關于PDC鉆頭低溫氮、磁化綜合處理的試驗研究

湯鳳林 ， 沈中華， 段隆臣， 彭 莉， Чихоткин В.Ф.

(1.中國地質大學〈武漢〉，湖北 武漢 430074； 2.無錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無錫 214174)

0 引言

20世紀80年代，PDC研制成功，進入鉆井領域，并從石油鉆井很快地打進了地質鉆探工程。此后，復合片鉆頭(又稱PDC鉆頭)研究日趨成熟，鉆進工藝日臻完善，引起了鉆探界的高度重視。復合片鉆頭的特點是屬于切削剪切型鉆頭，適用的地層范圍比較寬，切削具的出刃比較大，鉆進效率高，耐沖擊性能好，復合片耐磨性能好，鉆頭壽命長，可以取得很好的技術經濟指標，因此，得到了國際鉆探界的認可[1-10]。

但是，PDC鉆頭在可鉆性7～8級巖石，特別是在軟硬互層、裂隙互層和研磨性地層中鉆進時，機械鉆速降低、鉆頭壽命縮短，直接影響了這種鉆頭的技術經濟指標和推廣使用。因此，如何提高鉆頭的使用性能，即提高鉆頭的強度(硬度)和耐磨性，以便在上述地層中鉆進時發(fā)揮PDC鉆頭的優(yōu)勢，是個很迫切的問題。俄羅斯南方國立技術大學石油天然氣鉆井和地球物理教研室的教授們對此進行了深入的研究，提出了按所用能源類型進行分類的提高鉆頭性能的分類圖(見圖1)[7]。

圖1 按所用能源類型以提高鉆頭性能的分類Fig.1 Classification chart for improving bit performanceaccording to the type of energy used

從圖1可知，提高鉆頭使用性能的方法很多，但是俄羅斯鉆探人員經過分析研究討論認為，其中的鉆頭恒低溫、磁化綜合處理方法是一種比較好的方法[7-21]。

1 恒低溫、磁化綜合處理方法

這種方法系指把室內20 ℃左右的試驗用鉆頭放入-196 ℃的低溫液態(tài)氮中，經過15 min，取出后恢復到20 ℃，然后在3200～4000奧斯特(磁場強度單位，1奧斯特=79.6 A/m)的永久磁鐵磁場中對其進行磁化處理15 min，取出后供研究和鉆探使用。

此綜合方法亦可稱之為低溫淬火、磁化回火的處理方法。

1.1 低溫處理

1.1.1 低溫處理裝置

設計出了低溫處理裝置(見圖2)[7]。這種裝置包括：低溫液態(tài)氮容器4，提升裝置2，工作臺3和運輸用液態(tài)氮罐6。低溫液態(tài)氮容器4容積為0.1 m3，用雙層鋼板制成，中間隔熱材料為松孔塑料。通過隔熱軟管7從液態(tài)氮罐6向低溫液態(tài)氮容器4供給液態(tài)氮。處理結束后，剩下的液態(tài)氮通過軟管8流入放出池9。利用運輸用液態(tài)氮罐ЦТК-5/0.25或容積為25～50 L的液態(tài)氮罐(見圖3)把液態(tài)氮運往處理鉆頭地點。

1.1.2 低溫處理工藝

把擬處理的鉆頭用水溶液或石油溶液清洗去污，水溶液的溫度應該不低于50 ℃。清洗去污后烘干。清洗去污后的鉆頭，安裝在鉆頭架上，鉆頭的溫度應該不高于周圍的溫度。從容積50 dm3的ACД-50型液態(tài)氮罐中注入液態(tài)氮，不少于液態(tài)氮罐體積的70%。在液態(tài)氮罐內壁冷卻(液態(tài)氮停止沸騰)后，把鉆頭下入低溫液態(tài)氮容器內，進行冷卻處理。把液態(tài)氮加到完全蓋過鉆頭為止，然后用隔熱蓋子蓋上恒低溫液態(tài)氮罐。在液態(tài)氮停止強烈沸騰后，處理鉆頭10～15min。此時，鉆頭應該全被液態(tài)氮覆蓋。必要時，可以向低溫液態(tài)氮罐再加注液態(tài)氮。把被處理的鉆頭用提升裝置提出來，使其溫度升到周圍環(huán)境的溫度，然后安放到工作臺上，把鉆頭卸下來以供下一步分析或鉆探使用。如果低溫液態(tài)氮罐中的液態(tài)氮含氧量≯30%，可以繼續(xù)使用。

