宋康頓，郭龍飛

(中國地質大學工程學院，湖北武漢 430074)

0 前言

隨著油氣勘探開發(fā)工作的不斷深入，各油田PDC鉆頭使用量逐年增多，同時因PDC鉆頭胎體的質量問題引起的鉆井事故在國內外都很普遍［1］。一旦發(fā)生鉆井事故，輕者耗費大量人力、物力、財力和時間，還會影響工程質量;重者導致鉆井工程報廢、設備損壞、環(huán)境污染、貽誤油氣開發(fā)時機，甚至造成人員傷亡。在鉆探行業(yè)已有完善的PDC鉆頭的質量標準和規(guī)范，但鉆具失效事故還是得不到有效的控制［2］。

PDC鉆頭采用無壓浸漬法制造過程中，直接決定PDC鉆頭胎體性能的關鍵因素是胎體粉末的配料和燒結浸漬工藝。目前在PDC鉆頭性能研究方面，國內外對金剛石鉆頭的研究多集中于胎體配方上，且配方研究已經(jīng)較為成熟［3］。也有大量對影響PDC鉆頭力學性能的主要幾何參數(shù)的理論研究［4］，且更側重于鉆頭實際鉆進碎巖效果的研究，而對PDC鉆頭燒浸漬結工藝研究較少。國內的PDC鉆頭的燒結工藝參數(shù)是由國外引進，由于國外對中國實行技術封鎖，國內生產廠家只知道生產工藝參數(shù)，并不知道為什么要按照這樣的參數(shù)生產。具體生產過程中只能用經(jīng)驗值進行生產，并沒有統(tǒng)一的標準或者規(guī)定。這樣生產出來的PDC鉆頭并不能保證其性能達到最佳，而且產品質量也不穩(wěn)定。因此，對PDC鉆頭胎體的浸漬工藝進行評定顯得勢在必行。

1 PDC鉆頭浸漬工藝性能評定試驗

1．1 浸漬工藝性能評定試驗試樣制作

PDC鉆頭胎體浸漬工藝的主要流程為鉆頭參數(shù)確定→骨架與粘結劑壓制成型、模具與鋼體制造→組裝燒結→檢驗凈化處理→復合片焊接。PDC鉆頭試樣統(tǒng)一燒結為壓力p=83 kN，采用四組燒結溫度(1 050℃、1 100℃、1 150℃、1 180℃)，每組燒結溫度下采用4組保溫時間(80、85、90、95 min)分別燒結制造4個PDC鉆頭試樣，然后根據(jù)PDC鉆頭實際工作受力情況選取取樣部位。試樣采用線切割方法避免了因模具制造試樣造成的尺寸差異與表面處理帶來的影響。具體燒結方案如表1所示。

表1 PDC鉆頭胎體試樣具體燒結方案

1．2 浸漬工藝性能評定試驗方案

PDC鉆頭胎體性能參數(shù)主要包括抗彎強度、抗壓強度、抗拉強度、耐磨性、硬度、沖擊韌性、紅硬性、金相檢驗或掃面電鏡分析等。根據(jù)工程學院斷裂與疲勞實驗室現(xiàn)有的實驗設備，該次試驗主要進行胎體表面硬度、沖擊韌性、抗彎強度的測試試驗，并在低倍鏡下進行胎體材料組織均勻性與完整性觀察。

1．2．1 硬度試驗

胎體硬度是鉆頭胎體主要性能指標之一，嚴格的說應該以胎體的腐蝕性作為胎體性能的主要指標為宜，但由于胎體的硬度指標在某些特定的條件下(如胎體配方相同的條件下，硬度越高胎體的耐磨性及抗沖蝕性也越高)與胎體的耐磨性、抗沖蝕性一致。并且鉆頭胎體的耐磨性，目前國內外尚無統(tǒng)一測定的方法，只能用比較容易測定的絡氏硬度HRC來表示鉆頭胎體性能。試樣硬度的測定按照標準金屬絡氏硬度試驗在HR-150A型洛氏硬度計硬度計上進行［5］。硬度試樣在測定前需要在金相預磨機上進行預磨，圓柱體的兩面都要平整光滑，不能有毛刺或者凹坑，否則無法準確測試硬度值。

1．2．2 沖擊韌性試驗

沖擊韌度反映材料裂紋形成和擴展過程所消耗的總能量。鉆頭在鉆進過程中隨縱向震動和橫向抖動的頻繁沖擊;在提下鉆過程承受孔壁的瞬時撞擊;在掃脫落巖心中受滾動沖擊;在沖擊回轉鉆進中鉆頭又承受一種周期性的高頻沖擊，在上述多種沖擊載荷的作用下，要想工作齒不出現(xiàn)裂紋、掉塊等現(xiàn)象，胎體的抗沖擊韌性指標顯得更為重要。沖擊試樣取樣部位如圖1所示，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，U型缺口深度為2 mm。依據(jù)試驗標準進行夏比擺錘沖擊試驗［6］。

圖1 胎體沖擊試樣取樣部位示意圖

1．2．3 抗彎強度試驗

抗彎強度表征合金的本征強度與結構缺陷控制水平?？箯潖姸仍囼炇菧y定胎體材料在靜彎曲負荷作用下折斷時的材料性能，它與胎體材料的強度和韌性有關。對于屬脆性的鉆頭胎體材料在彎曲時無明顯塑性，最大彎曲應力容易測得，將胎體合金試樣置于兩支點上，在其中點處加一集中載荷，直至斷裂，單位面積上所受的力即為抗彎強度，該數(shù)值愈大反映胎體的強度高，韌性大。胎體抗彎性能由胎體成分和燒結工藝所決定，并以胎體的成分設計為主。胎體抗彎強度應保證胎體不發(fā)生碎裂，胎體與鋼體有足夠的連接強度。

