鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化工藝研究

解 珅

（大慶油田鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413）

鋼體PDC鉆頭體的表面強(qiáng)化質(zhì)量是直接影響鋼體鉆頭使用壽命的關(guān)鍵因素之一，其基本要求為:①表面硬化層的硬度高；②與鋼體鉆頭基體結(jié)合強(qiáng)度高；③耐沖蝕性好。由于國產(chǎn)鉆頭體強(qiáng)化層耐沖蝕性差，且強(qiáng)化層與鋼體鉆頭基體結(jié)合性不好，使得強(qiáng)化層易從基體上剝落，限制了鋼體PDC鉆頭的廣泛應(yīng)用，鉆頭體表面強(qiáng)化技術(shù)已成為目前急需解決的問題。為此，提出了一種用氧-乙炔焰堆焊技術(shù)強(qiáng)化鉆頭體表面的新工藝，該技術(shù)可使鉆頭體表面強(qiáng)化質(zhì)量顯著提高。

1 強(qiáng)化材料及強(qiáng)化方式的選擇

1.1 強(qiáng)化材料的選擇

強(qiáng)化材料的成分對(duì)強(qiáng)化層性能起著決定性的作用，按其成分可分為鐵基、鈷基、鎳基、銅基合金和碳化鎢型等幾大類。根據(jù)鉆頭體強(qiáng)化要求和各類材料特性對(duì)比可知，碳化鎢型堆焊材料的硬度高，耐沖蝕性強(qiáng)，適合用于鉆頭體強(qiáng)化。由于鉆頭體形狀復(fù)雜，局部強(qiáng)化空間小，故采用管裝粒狀鑄造碳化鎢進(jìn)行堆焊。在堆焊過程中，鑄造碳化鎢顆粒本身并不熔化，而是借助于熔化后的鋼管和基體金屬將鑄造碳化鎢粘附于工件上。

1.2 強(qiáng)化方式的選擇

表面涂層技術(shù)有堆焊技術(shù)、熱噴涂噴焊技術(shù)、電刷鍍技術(shù)和鍍膜技術(shù)等，針對(duì)不同的工件及應(yīng)用要求，可選用不同的表面涂層技術(shù)。經(jīng)過調(diào)查研究，用堆焊技術(shù)得到的強(qiáng)化層與基體的結(jié)合強(qiáng)度較高，比較適合鉆頭體表面強(qiáng)化的要求。用氧-乙炔焰堆焊方法建立表面強(qiáng)化層，簡便經(jīng)濟(jì)，稀釋率低，火焰溫度較低，火焰加熱面積大，而且鑄造碳化鎢在氧-乙炔焰中不熔化，堆焊效果較好。堆焊溫度一般為1600℃～1700℃，在這樣的溫度下，鑄造碳化鎢合金不會(huì)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。因此，仍保持它原有的高硬度和高耐磨性的特點(diǎn)。

2 鉆頭體表面強(qiáng)化工藝

2.1 堆焊前準(zhǔn)備工作

鉆頭體堆焊前，要仔細(xì)清除鉆頭體表面鐵銹、油污、毛刺等。堆焊表面必須放平，以保證堆焊時(shí)鑄造碳化鎢顆粒均勻分布，用雕刻鉆等手工工具對(duì)齒窩邊及內(nèi)部進(jìn)行修整，去掉毛刺、飛邊，要求齒窩內(nèi)壁光滑，用手工工具對(duì)鉆頭刀翼背部進(jìn)行尖角倒鈍處理。將替片鑲嵌入鉆頭體齒窩內(nèi)，將保徑合金齒裝入保徑合金孔內(nèi)，要求鑲裝到位。堆焊前，將準(zhǔn)備好的鉆頭體放入預(yù)熱爐中預(yù)熱（圖1），鉆頭體被預(yù)熱到600℃左右。

