高強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有限公司，河北 正定 050000)

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高強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)為粘結劑和浸漬合金，研制開發了三種高性能石油鉆頭胎體配方。首先依據胎體配方制備預合金粉末，然后測試胎體配方的抗彎強度和抗沖擊韌性等性能，最后加入金剛石，試制鉆頭。實驗結果表明，采用三種胎體配方所制備鉆頭的抗沖擊韌性和抗彎強度都遠高于行業標準的要求，表明鉆頭試制成功；新配方的成本比現用的胎體降低1/3左右。該項目研究在鉆頭制造中取得了突破性進展，提高了鉆頭在井內復雜環境下的工作能力，并降低了鉆頭成本。

胎體配方;金剛石鉆頭;預合金粉末;胎體性能

1　前言

隨著鉆井技術的發展，金剛石鉆頭的設計、制造技術也在不斷的進步，PDC鉆頭對地層的適應范圍也越來越廣泛。過去PDC鉆頭只限于鉆軟到中硬地層，如今其應用范圍也在逐漸擴大到硬地層、高耐磨性地層及含躒石層及軟硬交錯等不均質地層。這就對金剛石鉆頭技術研究工作者提出了更高的要求。近年來我國金剛石鉆頭有了較大的發展，新型鉆頭不斷出現，解決了生產中的許多難題。盡管如此，目前對于深部井段惡劣的鉆井條件，特別是復雜的地質條件，使用PDC鉆頭仍有不少的問題出現，總結如下：胎體脫落、斷刀翼、磨心、斷齒、胎體嚴重磨損、刺鉆、沖蝕、崩刃、脫層、龜裂、泥包、PDC片脫落、噴嘴堵塞、拉槽等。但是在如此多的問題中，最主要的是胎體脫落和斷刀翼 ，胎體脫落將造成整個鉆井報廢的嚴重后果，雖然這種情況罕見，但一旦發生，損失是非常大的，而出現問題較多的是斷刀翼事故。由于出現斷刀翼后需用很長時間進行打撈或者進行磨井處理，這樣就嚴重影響鉆進速度，提高了鉆井成本，也會造成極大的經濟損失。因此，研究出高強度、高性能的胎體配方十分重要，這對于制造高質量的PDC鉆頭具有極其重要的意義。

2　預合金粉作用

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

(1)鐵粉末漂移

長期以來，行業內許多技術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。因此在燒結鉆頭排除氣體時，鐵粉隨著氣體產生漂移，使燒結的鉆頭胎體性能受到極大的影響。預合金粉是鐵和碳化鎢粘合為一體的，不會產生鐵粉漂移。

(2)胎體產生氣孔問題

由于單元素鐵粉的漂移，再加之鐵的化學性質而決定了易于產生氧化，使燒結的鉆頭胎體產生眾多的氣孔，影響胎體的力學性能和鉆頭使用效果。預合金粉是多元素組成的，解決了鉆頭氣孔嚴重問題。

(3)鉆頭胎體銹蝕

單元素鐵粉配方，燒結出來的鉆頭極易氧化，產生銹蝕。尤其是在井下使用后，很快產生銹跡，鉆頭表面光潔度受損嚴重，如果再繼續使用將很容易產生泥包，影響鉆進工作的進展。由于預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。而使用預合金粉，混料簡化了許多。

根據鐵基胎體存在的問題，本次實驗研究采用以鐵為主；W2C為輔，首先試制成預合金粉，擬解決以上的問題

3　實驗研究

3.1預合金粉配方的設計

為了降低成本，提高配方的力學性能。本實驗以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，使其達到了目的。(見表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，Fe用普通Φ25mm的圓鋼，W2C采用60目以細的粉料，Cr、Ni、Si等選塊狀材料。

(2)預合金粉的試制

試制預合金粉在ZP—100型晶體管中頻爐電源裝置上進行，先配置材料，分時將不同材料裝入中頻感應爐加溫，然后采用水霧法進行噴粉。由于Fe和W2C的熔點溫度相差較大，首先將Fe、Ni等金屬熔化后在加入W2C金屬繼續加溫，熔煉一段時間后進行噴粉。初次試驗，由于金屬元素的比例和配方等諸多因素，前4次試驗未能噴出粉末，沒有達到預想的結果。在認真總結的基礎上，先對配方進行調整，再從工藝上進行改進，經30余次試制達到了預期目標，獲得了成功。(圖1)

