影响PDC钻头胎体强度韧性的因素及提高措施

2018-02-09张俊岭郭一川

设备管理与维修 2018年2期

张俊岭，郭一川，黄斌

（中石油渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金刚石复合片钻头）钻头是油气钻井领域中广泛使用的钻井工具。按照钻头冠体材料不同，PDC钻头可以分为胎体式和钢体式2种。钢体PDC钻头相对于胎体式PDC钻头来讲，材料成本低、在使用过程中基本不存在断刀翼风险，在钻井中使用率正逐步增大。但钢体PDC钻头的耐磨、耐冲蚀性能较差，不适用于下部地层，并且加工改型周期较长；而胎体PDC钻头耐磨耐冲蚀性能好、制造工艺过程较简单、改型快。因此，从目前来看胎体PDC钻头是不可替代的。但是，胎体PDC钻头体属于脆性材料，相对于钢材来讲，强度和韧性较低，在砂砾岩地层或是软硬交错的复杂条件下钻进中，受到冲击时，存在刀翼折短、造成钻井事故的风险。因此，保证钻头胎体有足够的强度和韧性，能在复杂钻井条件下使用安全，显得尤为重要。

1 胎体PDC钻头制造原理

胎体PDC钻头冠体采用无压浸渍工艺生产，将骨架材料装入成型模具中，加入粘接金属，放入高温炉中，在高温下，粘接金属熔化并依靠毛细作用渗入到骨架材料的孔隙中，冷却凝固后将骨架材料结合成一体，形成钻头胎体。骨架粉主要成份为高熔点的铸造碳化钨粉（W2C），粘接金属为熔点较低的铜基合金。无压浸渍工艺相当于一种液相存在的烧结过程，符合粉末冶金烧结原理。

2 影响胎体强度的因素

2.1 骨架粉料的成型密度

由于压坯密度对于烧结过程有一定影响，即对烧结后制品的密度有一定影响。压坯密度增加，烧结后制品的密度和强度增加。当压坯密度达到75%时，制品密度增加显著。

在胎体PDC钻头的无压浸渍工艺中，由于不能施加压力，骨架粉料的成型密度取决于钻头模具装粉时的振实密度，而振实密度与骨架粉料的粒度、流动性及装粉工艺有关。在一定工艺条件下，当骨架粉料粒度（300～400）目，并且有好的流动性，容易得到较高的振实密度。

2.2 胎体的致密化程度

在粉末冶金中，所谓烧结指的是由于加热，使粉末团块收缩和致密化的现象及过程，烧结体的强度取决于烧结体的致密化程度。

骨架粉料为单一成份的铸造碳化钨粉（W2C）时，由于铸造碳化钨粉本身烧结性能差，在钻头烧结温度（1200℃）范围内，基本不存在固相收缩阶段，只是依靠粘结金属熔化、渗入到骨架粉料的间隙内，冷却后形成一种机械结合的胎体，粘接金属和骨架粉相互溶解度较小，胎体的致密化程度低。

提高胎体的致密度，可通过在骨架粉料中加入活化成份，改善烧结性能，使其在烧结过程产生团块收缩现象，促进胎体的致密化。

2.3 烧结工艺参数

在胎体PDC钻头无压浸渍工艺中，由于受到切削齿的热稳定性限制，烧结温度不能过高（1200℃），只能通过改变烧结时间来影响胎体的性能。在烧结温度一定时，延长烧结时间，能促进烧结过程中胎体的收缩和致密化进行；同时，采用一定冷却措施，使粘接金属快速凝固，可以进一步增加胎体的最终致密度。

3 胎体性能检测试验

以抗弯强度和冲击韧性做为衡量胎体性能的指标。分别选取（80～200）目（1#）和（70～400）目（2#）2 种混合目数的铸造碳化钨粉为骨架材料，以516#合金做为粘接金属，进行烧结试验。烧结温度1180℃，烧结时间1 h和1.5 h。从烧结出的胎体毛坯上制取试样（图1、图2），进行抗弯强度和冲击韧性检测。检测结果见表1。

图1 抗弯试样

图2 冲击试样

表1 抗弯强度和冲击韧性检测结果

由表1可看出，烧结时间相同时，2#配方胎体的抗弯强度和冲击韧性都高于1#配方；在配方相同情况下，随烧结时间延长，抗弯强度和冲击韧性都有提高。

原因分析：2#配方的粒度比1#配方细，在相同装粉工艺条件下容易得到较高的装实密度；而适当延长烧结时间，能促进烧结过程中的收缩和致密化进行。

从表1中还可看出，2种配方胎体的冲击韧性都达不到SYT 5217—2016金刚石钻头标准中对钻头胎体冲击韧性指标要求（冲击韧性≥4J）。因为单一铸造碳化钨粉（W2C）成份的骨架粉料，由于其烧结性能差，在烧结过程中没有液相产生、不存在粉末团块收缩现象，致密化程度低，即使骨架粉粒度细，也得不到韧性好的胎体。

要提高胎体的韧性，可以通过改善骨架粉的烧结性来实现。根据以上试验结果，综合 1#，2#配方，加入（15～20）%的球形颗粒的铸造碳化钨粉，同时填加10%左右、粒度为300目的镍粉、钴粉，形成3#配方，以516#合金为粘接金属，烧结温度和烧结时间不变，配以出炉后强制冷却工艺，烧结制取试件，再进行抗弯强度和冲击韧性检测，结果见表2。

表2 3#配方性能检测结果

由表2可看出，3#配方胎体抗弯强度及冲击韧性都有大幅提高。

原因分析：在骨架粉中填加铁、钴、镍粉末，能增加其活性，烧结过程有液相产生，胎体的收缩和致密化程度高；骨架粉中含有一定量的球形颗粒，能改善粉的流动性，容易得到较高的装实密度；出炉后强制冷却，使粘接金属快速凝固，能提高胎体的密度。

4 实际应用

用3#配方做为骨架粉、516#合金为粘接金属，生产某型号9.5英寸PDC钻头13只，烧结温度1180℃、烧结时间比常规工艺延长15 min，出炉后水冷方式强制冷却，该工艺钻头在新疆吐哈油田鲁克沁区块含砾地层中钻井应用。该地层平均砾石层厚度（80～100）m、胶结致密、研磨性强、可钻性差，常规配方的胎体钻头在钻井过程易掉块、折刀翼。经现场应用统计，该钻头平均进尺2239.5 m，平均机械钻速21.5 m/h，全部钻穿含砾岩层。钻头起出新度为85%，胎体轻微磨损、抗冲击性好，无掉块、折刀翼现象（图3、图4）。表明经过改进的3#配方胎体强度韧性完全满足钻头在复杂钻井条件下的安全使用。