2.2 強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用技巧

當(dāng)達(dá)到預(yù)熱溫度后，吊出鉆頭冠部，放入自制卡具中進(jìn)行堆焊操作。堆焊時(shí)應(yīng)先完成一個(gè)刀翼各部位的堆焊工作后再對(duì)其它刀翼進(jìn)行堆焊。堆焊過程應(yīng)采用火焰的還原焰，還原焰長度應(yīng)為焰心長度的2～3倍，焰心與被堆焊表面之間的距離應(yīng)保持2～3mm。為了盡快地加熱堆焊表面，又避免堆焊表面過熱和熔化，同時(shí)預(yù)熱相鄰堆焊部位，焊槍中心線應(yīng)與堆焊表面約成15°～25°傾角。具體強(qiáng)化過程按以下步驟進(jìn)行操作：

（1）用焊槍弱碳焰加熱鉆頭刀翼正面（如圖2所示）至呈現(xiàn)暗紅色，待表面有微熔狀態(tài)時(shí)，左手持槍加熱，右手拿焊條加入熔池熔化，進(jìn)行堆焊操作。加熱時(shí)應(yīng)不斷移動(dòng)火焰以避免局部溫度過高。

（2）用相同的方法先后對(duì)鉆頭刀翼背部、刀翼頂部、刀翼側(cè)面依次進(jìn)行強(qiáng)化處理，操作完成后檢查強(qiáng)化質(zhì)量，不足之處進(jìn)行補(bǔ)焊。

（3）采用銅釬焊的方法焊保徑合金齒，釬焊過程中注意合金齒排氣，釬焊表面均勻平整。

圖1 鉆頭體預(yù)熱爐示意圖

2.3 強(qiáng)化后保溫處理

焊層與基體熱膨脹系數(shù)相差較大，為了避免鋼體PDC鉆頭堆焊后的強(qiáng)化層冷卻過快導(dǎo)致強(qiáng)化層出現(xiàn)裂紋、脫落等現(xiàn)象，強(qiáng)化完成后將鉆頭立即放入保溫罩或用石棉布包裹，緩慢冷卻至室溫。

3 井場試驗(yàn)

我們對(duì)強(qiáng)化后的?215.9mm的鋼體PDC鉆頭在15504隊(duì)施工的北2-350-斜E122井進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，鉆頭自井深200m下井，鉆至1255m起鉆，進(jìn)尺1055m，純鉆時(shí)間26h17min，機(jī)械鉆速40.14m/h。鉆頭提出后，鉆頭體表面無明顯沖蝕，新度90%。接著我們又繼續(xù)對(duì)該只鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

鉆頭提出后，切削齒磨損嚴(yán)重，鉆頭體表面無強(qiáng)化層脫落現(xiàn)象。其后又投入9只同樣鉆頭進(jìn)行了試驗(yàn)。10只鉆頭共下井35次，總進(jìn)尺38500m，平均機(jī)械鉆速39.5m/h。

在正常使用條件下，試驗(yàn)鉆頭的表面強(qiáng)化層壽命已超過鉆頭切削齒壽命，表明用氧-乙炔焰堆焊硬化工藝對(duì)鋼體PDC鉆頭進(jìn)行表面強(qiáng)化能夠完全滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求。

圖2 鉆頭結(jié)構(gòu)圖

表1 15504井隊(duì)鉆頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

（1）利用氧-乙炔焰堆焊新工藝得到的鉆頭體表面強(qiáng)化層硬度大、與基體結(jié)合強(qiáng)度高、耐沖蝕性強(qiáng)。

（2）應(yīng)用該工藝生產(chǎn)的10只鉆頭共下井35次，總進(jìn)尺38500m，平均機(jī)械鉆速39.5m/h，能夠完全滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。

（3）鋼體PDC鉆頭表面強(qiáng)化技術(shù)的解決可大幅度提高鉆頭的使用壽命，且鋼體PDC鉆頭的生產(chǎn)成本較胎體PDC鉆頭低，在生產(chǎn)和使用中大大節(jié)約了鉆井公司的鉆井成本。