造工藝過程較簡單、改型快。因此，從目前來看胎體PDC鉆頭是不可替代的。但是，胎體PDC鉆頭體屬于脆性材料，相對于鋼材來講，強(qiáng)度和韌性較低，在砂礫巖地層或是軟硬交錯的復(fù)雜條件下鉆進(jìn)中，受到?jīng)_擊時，存在刀翼折短、造成鉆井事故的風(fēng)險。因此，保證鉆頭胎體有足夠的強(qiáng)度和韌性，能在復(fù)雜鉆井條件下使用安全，顯得尤為重要。

1 胎體PDC鉆頭制造原理

胎體PDC鉆頭冠體采用無壓浸漬工藝生產(chǎn)，將骨架材料裝入成型模具中，加入粘接金屬，放入高溫爐中，在高溫下，粘接金屬熔化并依靠毛細(xì)作用滲入到骨架材料的孔隙中，冷卻凝固后將骨架材料結(jié)合成一體，形成鉆頭胎體。骨架粉主要成份為高熔點(diǎn)的鑄造碳化鎢粉（W2C），粘接金屬為熔點(diǎn)較低的銅基合金。無壓浸漬工藝相當(dāng)于一種液相存在的燒結(jié)過程，符合粉末冶金燒結(jié)原理。

2 影響胎體強(qiáng)度的因素

2.1 骨架粉料的成型密度

由于壓坯密度對于燒結(jié)過程有一定影響，即對燒結(jié)后制品的密度有一定影響。壓坯密度增加，燒結(jié)后制品的密度和強(qiáng)度增加。當(dāng)壓坯密度達(dá)到75%時，制品密度增加顯著。

在胎體PDC鉆頭的無壓浸漬工藝中，由于不能施加壓力，骨架粉料的成型密度取決于鉆頭模具裝粉時的振實(shí)密度，而振實(shí)密度與骨架粉料的粒度、流動性及裝粉工藝有關(guān)。在一定工藝條件下，當(dāng)骨架粉料粒度（300～400）目，并且有好的流動性，容易得到較高的振實(shí)密度。

2.2 胎體的致密化程度

在粉末冶金中，所謂燒結(jié)指的是由于加熱，使粉末團(tuán)塊收縮和致密化的現(xiàn)象及過程，燒結(jié)體的強(qiáng)度取決于燒結(jié)體的致密化程度。

骨架粉料為單一成份的鑄造碳化鎢粉（W2C）時，由于鑄造碳化鎢粉本身燒結(jié)性能差，在鉆頭燒結(jié)溫度（1200℃）范圍內(nèi)，基本不存在固相收縮階段，只是依靠粘結(jié)金屬熔化、滲入到骨架粉料的間隙內(nèi)，冷卻后形成一種機(jī)械結(jié)合的胎體，粘接金屬和骨架粉相互溶解度較小，胎體的致密化程度低。

提高胎體的致密度，可通過在骨架粉料中加入活化成份，改善燒結(jié)性能，使其在燒結(jié)過程產(chǎn)生團(tuán)塊收縮現(xiàn)象，促進(jìn)胎體的致密化。

2.3 燒結(jié)工藝參數(shù)

在胎體PDC鉆頭無壓浸漬工藝中，由于受到切削齒的熱穩(wěn)定性限制，燒結(jié)溫度不能過高（1200℃），只能通過改變燒結(jié)時間來影響胎體的性能。在燒結(jié)溫度一定時，延長燒結(jié)時間，能促進(jìn)燒結(jié)過程中胎體的收縮和致密化進(jìn)行；同時，采用一定冷卻措施，使粘接金屬快速凝固，可以進(jìn)一步增加胎體的最終致密度。

3 胎體性能檢測試驗(yàn)

以抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性做為衡量胎體性能的指標(biāo)。分別選取（80～200）目（1#）和（70～400）目（2#）2 種混合目數(shù)的鑄造碳化鎢粉為骨架材料，以516#合金做為粘接金屬，進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn)。燒結(jié)溫度1180℃，燒結(jié)時間1 h和1.5 h。從燒結(jié)出的胎體毛坯上制取試樣（圖1、圖2），進(jìn)行抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性檢測。檢測結(jié)果見表1。

