关于PDC钻头低温氮、磁化综合处理的试验研究

汤凤林 ， 沈中华， 段隆臣， 彭 莉， Чихоткин В.Ф.

(1.中国地质大学〈武汉〉，湖北 武汉 430074； 2.无锡钻探工具厂有限公司，江苏 无锡 214174)

0 引言

20世纪80年代，PDC研制成功，进入钻井领域，并从石油钻井很快地打进了地质钻探工程。此后，复合片钻头(又称PDC钻头)研究日趋成熟，钻进工艺日臻完善，引起了钻探界的高度重视。复合片钻头的特点是属于切削剪切型钻头，适用的地层范围比较宽，切削具的出刃比较大，钻进效率高，耐冲击性能好，复合片耐磨性能好，钻头寿命长，可以取得很好的技术经济指标，因此，得到了国际钻探界的认可[1-10]。

但是，PDC钻头在可钻性7～8级岩石，特别是在软硬互层、裂隙互层和研磨性地层中钻进时，机械钻速降低、钻头寿命缩短，直接影响了这种钻头的技术经济指标和推广使用。因此，如何提高钻头的使用性能，即提高钻头的强度(硬度)和耐磨性，以便在上述地层中钻进时发挥PDC钻头的优势，是个很迫切的问题。俄罗斯南方国立技术大学石油天然气钻井和地球物理教研室的教授们对此进行了深入的研究，提出了按所用能源类型进行分类的提高钻头性能的分类图(见图1)[7]。

图1 按所用能源类型以提高钻头性能的分类Fig.1 Classification chart for improving bit performanceaccording to the type of energy used

从图1可知，提高钻头使用性能的方法很多，但是俄罗斯钻探人员经过分析研究讨论认为，其中的钻头恒低温、磁化综合处理方法是一种比较好的方法[7-21]。

1 恒低温、磁化综合处理方法

这种方法系指把室内20 ℃左右的试验用钻头放入-196 ℃的低温液态氮中，经过15 min，取出后恢复到20 ℃，然后在3200～4000奥斯特(磁场强度单位，1奥斯特=79.6 A/m)的永久磁铁磁场中对其进行磁化处理15 min，取出后供研究和钻探使用。

此综合方法亦可称之为低温淬火、磁化回火的处理方法。

1.1 低温处理

1.1.1 低温处理装置

设计出了低温处理装置(见图2)[7]。这种装置包括：低温液态氮容器4，提升装置2，工作台3和运输用液态氮罐6。低温液态氮容器4容积为0.1 m3，用双层钢板制成，中间隔热材料为松孔塑料。通过隔热软管7从液态氮罐6向低温液态氮容器4供给液态氮。处理结束后，剩下的液态氮通过软管8流入放出池9。利用运输用液态氮罐ЦТК-5/0.25或容积为25～50 L的液态氮罐(见图3)把液态氮运往处理钻头地点。

1.1.2 低温处理工艺

把拟处理的钻头用水溶液或石油溶液清洗去污，水溶液的温度应该不低于50 ℃。清洗去污后烘干。清洗去污后的钻头，安装在钻头架上，钻头的温度应该不高于周围的温度。从容积50 dm3的ACД-50型液态氮罐中注入液态氮，不少于液态氮罐体积的70%。在液态氮罐内壁冷却(液态氮停止沸腾)后，把钻头下入低温液态氮容器内，进行冷却处理。把液态氮加到完全盖过钻头为止，然后用隔热盖子盖上恒低温液态氮罐。在液态氮停止强烈沸腾后，处理钻头10～15min。此时，钻头应该全被液态氮覆盖。必要时，可以向低温液态氮罐再加注液态氮。把被处理的钻头用提升装置提出来，使其温度升到周围环境的温度，然后安放到工作台上，把钻头卸下来以供下一步分析或钻探使用。如果低温液态氮罐中的液态氮含氧量≯30%，可以继续使用。

