梯度硬質(zhì)合金齒牙輪鉆頭開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究

田紅平，張烈華，許林 （江漢石油鉆頭股份有限公司，湖北 潛江430223）

隨著石油資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)，鉆井不斷向深部地層延伸，相應(yīng)的鉆井技術(shù)也在不斷發(fā)展。在深井硬地層，牙輪鉆頭出現(xiàn)的合金齒斷裂失效和早期磨損失效的現(xiàn)象也越來(lái)越嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)失效后的硬質(zhì)合金齒進(jìn)行分析，除了鉆頭結(jié)構(gòu)和鉆井本身的原因之外，發(fā)生斷裂失效的主要原因是硬質(zhì)合金齒內(nèi)部的韌性不夠，而發(fā)生磨損失效的主要原因是合金齒的耐磨損性不夠［1］。

對(duì)于傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金材料，由于其原材料本身的局限性，當(dāng)提高硬質(zhì)合金的韌性時(shí)，其耐磨性能會(huì)降低，而當(dāng)提高其耐磨性時(shí)，其韌性又會(huì)降低，因此同時(shí)提高硬質(zhì)合金的耐磨性與韌性是研究的主要目標(biāo)。形成外硬內(nèi)韌的硬質(zhì)合金材料結(jié)構(gòu)為解決硬質(zhì)合金齒的斷齒和磨損問(wèn)題提供了新的解決方案。

梯度硬質(zhì)合金技術(shù)能在硬質(zhì)合金的表面形成一層含鈷量低、硬度較高的梯度層，形成了外硬內(nèi)韌的材料結(jié)構(gòu)，既提高了表層的耐磨性，又保持了整體的韌性，很好地解決了表層的耐磨性與整體的韌性之間的矛盾。梯度硬質(zhì)合金齒的這種特點(diǎn)，也將使梯度硬質(zhì)合金齒牙輪鉆頭在一些特定場(chǎng)合具有較大的使用性能優(yōu)勢(shì)。

1 梯度硬質(zhì)合金制備基本原理

傳統(tǒng)硬質(zhì)合金中鈷的分布是很均勻的，要想形成鈷含量的梯度，就必須讓鈷在液體狀態(tài)下發(fā)生從表面向心部的遷移，然后冷卻形成固態(tài)鈷梯度，因此如何形成液態(tài)鈷遷移的驅(qū)動(dòng)力成為梯度硬質(zhì)合金生產(chǎn)的關(guān)鍵所在［2］。

從圖1中可以看出，陰影部分為Co（固相）＋Co（液相）＋WC三相區(qū)，該三相區(qū)內(nèi)WC－Co硬質(zhì)合金中固態(tài)Co與液態(tài)鈷的比例與碳的含量有關(guān)，當(dāng)碳含量高時(shí)，該處的液態(tài)Co的比例也較高，當(dāng)碳含量低時(shí)，該處的液態(tài)Co比例也較少。由于液態(tài)鈷具有流動(dòng)性，碳含量的不同可以驅(qū)動(dòng)液態(tài)鈷從液態(tài)Co高比例區(qū)域流向液態(tài)Co低比例區(qū)域［3］。

圖1 WC－Co三元相圖

在圖1中陰影區(qū)內(nèi)對(duì)常規(guī)WC－Co硬質(zhì)合金的表面進(jìn)行滲碳處理，將直接導(dǎo)致表層的鈷向心部遷移，再以較快的速度冷卻下來(lái)，就形成了表層鈷含量較低的梯度層。在碳勢(shì)一定的情況下，延長(zhǎng)滲碳的時(shí)間，可以得到較深的梯度層。

2 梯度硬質(zhì)合金齒試制

分別用含鈷10%和16%的硬質(zhì)合金齒進(jìn)行滲碳處理，制備了梯度硬質(zhì)合金齒，通過(guò)檢測(cè)梯度硬質(zhì)合金齒從表面到心部的顯微硬度分布，來(lái)檢驗(yàn)形成的梯度層的情況。

應(yīng)用含鈷10%硬質(zhì)合金齒和含鈷16%硬質(zhì)合金齒，分別制備了8組梯度硬質(zhì)合金齒，其顯微硬度分布與梯度層的情況見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 含鈷10%的JZ10梯度硬質(zhì)合金齒硬度分布與梯度層

圖3 含鈷16%的JZ16梯度硬質(zhì)合金齒硬度分布與梯度層

從圖2和圖3中可以看出，梯度硬質(zhì)合金齒梯度層的深度在800～1000μm，不同齒的硬度分布基本接近，說(shuō)明梯度層的深度也基本相同。

3 梯度硬質(zhì)合金齒牙輪鉆頭在四川油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)鉆頭組裝

3.2 現(xiàn)場(chǎng)鉆井參數(shù)

試制的這3只鉆頭在四川龍002－10－1井先后下井使用。

試驗(yàn)鉆頭鉆進(jìn)地層為自流井珍組珠沖段，主要為礫巖層。鉆具組合為?215.9mmHJT637GL×0.24m＋430／410雙母接頭×0.58m＋411／410回凡×0.43m＋短鉆鋌×1.00m＋?213mm 扶正器×0.95m＋無(wú)磁鉆鋌×1根（9.10m）＋?165mm鉆鋌×20根（179.91m）＋?127mm鉆桿×1根＋411／410接頭×0.49m＋回凡×0.39m＋下旋塞×0.49m。