圖1　預合金粉照片Fig.1　Broken blade of drill bit

3.3性能測試樣品制備

本項目研究的重要目標之一是提高胎體配方性能，因此，對有要求的抗彎強度和抗沖擊韌性指標進行檢測，同時對胎體硬度性能進行檢測。按照行業標準制備試樣。(見表2)

表2　試樣尺寸

3.4試樣模具設計

試樣模具設計根據試樣尺寸要求，模具設計成有底盤、型模、套模的結構形式(如圖2)。這種接構符合尺寸要求、也符合無壓燒結工藝要求；模具還可以重復使用，節省成本。

3.5試樣燒結及處理

試樣燒制在8千瓦高溫爐中進行，設計爐溫度1350℃。試樣燒結溫度為1200℃，保溫1個小時，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，再到拋光機上將試樣表面拋光；最后對試樣編號、測量尺寸、裝袋進行檢查，準備檢測。

3.6性能測試

(1)抗彎強度

抗彎強度在GNT-100型電子萬能試驗機上進行的。兩支點距離為24mm

抗彎強度按下式計算：

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

σb—抗彎強度(MPa)

Р—試樣斷裂時的載荷(N)

L—試樣支點間距離(mm)

b—試樣寬度(mm)

h—試樣厚度(mm)

我們對研制的三種配方各制作3～4個抗彎試樣，并進行抗彎強度的測試，其結果見表3。

表3　抗彎強度測試結果

(2)抗沖擊韌性

測定胎體抗沖擊韌性是在JB—50型簡支梁沖擊試驗機上進行，兩支點距離為40mm，試樣中部不制切口。

沖擊韌性按下式計算：

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)

根據研制的三種配方各制作3～4個抗沖擊試樣，并進行抗沖擊測試，其結果見表4。

表4　抗沖擊韌性試結果

(3)硬度檢測

在每個抗彎和抗沖擊韌性試樣測試完后再進行硬度檢測，硬度檢測在HR-150A型洛氏硬度計上進行。檢測結果見表5。

表5　硬度檢測結果

(4)面料與基料燒結強度試驗

由于面料和基料在用材上不同，它們的收縮系數有差距，兩者間調配不好燒結的鉆頭體會出現裂紋或脫層。因此，新研制的配方需要做二者間的燒結實驗。試驗方法是在石墨模具上加工一個Φ16mm×60mm的孔，將面料和基料各裝入1/2進行燒結，燒結工藝與抗彎試樣類同。

我們對面料W40和基料441XN進行試驗，燒制三個試樣，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，證明面料與基料結合強度良好。

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行相應的調整，如解決與模具黏連、裝料、燒結等方面的問題。

(1)黏模問題

新的胎體配方中，由于含有大量鐵元素，與石墨模具在燒結中易產生黏連，不但影響胎體燒結性能，還嚴重損壞燒結模具，使其不能重復使用。為解決黏模問題，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題。

(2)鉆頭組裝問題：

新的胎體配方，粉末粒度遠小于現用配方，如像以前那樣裝料，想達到需要的胎體密度很難實現。因此，裝料時增加了震動次數和延長了震動時間，使其達到需要的裝料密度。

(3)燒結問題

由于粉末粒度很細，粉末間的間隙很小，燒結時排除水分和氣體較難，易污染粉料或產生氣孔，影響鉆頭胎體燒結性能。因此，我們對鉆頭燒結工藝進行調整，主要是在燒結的預熱初期，將低溫延長時間，通過采取以上措施燒結的鉆頭完全滿足標準要求(見圖3)