1-电葫芦横梁；2-电葫芦(提升装置)；3-工作台；4-低温液态氮容器；5-链条；6-运输用液态氮罐ЦТК-5/0.25；7、8-压入隔热软管和放出隔热软管；9-放出池

图2低温处理钻头的装置示意
Fig.2Deviceofcryogenictreatmentbit

图3 液态氮容器罐Fig.3 Liquid nitrogen tank

1.1.3 恒低温处理结果

经过低温处理后，由于WC和Co的热膨胀系数不同，钴或其它粘结剂在碳化物包裹体边界上的塑性变形形成表面硬化，使硬合金和复合材料的细粒结晶结构发生变化，在钻头表面上形成一个高硬度、高耐磨性、高抗腐蚀性、高接触韧性和高抗弯疲劳强度的硬化层。同时，已经确定，在此情况下没有发现金刚石层有脱离现象，钎焊层也保持完好(见图4)[7]。

低温处理产生的热(冷)冲击给钻头材料应力状态带来的变化，主要是因为形成了压应力。由于有压应力存在，复合片在嵌镶窝中的固定，不仅是由于其连接力，而且周围金属的压持力也起了作用，所以这也是钻头进尺提高的一个因素。

图4 液态氮处理后的钻头Fig.4 The bit treated with liquid nitrogen

1.2 磁化处理

图5是钻头在磁场强度为320 kA/m的永久磁铁中进行磁化的示意图[7]。钻头上有4个永久磁铁，每转一圈有两次磁化(充磁和去磁)过程。磁化过程中，电动力学的力将使钻头结构晶体更加密集有序，降低了其内应力，使其结构变得最优，犹如经受了“螺旋式压缩”。这是由于钻头在磁场中移动时，在磁场方向上循环的微电子产生的磁矩呈定向排列所致。

图5 钻头磁化(充磁、去磁)示意Fig.5 Bit magnetization (magnetization and demagnetization)

建立了试验台。用回转的磁场处理钻头用的试验台见图6，图7为在试验台上安装的钻头。

1-支座；2-导向杆；3-活动横梁；4-带螺杆的不动横梁；5-钻头给进螺杆；6-把钻头安装在试验台上用的带有螺纹的套；7-钻头；8-N和S磁铁；9-把磁铁移动到不同直径钻头用螺杆；10-转动的工作台；11-工作台驱动装置

图6用回转的磁场处理钻头用试验台
Fig.6Test-bedforthebitmanagedwithrotarymagneticfield

图7 在试验台上安装的钻头Fig.7 The bit installed on the test-bed

1.3 综合处理结果

1.3.1 钻头硬度测量结果

永久磁铁60 r/min回转，磁化处理15 min条件下得到的钻头硬度(钻头体合金钢ХГСА：1.5%Cr，97.9%Fe，0.3%～0.6%C；钎焊层ПСР-45：45%Ag,31%Cu，20%Zn，4%Pb)试验结果见表1。

从表1可见，经过综合处理后，钻头体、复合片底座和钎焊层的硬度分别提高了30%、3%和22%，而金刚石层的硬度没有变化。测量是在俄罗斯南方国立技术大学的纳米技术和新材料测试中心用洛氏硬度计测得的。值得注意的是，当重复磁化，即充磁、去磁超过60个循环以上时，钻头硬度不再增大，这一点值得进一步研究。

表1 低温、磁化综合处理前、后测量的钻头硬度结果Table 1 Hardness measured before and after cryogenic and magnetization treatment

1.3.2 钎焊层的X射线结构分析

钎焊层X射线结构分析是用扫描电子显微镜QUANTA-200进行的。为此，准备了专门样品，即从钻头上切割下来一块带有PDC的扇形块(见图8)，在室温下置入低温液态氮15 min，提出来，室内停留15 min，下入强度为320 kA/m的磁场中进行磁化处理。取出后，进行测量分析[7]。

1-复合片；2-钎焊层ПСР-45；3-钻头体(ХГСА合金钢)