圖1 抗彎試樣

圖2 沖擊試樣

表1 抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性檢測結(jié)果

由表1可看出，燒結(jié)時間相同時，2#配方胎體的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性都高于1#配方；在配方相同情況下，隨燒結(jié)時間延長，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性都有提高。

原因分析：2#配方的粒度比1#配方細(xì)，在相同裝粉工藝條件下容易得到較高的裝實(shí)密度；而適當(dāng)延長燒結(jié)時間，能促進(jìn)燒結(jié)過程中的收縮和致密化進(jìn)行。

從表1中還可看出，2種配方胎體的沖擊韌性都達(dá)不到SYT 5217—2016金剛石鉆頭標(biāo)準(zhǔn)中對鉆頭胎體沖擊韌性指標(biāo)要求（沖擊韌性≥4J）。因?yàn)閱我昏T造碳化鎢粉（W2C）成份的骨架粉料，由于其燒結(jié)性能差，在燒結(jié)過程中沒有液相產(chǎn)生、不存在粉末團(tuán)塊收縮現(xiàn)象，致密化程度低，即使骨架粉粒度細(xì)，也得不到韌性好的胎體。

要提高胎體的韌性，可以通過改善骨架粉的燒結(jié)性來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，綜合 1#，2#配方，加入（15～20）%的球形顆粒的鑄造碳化鎢粉，同時填加10%左右、粒度為300目的鎳粉、鈷粉，形成3#配方，以516#合金為粘接金屬，燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間不變，配以出爐后強(qiáng)制冷卻工藝，燒結(jié)制取試件，再進(jìn)行抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性檢測，結(jié)果見表2。

表2 3#配方性能檢測結(jié)果

由表2可看出，3#配方胎體抗彎強(qiáng)度及沖擊韌性都有大幅提高。

原因分析：在骨架粉中填加鐵、鈷、鎳粉末，能增加其活性，燒結(jié)過程有液相產(chǎn)生，胎體的收縮和致密化程度高；骨架粉中含有一定量的球形顆粒，能改善粉的流動性，容易得到較高的裝實(shí)密度；出爐后強(qiáng)制冷卻，使粘接金屬快速凝固，能提高胎體的密度。

4 實(shí)際應(yīng)用

用3#配方做為骨架粉、516#合金為粘接金屬，生產(chǎn)某型號9.5英寸PDC鉆頭13只，燒結(jié)溫度1180℃、燒結(jié)時間比常規(guī)工藝延長15 min，出爐后水冷方式強(qiáng)制冷卻，該工藝鉆頭在新疆吐哈油田魯克沁區(qū)塊含礫地層中鉆井應(yīng)用。該地層平均礫石層厚度（80～100）m、膠結(jié)致密、研磨性強(qiáng)、可鉆性差，常規(guī)配方的胎體鉆頭在鉆井過程易掉塊、折刀翼。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用統(tǒng)計，該鉆頭平均進(jìn)尺2239.5 m，平均機(jī)械鉆速21.5 m/h，全部鉆穿含礫巖層。鉆頭起出新度為85%，胎體輕微磨損、抗沖擊性好，無掉塊、折刀翼現(xiàn)象（圖3、圖4）。表明經(jīng)過改進(jìn)的3#配方胎體強(qiáng)度韌性完全滿足鉆頭在復(fù)雜鉆井條件下的安全使用。

圖3 使用前鉆頭

圖4 使用后鉆頭

5 結(jié)論

（1）影響PDC鉆頭胎體強(qiáng)度、韌性的因素有骨架粉的成份、粒度、顆粒形狀及燒結(jié)工藝。

（2）骨架粉料的粒度、顆粒形狀的合理搭配能提高胎體的成型密度和強(qiáng)度韌性。

（3）在骨架粉中加入一定比例的球形顆粒鑄造碳化鎢粉，提高流動性，以及加入鎳粉、鈷粉等活化成份，是提高胎體強(qiáng)度韌性的有效方法。

（4）在燒結(jié)溫度一定時，延長燒結(jié)時間，以及出爐后強(qiáng)制冷卻使粘接金屬快速凝固，能進(jìn)一步提高胎體的收縮和致密化。

［1］須志剛.金剛石鉆頭制造工藝學(xué)［M］.東營：石油大學(xué)出版社，2010.