鉆壓為180kN，轉(zhuǎn)速為65r／min，排量為25L／s，泵壓15MPa，密度1.61g／cm3，黏度46s，含砂量0.3%。

3.3 鉆頭使用結(jié)果及分析

從以上數(shù)據(jù)可以得出，15731號(hào)梯度硬質(zhì)合金鉆頭比15730號(hào)普通鉆頭進(jìn)尺數(shù)提高了18.2%，鉆進(jìn)速度提高了12.9%；15732號(hào)梯度硬質(zhì)合金鉆頭比15730號(hào)普通鉆頭進(jìn)尺數(shù)提高了28.9%，鉆進(jìn)速度提高了3.3%。

4 梯度硬質(zhì)合金齒牙輪鉆頭在遼河油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

表1 興古－中H101井8in井段617鉆頭使用資料

表1 興古－中H101井8in井段617鉆頭使用資料

巖性13242（普通） 江鉆 3054～3138 84 33.8 2.49鉆頭編號(hào) 廠家 使用地層／m 進(jìn)尺／m 純鉆時(shí)／h 機(jī)械鉆速／（m·h－1）角礫巖07220（普通） 江鉆 3065～3160 95 48 1.98 角礫巖5200466 進(jìn)口 3160～3302 142 57.9 2.45 角礫巖5204173 進(jìn)口 3475～3590 115 48.7 2.37 角礫巖07218（梯度） 江鉆 4000～4122 122 35.66 3.43角礫巖

進(jìn)口鉆頭與梯度硬質(zhì)合金齒鉆頭鈍鉆頭磨損照片如圖4～6所示。從鈍鉆頭的損壞情況看，試制的8in的MD617（編號(hào)07218）梯度硬質(zhì)合金齒鉆頭新度較高，還有進(jìn)尺潛力。

5 梯度硬質(zhì)合金齒牙輪鉆頭在勝利油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

編號(hào)為27183的鉆頭在勝利油田用于義183井，鉆進(jìn)層位為沙四段。該井在沙四段總共使用了2只8in的HJT537GK鉆頭，鉆頭編號(hào)分別為17839（普通鉆頭）和27183，這2只鉆頭之間使用了1只金剛石鉆頭。這2只鉆頭的詳細(xì)鉆進(jìn)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖4 進(jìn)口5200466鈍鉆頭

圖5 進(jìn)口5204173鈍鉆頭

圖6 編號(hào)07218的梯度硬質(zhì)合金齒鈍鉆頭

表2 義183井?8in的HJT537GK鉆頭使用情況

表2 義183井?8in的HJT537GK鉆頭使用情況

地層17839 4145～4230 85 48 1.77鉆頭編號(hào) 井段／m 進(jìn)尺／m 純鉆時(shí)間／h 鉆進(jìn)速度層／（m·h－1）沙四段27183 4470.17～4598.65 128.48 77 1.67沙四段

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，在沙四段地層，梯度硬質(zhì)合金齒鉆頭27183的進(jìn)尺比普通鉆頭17839的進(jìn)尺提高了51%，純鉆時(shí)間提高了60%，平均鉆進(jìn)速度低了5%。雖然梯度硬質(zhì)合金齒的鉆進(jìn)速度比普通硬質(zhì)合金齒鉆頭的鉆進(jìn)速度略低，但是由于純鉆時(shí)間和進(jìn)尺大幅度的提高，其優(yōu)勢(shì)仍然十分明顯。

6 結(jié)論

1）研究開(kāi)發(fā)了一種對(duì)硬質(zhì)合金的滲碳處理工藝，通過(guò)對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行滲碳處理，可以在硬質(zhì)合金表面形成一層低鈷的梯度層，形成梯度硬質(zhì)合金。

2）梯度硬質(zhì)合金形成了外硬內(nèi)韌的材料結(jié)構(gòu)，既提高了表層的耐磨性，又保持了整體的韌性，有效地解決了普通硬質(zhì)合金表層的耐磨性與整體的韌性之間的矛盾。

3）應(yīng)用梯度硬質(zhì)合金齒試制的牙輪鉆頭在四川油田、勝利油田和遼河油田一些難鉆進(jìn)地層使用，明顯提高了牙輪鉆頭進(jìn)尺與機(jī)械鉆速，取得了理想的使用效果。

［1］李世忠 .鉆探工藝學(xué) ［M］.北京：地質(zhì)出版社，1992.

［2］Fang Z Z，Oladapo O E.Liquid phase sintering of functionally graded WC－Co composites ［J］.Scripta Materialia.2005，52（8）：785～791.

［3］Oladapo O E，F(xiàn)ang Z Z，Griffo A.Kinetics of cobalt gradient formation during the liquid phase sintering of functionally graded WC－Co ［J］.International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2007，25（4）286～292.