圖3　預合金粉胎體配方燒結的鉆頭Fig.3　Drill bit prepared by pre-alloyed powder formula

4　綜合結果分析

4.1預合金粉

預合金粉研究的成敗是本課題的關鍵技術之一。由于石油鉆頭的特點，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金屬鐵元素，使其降低成本。但是在研制過程中，由于這兩種主要材料各種性能差異較大，特別是熔點和比重的差異懸殊給研究工作帶來了很大的難度。研制工作經過反復地五次試制才獲得成功。在實驗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有粉料噴出；通過認真總結分析，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。在此經驗基礎上，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胎體配方的設計與研制

胎體在鉆頭中起著鑲焊金剛石復合片，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，在行業標準中要求鉆頭胎體的抗彎強度大于530MPa;抗沖擊韌性大于2J/cm2。本次研究需提高指標要求：抗彎強度為850～1000MPa，抗沖擊韌性是標準的2～3倍，其它性能與現用胎體相當；除此之外，還有一個重要的指標，要求胎體成本降低25%～30%。根據以上的技術要求，設計了鐵含量不低于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行研制，通過在研究試制過程中不斷調整配方，對工藝進行改進，試驗結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35%～55%；而W2C含量高達30%～40%，獲得了令人滿意的結果，總體達到了胎體設計的技術指標要求。

4.3胎體配方的性能與經濟效益

(1)胎體性能

關于鉆頭胎體材料性能指標，至今國家標準仍沒有明確的規定，而僅有原石油行業制定的鉆頭標準，標準中有對胎體材料性能指標的要求?，F將新研制的胎體材料性能與其進行對比。(表6)

表6　胎體材料性能對比表

對比的結果表明：新研制的胎體配方無論是抗彎強度還是沖擊韌性指標均遠高于標準要求，就基粉而言其抗彎強度比現用配方提高63.51%；比標準配方提高92.92%；而沖擊韌性指標是現用配方的3.82倍；是標準要求的5.57倍；而性能較低的面料，其抗彎強度也比現用配方提高26.73%；是標準要求的49.53%；抗沖擊韌性是現用配方的1.98倍；是標準配方的2.89倍。由此可見，新研制的胎體配方性能明顯優于現用配方和標準配方性能，試驗研究成果取得了新的進展。

(2)經濟效益

在鉆頭生產過程中，耗資最大的是金剛石復合片，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元計算，用資金220元；總計用資金2764元，再加上噴粉費用，一只鉆頭的胎體用資為3000元左右，一只鉆頭就可以節省4000～6000元，是現用胎體成本1/3左右，盡顯經濟效益，這樣的鉆頭在市場上將有更大的競爭優勢。

4.4鉆頭的試制

由于新的胎體配方和傳統的胎體配方無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行工藝的改進和調整。主要解決了以下幾方面的關鍵技術問題，并采取如下措施：

(1)黏膜問題：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題。

(2)鉆頭組裝粉料壓實問題，因為新的配方粉料比表面積較大，難以壓實，采用了增加震動次數及延長振動時間的方法解決，由過去震動3次，增加為震動4～5次；由以前每次震動10秒；現在延長到震動30～120秒，還對狹窄部位用鋼條進行反復的壓扎，也達到了滿意的效果。

(3)燒結問題：在燒結過程中，由于粉料粒度細造成水份與氣體難以排出，采用延長低溫預熱時間的方法，由1小時延長到2小時。該方法避免了快速加熱產生出噴粉的問題。

總之，采取以上的方法措施使鉆頭燒結生產了良好的效果。

5　結論

(1)本次通過對含碳化鎢預合金粉的研究，尋找出了合理的噴粉工藝，成功地研制出546XN#、W40#、441 XN#幾種預合金粉料，本研究含碳化鎢高達40%的預合金粉料的成果屬國內首創，取得了突破性進展。

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

(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，降低了生產成本。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省4000～6000元，盡顯經濟效益，這樣的鉆頭在市場上將有更大的競爭優勢。

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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，高級工程師， 河北小蜜蜂工具集團有限公司 鉆頭事業部總工 主要研究方向：超高強PDC復合片石油鉆頭制造技術及應用。

TQ164

A

1673-1433(2016)03-0001-06

引文格式：趙永明,李 亮.高強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.