图8 X射线分析结构用的钻头扇形块
Fig.8DrillsectorblockforstructuralanalysisbyX-ray

用QUANTA电子显微镜对钎焊层X射线结构分析结果表明，采用低温、磁化综合方法时，合金中的微裂隙成长速度降低了，似乎微裂隙发生“磁渗碳”了，所以复合片在钻头体上固定的质量提高了。

1.4 钻头对比试验钻进结果

对综合处理和未经液态氮处理钻头进行了钻进对比试验。

选取了4对钻头，其中一半是综合处理，即经过低温液态氮处理(15 min)和磁化综合处理的钻头，另一半是未经低温液态氮处理，仅单纯进行磁化处理的钻头，在野外条件下，对可钻性8级岩石进行了钻进试验，结果见表2[7]。

从表2可见，综合处理的钻头与单纯磁化处理钻头相比，钻头进尺提高了近70%，机械钻速提高了38%，可见综合处理的效果要比单一磁化处理的效果好得多。

表2 钻头对比试验结果对比Table 2 Bit contrast test results

对经过低温液态氮综合处理的和未经处理的钻头进行了野外钻进对比试验。试验是用直径112 mm钻头、钻进可钻性7级砂岩、400 m深度时进行的。所用钻机是СКБ-4型，水泵是НБ-32型和低固相聚合物冲洗液。钻头对比试验结果见表3[7]。

表3表明，经过低温液态氮和磁化(磁场强度为4000奥斯特)综合处理与未经综合处理的钻头相比，由于钻头体、钎焊层、碳化钨底座和金刚石层结晶结构发生了变化，所以提高了移位的密度和钻头的硬度和耐磨性，总体上使钻头进尺提高了22.2%，说明这种综合处理方法是非常有效的[7-21]。

表3 处理后的钻头和未经处理的钻头对比钻进试验结果Table 3 Test results of cryogenic liquid nitrogen treated bit and untreated bit

2 分析与讨论

(1)PDC钻头在可钻性7～8级岩石，特别是在软硬互层、裂隙互层和研磨性地层中钻进时，机械钻速降低、钻头寿命缩短，直接影响了这种钻头的技术经济指标和推广使用。俄罗斯南方国立技术大学石油天然气钻井和地球物理教研室的教授们对此进行了深入的研究，提出了按所用能源类型进行分类的提高钻头性能的分类图。在这个分类图中，很有前景并正在进行研究的是对钻头进行低温液态氮处理、磁化处理的综合处理方法。

(2)钻头低温液态氮处理方法的机理是：经过低温处理后，由于WC和Co的热膨胀系数不同，钴或其它粘结剂在碳化物包裹体边界的塑性变形形成表面硬化，使硬合金和复合材料的细粒结晶结构发生变化，在钻头表面上形成一个高硬度、高耐磨性、高抗腐蚀性、高接触韧性和高抗弯疲劳强度的硬化层。同时，在此情况下没有发现金刚石层有脱层的现象，钎焊层也保持完好。

(3)钻头磁化处理的机理是：钻头上有4个永久磁铁，每转一圈有两次磁化(充磁和去磁)过程。磁化过程中，电动力学的力将使钻头结构晶体更加密集有序，降低了其内应力，使其结构变得最优，犹如经受了“螺旋式压缩”。这是由于钻头在磁场中移动时，在磁场方向上循环的微电子产生的磁矩呈定向排列所致，因而钻头强度(硬度)和耐磨性提高了。

(4)虽然低温液态氮处理和磁化处理钻头都可以提高钻头的性能(硬度和耐磨性)，但是把这两个处理方法综合进行效果更好，可以得到更好地提高钻头的使用性能，提高了钻头的机械钻速和进尺，解决了复合片钻头钻进复杂地层遇到的难题，有利于复合片钻头的发展和进一步推广使用。俄罗斯南方国立技术大学石油天然气钻井和地球物理教研室专家进行的实验室和野外生产试验结果证实了这一点[7-21]。