冷却方式对PDC钻头胎体性能的影响研究

2018-08-23张俊岭郭一川郭海春周学超王博

中国设备工程 2018年16期

张俊岭，郭一川，郭海春，周学超，王博

（渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280）

随着技术的进步，PDC钻头在石油天然气钻探领域的应用范围正不断扩大，成为不可替代的钻井工具之一。胎体PDC钻头，由于制造工艺简单灵活，并且耐磨、耐冲蚀性好，在钻井应用中占有很大比例。胎体PDC钻头的结构形式主要以刀翼式结构为主，在钻进过程中，冠部既要承受岩石的磨损和泥浆的冲蚀作用，同时刀翼还要承受钻压和扭转、冲击的联合作用，工作受力条件非常苛刻，因此钻头胎体必须有良好的综合机械性能，即要有良好的硬度、耐磨性，以及足够的强度和冲击韧性。

钻头胎体性能，不仅与胎体材料成分有关，还取决于钻头制造工艺，如烧结工艺、冷却方式以及后处理等工艺措施。本文主要探讨冷却方式对胎体性能的影响。

1 胎体PDC钻头的工艺特点

胎体PDC钻头是采用无压浸渍工艺生产的：将骨架粉料放入成型模具中，加入低熔点的粘结合金，在高温下，粘结合金熔化并浸渍渗入到骨架粉料的孔隙中，冷却凝固后将骨架粉固结而成胎体。

从粘接合金的熔化、浸渍充满整个成型模具，到出炉冷却的过程，接近于铸造过程，但也与铸造有所不同。

（1）高温停留时间不同。在无压浸渍工艺中，粘接合金在高温下逐渐熔化、浸入到骨架粉的间隙中，并充满整个模具，在高温时间阶段较长（2～5小时）；铸造工艺中，是将熔融状态的金属液浇注到模具中，金属液很快凝固，高温时间停留很短（几分钟）。

（2）金属的凝固条件不同。在铸造工艺中，金属液在模具中是自由凝固的，凝固过程中没有其它阻碍；而无压浸渍工艺中，由于骨架粉粘的存在，粘结合金的凝固要受到限制。

无压浸渍工艺类似但不同于粉末冶金烧结工艺和铸造工艺，介于两种工艺之间，更接近于铸造工艺。因此可以用铸造工艺方面的原理，来分析研究钻头合金的凝固过程。

2 胎体PDC钻头的出炉冷却方式

粘接合金（铜合金）经高温熔化、并通过骨架粉的间隙充满整个模具，出炉冷后，温度降低，当温度降低到液相线至固相线温度时，粘接金属从液态向固态转变，这就是钻头合金的凝固。

在凝固过程中，钻头体内部常会出现各种铸造缺陷，如缩孔、气孔、偏析等。应针对胎体PDC钻头无压浸渍过程中粘接合金的凝固特点，采取相应的措施控制，控制其凝固过程，以获得优质的胎体。

胎体PDC钻头用的粘接合金（铜合金），结晶温度范围较小，其凝固方式是逐层凝固的，缩孔出现在最后凝固的部位。根据钻头的工作特点，应控制合金凝固过程，使其按照定向凝固（顺序凝固）的原则凝固，使缺陷集中在不重要部位，是提高胎体性能的重要措施。钻头烧结出炉后的冷却方式，直接决定合金的凝固过程和组织，影响胎体最终的机械性能。有三种冷却方式。

2.1 空冷

如图1，通常的冷却方式是空冷，即：钻头模具出炉后，直接推至冷却平台上自然冷却。冷却速度较慢（2～4小时左右），周围的合金先凝固，而心部的合金最后凝固，钻头冠体心部容易出现如缩孔、气孔等缺陷，影响胎体的质量性能。

图1

2.2 缓冷

如图2，出炉后，给钻头模具罩上保温罩，只留出模具底部，逐渐冷却。冷却速度比空冷慢（3～5小时左右）。粘接合金大体是按照从下往上的顺序凝固，即：底部的合金最先凝固，上部漏斗部分的合金最后凝固，后凝固的合金对先凝固的合金进行补缩，这样缺陷基本上是出现在钻头上部无用部位（加工时车掉），而不出现在钻头冠体心部。

图2

但是，缓冷方式时，冷却速度慢，胎体晶粒组织较大、硬度低。显然，空冷和缓冷都不是最佳的冷却方式。

2.3 强制冷却

如图3，出炉后，罩上保温罩，在模具底部用循环水进行冷却。冷却速度快（0.5～1小时左右）。粘接合金从底部开始，逐层向上凝固，促使气体夹渣排到最上部，上部合金对下部合金的补缩作用强，这样就可以完全保证粘接合金定向凝固；在凝固过程中，形成由上向下的推力作用。实验表明，和空冷、缓冷比，约有多出2%的合金补缩到钻头冠体下部，因此胎体更加致密，强度、硬度更高。