1-電葫蘆橫梁；2-電葫蘆(提升裝置)；3-工作臺；4-低溫液態(tài)氮容器；5-鏈條；6-運輸用液態(tài)氮罐ЦТК-5/0.25；7、8-壓入隔熱軟管和放出隔熱軟管；9-放出池

圖2低溫處理鉆頭的裝置示意
Fig.2Deviceofcryogenictreatmentbit

圖3 液態(tài)氮容器罐Fig.3 Liquid nitrogen tank

1.1.3 恒低溫處理結果

經過低溫處理后，由于WC和Co的熱膨脹系數不同，鈷或其它粘結劑在碳化物包裹體邊界上的塑性變形形成表面硬化，使硬合金和復合材料的細粒結晶結構發(fā)生變化，在鉆頭表面上形成一個高硬度、高耐磨性、高抗腐蝕性、高接觸韌性和高抗彎疲勞強度的硬化層。同時，已經確定，在此情況下沒有發(fā)現金剛石層有脫離現象，釬焊層也保持完好(見圖4)[7]。

低溫處理產生的熱(冷)沖擊給鉆頭材料應力狀態(tài)帶來的變化，主要是因為形成了壓應力。由于有壓應力存在，復合片在嵌鑲窩中的固定，不僅是由于其連接力，而且周圍金屬的壓持力也起了作用，所以這也是鉆頭進尺提高的一個因素。

圖4 液態(tài)氮處理后的鉆頭Fig.4 The bit treated with liquid nitrogen

1.2 磁化處理

圖5是鉆頭在磁場強度為320 kA/m的永久磁鐵中進行磁化的示意圖[7]。鉆頭上有4個永久磁鐵，每轉一圈有兩次磁化(充磁和去磁)過程。磁化過程中，電動力學的力將使鉆頭結構晶體更加密集有序，降低了其內應力，使其結構變得最優(yōu)，猶如經受了“螺旋式壓縮”。這是由于鉆頭在磁場中移動時，在磁場方向上循環(huán)的微電子產生的磁矩呈定向排列所致。

圖5 鉆頭磁化(充磁、去磁)示意Fig.5 Bit magnetization (magnetization and demagnetization)

建立了試驗臺。用回轉的磁場處理鉆頭用的試驗臺見圖6，圖7為在試驗臺上安裝的鉆頭。

1-支座；2-導向桿；3-活動橫梁；4-帶螺桿的不動橫梁；5-鉆頭給進螺桿；6-把鉆頭安裝在試驗臺上用的帶有螺紋的套；7-鉆頭；8-N和S磁鐵；9-把磁鐵移動到不同直徑鉆頭用螺桿；10-轉動的工作臺；11-工作臺驅動裝置

圖6用回轉的磁場處理鉆頭用試驗臺
Fig.6Test-bedforthebitmanagedwithrotarymagneticfield

圖7 在試驗臺上安裝的鉆頭Fig.7 The bit installed on the test-bed

1.3 綜合處理結果

1.3.1 鉆頭硬度測量結果

永久磁鐵60 r/min回轉，磁化處理15 min條件下得到的鉆頭硬度(鉆頭體合金鋼ХГС?。?.5%Cr，97.9%Fe，0.3%～0.6%C；釬焊層ПСР-45：45%Ag,31%Cu，20%Zn，4%Pb)試驗結果見表1。

從表1可見，經過綜合處理后，鉆頭體、復合片底座和釬焊層的硬度分別提高了30%、3%和22%，而金剛石層的硬度沒有變化。測量是在俄羅斯南方國立技術大學的納米技術和新材料測試中心用洛氏硬度計測得的。值得注意的是，當重復磁化，即充磁、去磁超過60個循環(huán)以上時，鉆頭硬度不再增大，這一點值得進一步研究。

表1 低溫、磁化綜合處理前、后測量的鉆頭硬度結果Table 1 Hardness measured before and after cryogenic and magnetization treatment

1.3.2 釬焊層的X射線結構分析

釬焊層X射線結構分析是用掃描電子顯微鏡QUANTA-200進行的。為此，準備了專門樣品，即從鉆頭上切割下來一塊帶有PDC的扇形塊(見圖8)，在室溫下置入低溫液態(tài)氮15 min，提出來，室內停留15 min，下入強度為320 kA/m的磁場中進行磁化處理。取出后，進行測量分析[7]。

1-復合片；2-釬焊層ПСР-45；3-鉆頭體(ХГСА合金鋼)