具體試驗方案:取樣部位如圖2所示，試樣尺寸為20 mm×24 mm×110 mm。具體試驗方法是采用三點彎試驗方法［7］，在試驗機上進行，選用的負荷標度盤最小刻度值不大于胎體斷裂負荷的1%，采用三點彎曲(橫向面彎)試驗裝置。

1．2．4 金相顯微組織試驗

掃描電鏡(Seanning Eleetron MicroSeopy)可用于觀察樣品的形貌、斷口，也可以分析樣品的成分，本次試驗主要利用掃描電鏡觀察試樣的斷口，分析樣品的組織的均勻性與完整性，從而比較各種燒結工藝的優(yōu)劣。斷口分析的試樣選用沖擊試驗斷裂后的試樣，采用金相試樣切割機和金相試樣拋光機處理試樣。

圖2 鉆頭體抗彎試樣取樣部位示意圖

2 試驗結果分析與評定

2．1 硬度測試結果及分析

胎體硬度的測試結果見表2，根據(jù)測試結果做出溫度參數(shù)下平均硬度的變化趨勢圖3，從而分析燒結溫度與保溫時間的變化對胎體硬度的影響。如圖3所示，從不同燒結溫度、保溫時間的試樣平均硬度折線圖可看出在燒結溫度為1 150℃和1 180℃、保溫時間為90 min時，胎體試樣的平均硬度值最高為HRC 50．67，燒結溫度對胎體硬度的影響比較明顯。

表2 硬度測試結果

圖3 不同燒結溫度、保溫時間的試樣平均硬度折線圖

2．2 沖擊韌性測試結果及分析

表3為胎體沖擊韌性的測試結果，根據(jù)測試結果做出溫度參數(shù)下平均斷裂韌性的變化趨勢圖，從而分析燒結溫度與保溫時間的變化對胎體沖擊韌性的影響。

表3 沖擊韌性測試結果

圖4 不同燒結溫度、保溫時間的試樣平均沖擊韌性折線圖

從不同燒結溫度、保溫時間的平均沖擊韌性折線圖4可看出在燒結溫度為1 180℃、保溫時間為95 min時，胎體試樣的平均抗沖擊韌性值最高，燒結溫度對胎體沖擊韌性的影響較保溫時間的影響更加明顯。

2．3 抗彎強度測試結果及分析

抗彎強度試驗采用三點彎曲法，試驗設備為電液伺服材料試驗機INSTRON 1251。表4為胎體的抗彎強度測試結果，根據(jù)測試結果做出溫度參數(shù)下平均抗彎強度的變化趨勢圖5，從而分析燒結溫度與保溫時間的變化對胎體抗彎強度的影響。

表4 抗彎強度測試結果

圖5 不同燒結溫度、保溫時間的平均抗彎強度折線圖

從不同燒結溫度、保溫時間的平均抗彎強度折線圖5可看出在燒結溫度為1 180℃、保溫時間為95 min時，胎體試樣的平均抗彎強度值最高，燒結溫度對胎體抗彎強度的影響較保溫時間的影響更加明顯。

2．4 金相顯微組織測試結果及分析

2．5 性能評定

根據(jù)測試結果，綜合胎體試樣的硬度、沖擊韌性、抗彎強度和組織結構情況，得出在燒結溫度為1 180℃和保溫時間為95 min時胎體試樣的各項測試結果均達到最優(yōu)，其具體力學性能參數(shù)為平均硬度HRC 47．33，平均沖擊韌性9．20 J，平均抗彎強度593．33 MPa，其顯微組織均勻，結構完整。

參照《SY/T5217-2000金剛石鉆頭及金剛石取心鉆頭》等標準，標準規(guī)定鉆頭體材料的硬度不得低于HRC 38，抗彎強度不得低于530 MPa，抗沖擊韌性不得低于2 J。對比燒結溫度為1 180℃和保溫時間為95 min時胎體試樣的、硬度、抗彎強度、沖擊韌性、組織均勻性與完整性均符合標準要求。

3 結論

PDC鉆頭采用燒結溫度為1 180℃、保溫時間為95 min的浸漬工藝制造是最合理的，其硬度值、沖擊韌性值、抗彎強度均達到標準，胎體的組織沒有疏松、裂紋等缺陷，胎體浸漬飽滿到位，利于切削齒的包鑲。

［1］Sweet R G．Case History of Drillstem Failures Offshore West Africa［C］．SPE Drilling Engineering，18653，March 2010．

［2］李俊波，趙勝英．陜北富縣探區(qū)鉆具失效分析和預防措施［J］．石油鉆采工藝，2002，23(6):24-28．

［3］潘薇，楊曉楓，陳亦工，等．金剛石制品熱壓燒結設備的研制及發(fā)展［C］//第八屆全國超硬材料與制品研討會，2000:36-39．

［4］李大佛，屠厚澤，李天明，等．金剛石、PDC鉆頭與工藝學［M］．北京:地質出版社，2008:291-293．

［5］中華人民共和國國家質量技術監(jiān)督局．GBT 231．1-2009金屬材料布氏硬度試驗第1部分:試驗方法［S］．北京:中國標準出版社，2009．

［6］中華人民共和國國家質量技術監(jiān)督局．GB/T229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法［S］．北京:中國標準出版社，2007

［7］中華人民共和國國家質量技術監(jiān)督局．GB/T232-1999．金屬材料彎曲試驗方法［S］．北京:中國標準出版社，1999．