圖8 X射線分析結構用的鉆頭扇形塊
Fig.8DrillsectorblockforstructuralanalysisbyX-ray

用QUANTA電子顯微鏡對釬焊層X射線結構分析結果表明，采用低溫、磁化綜合方法時，合金中的微裂隙成長速度降低了，似乎微裂隙發(fā)生“磁滲碳”了，所以復合片在鉆頭體上固定的質量提高了。

1.4 鉆頭對比試驗鉆進結果

對綜合處理和未經液態(tài)氮處理鉆頭進行了鉆進對比試驗。

選取了4對鉆頭，其中一半是綜合處理，即經過低溫液態(tài)氮處理(15 min)和磁化綜合處理的鉆頭，另一半是未經低溫液態(tài)氮處理，僅單純進行磁化處理的鉆頭，在野外條件下，對可鉆性8級巖石進行了鉆進試驗，結果見表2[7]。

從表2可見，綜合處理的鉆頭與單純磁化處理鉆頭相比，鉆頭進尺提高了近70%，機械鉆速提高了38%，可見綜合處理的效果要比單一磁化處理的效果好得多。

表2 鉆頭對比試驗結果對比Table 2 Bit contrast test results

對經過低溫液態(tài)氮綜合處理的和未經處理的鉆頭進行了野外鉆進對比試驗。試驗是用直徑112 mm鉆頭、鉆進可鉆性7級砂巖、400 m深度時進行的。所用鉆機是СКБ-4型，水泵是НБ-32型和低固相聚合物沖洗液。鉆頭對比試驗結果見表3[7]。

表3表明，經過低溫液態(tài)氮和磁化(磁場強度為4000奧斯特)綜合處理與未經綜合處理的鉆頭相比，由于鉆頭體、釬焊層、碳化鎢底座和金剛石層結晶結構發(fā)生了變化，所以提高了移位的密度和鉆頭的硬度和耐磨性，總體上使鉆頭進尺提高了22.2%，說明這種綜合處理方法是非常有效的[7-21]。

表3 處理后的鉆頭和未經處理的鉆頭對比鉆進試驗結果Table 3 Test results of cryogenic liquid nitrogen treated bit and untreated bit

2 分析與討論

(1)PDC鉆頭在可鉆性7～8級巖石，特別是在軟硬互層、裂隙互層和研磨性地層中鉆進時，機械鉆速降低、鉆頭壽命縮短，直接影響了這種鉆頭的技術經濟指標和推廣使用。俄羅斯南方國立技術大學石油天然氣鉆井和地球物理教研室的教授們對此進行了深入的研究，提出了按所用能源類型進行分類的提高鉆頭性能的分類圖。在這個分類圖中，很有前景并正在進行研究的是對鉆頭進行低溫液態(tài)氮處理、磁化處理的綜合處理方法。

(2)鉆頭低溫液態(tài)氮處理方法的機理是：經過低溫處理后，由于WC和Co的熱膨脹系數不同，鈷或其它粘結劑在碳化物包裹體邊界的塑性變形形成表面硬化，使硬合金和復合材料的細粒結晶結構發(fā)生變化，在鉆頭表面上形成一個高硬度、高耐磨性、高抗腐蝕性、高接觸韌性和高抗彎疲勞強度的硬化層。同時，在此情況下沒有發(fā)現金剛石層有脫層的現象，釬焊層也保持完好。

(3)鉆頭磁化處理的機理是：鉆頭上有4個永久磁鐵，每轉一圈有兩次磁化(充磁和去磁)過程。磁化過程中，電動力學的力將使鉆頭結構晶體更加密集有序，降低了其內應力，使其結構變得最優(yōu)，猶如經受了“螺旋式壓縮”。這是由于鉆頭在磁場中移動時，在磁場方向上循環(huán)的微電子產生的磁矩呈定向排列所致，因而鉆頭強度(硬度)和耐磨性提高了。

(4)雖然低溫液態(tài)氮處理和磁化處理鉆頭都可以提高鉆頭的性能(硬度和耐磨性)，但是把這兩個處理方法綜合進行效果更好，可以得到更好地提高鉆頭的使用性能，提高了鉆頭的機械鉆速和進尺，解決了復合片鉆頭鉆進復雜地層遇到的難題，有利于復合片鉆頭的發(fā)展和進一步推廣使用。俄羅斯南方國立技術大學石油天然氣鉆井和地球物理教研室專家進行的實驗室和野外生產試驗結果證實了這一點[7-21]。