湯鳳林 ， 沈中華， 段隆臣， 彭 莉， Чихоткин В.Ф.

(1.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074； 2.無錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無錫 214174)

0 引言

20世紀(jì)80年代，PDC研制成功，進(jìn)入鉆井領(lǐng)域，并從石油鉆井很快地打進(jìn)了地質(zhì)鉆探工程。此后，復(fù)合片鉆頭(又稱PDC鉆頭)研究日趨成熟，鉆進(jìn)工藝日臻完善，引起了鉆探界的高度重視。復(fù)合片鉆頭的特點(diǎn)是屬于切削剪切型鉆頭，適用的地層范圍比較寬，切削具的出刃比較大，鉆進(jìn)效率高，耐沖擊性能好，復(fù)合片耐磨性能好，鉆頭壽命長，可以取得很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因此，得到了國際鉆探界的認(rèn)可[1-10]。

但是，PDC鉆頭在可鉆性7～8級巖石，特別是在軟硬互層、裂隙互層和研磨性地層中鉆進(jìn)時(shí)，機(jī)械鉆速降低、鉆頭壽命縮短，直接影響了這種鉆頭的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和推廣使用。因此，如何提高鉆頭的使用性能，即提高鉆頭的強(qiáng)度(硬度)和耐磨性，以便在上述地層中鉆進(jìn)時(shí)發(fā)揮PDC鉆頭的優(yōu)勢，是個(gè)很迫切的問題。俄羅斯南方國立技術(shù)大學(xué)石油天然氣鉆井和地球物理教研室的教授們對此進(jìn)行了深入的研究，提出了按所用能源類型進(jìn)行分類的提高鉆頭性能的分類圖(見圖1)[7]。

圖1 按所用能源類型以提高鉆頭性能的分類Fig.1 Classification chart for improving bit performanceaccording to the type of energy used

從圖1可知，提高鉆頭使用性能的方法很多，但是俄羅斯鉆探人員經(jīng)過分析研究討論認(rèn)為，其中的鉆頭恒低溫、磁化綜合處理方法是一種比較好的方法[7-21]。

1 恒低溫、磁化綜合處理方法

這種方法系指把室內(nèi)20 ℃左右的試驗(yàn)用鉆頭放入-196 ℃的低溫液態(tài)氮中，經(jīng)過15 min，取出后恢復(fù)到20 ℃，然后在3200～4000奧斯特(磁場強(qiáng)度單位，1奧斯特=79.6 A/m)的永久磁鐵磁場中對其進(jìn)行磁化處理15 min，取出后供研究和鉆探使用。

此綜合方法亦可稱之為低溫淬火、磁化回火的處理方法。

1.1 低溫處理

1.1.1 低溫處理裝置

設(shè)計(jì)出了低溫處理裝置(見圖2)[7]。這種裝置包括：低溫液態(tài)氮容器4，提升裝置2，工作臺3和運(yùn)輸用液態(tài)氮罐6。低溫液態(tài)氮容器4容積為0.1 m3，用雙層鋼板制成，中間隔熱材料為松孔塑料。通過隔熱軟管7從液態(tài)氮罐6向低溫液態(tài)氮容器4供給液態(tài)氮。處理結(jié)束后，剩下的液態(tài)氮通過軟管8流入放出池9。利用運(yùn)輸用液態(tài)氮罐ЦТК-5/0.25或容積為25～50 L的液態(tài)氮罐(見圖3)把液態(tài)氮運(yùn)往處理鉆頭地點(diǎn)。

1.1.2 低溫處理工藝

把擬處理的鉆頭用水溶液或石油溶液清洗去污，水溶液的溫度應(yīng)該不低于50 ℃。清洗去污后烘干。清洗去污后的鉆頭，安裝在鉆頭架上，鉆頭的溫度應(yīng)該不高于周圍的溫度。從容積50 dm3的ACД-50型液態(tài)氮罐中注入液態(tài)氮，不少于液態(tài)氮罐體積的70%。在液態(tài)氮罐內(nèi)壁冷卻(液態(tài)氮停止沸騰)后，把鉆頭下入低溫液態(tài)氮容器內(nèi)，進(jìn)行冷卻處理。把液態(tài)氮加到完全蓋過鉆頭為止，然后用隔熱蓋子蓋上恒低溫液態(tài)氮罐。在液態(tài)氮停止強(qiáng)烈沸騰后，處理鉆頭10～15min。此時(shí)，鉆頭應(yīng)該全被液態(tài)氮覆蓋。必要時(shí)，可以向低溫液態(tài)氮罐再加注液態(tài)氮。把被處理的鉆頭用提升裝置提出來，使其溫度升到周圍環(huán)境的溫度，然后安放到工作臺上，把鉆頭卸下來以供下一步分析或鉆探使用。如果低溫液態(tài)氮罐中的液態(tài)氮含氧量≯30%，可以繼續(xù)使用。

1-電葫蘆橫梁；2-電葫蘆(提升裝置)；3-工作臺；4-低溫液態(tài)氮容器；5-鏈條；6-運(yùn)輸用液態(tài)氮罐ЦТК-5/0.25；7、8-壓入隔熱軟管和放出隔熱軟管；9-放出池

圖2低溫處理鉆頭的裝置示意
Fig.2Deviceofcryogenictreatmentbit

圖3 液態(tài)氮容器罐Fig.3 Liquid nitrogen tank

1.1.3 恒低溫處理結(jié)果

經(jīng)過低溫處理后，由于WC和Co的熱膨脹系數(shù)不同，鈷或其它粘結(jié)劑在碳化物包裹體邊界上的塑性變形形成表面硬化，使硬合金和復(fù)合材料的細(xì)粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在鉆頭表面上形成一個(gè)高硬度、高耐磨性、高抗腐蝕性、高接觸韌性和高抗彎疲勞強(qiáng)度的硬化層。同時(shí)，已經(jīng)確定，在此情況下沒有發(fā)現(xiàn)金剛石層有脫離現(xiàn)象，釬焊層也保持完好(見圖4)[7]。

低溫處理產(chǎn)生的熱(冷)沖擊給鉆頭材料應(yīng)力狀態(tài)帶來的變化，主要是因?yàn)樾纬闪藟簯?yīng)力。由于有壓應(yīng)力存在，復(fù)合片在嵌鑲窩中的固定，不僅是由于其連接力，而且周圍金屬的壓持力也起了作用，所以這也是鉆頭進(jìn)尺提高的一個(gè)因素。

圖4 液態(tài)氮處理后的鉆頭Fig.4 The bit treated with liquid nitrogen

1.2 磁化處理

圖5是鉆頭在磁場強(qiáng)度為320 kA/m的永久磁鐵中進(jìn)行磁化的示意圖[7]。鉆頭上有4個(gè)永久磁鐵，每轉(zhuǎn)一圈有兩次磁化(充磁和去磁)過程。磁化過程中，電動力學(xué)的力將使鉆頭結(jié)構(gòu)晶體更加密集有序，降低了其內(nèi)應(yīng)力，使其結(jié)構(gòu)變得最優(yōu)，猶如經(jīng)受了“螺旋式壓縮”。這是由于鉆頭在磁場中移動時(shí)，在磁場方向上循環(huán)的微電子產(chǎn)生的磁矩呈定向排列所致。

圖5 鉆頭磁化(充磁、去磁)示意Fig.5 Bit magnetization (magnetization and demagnetization)

建立了試驗(yàn)臺。用回轉(zhuǎn)的磁場處理鉆頭用的試驗(yàn)臺見圖6，圖7為在試驗(yàn)臺上安裝的鉆頭。

1-支座；2-導(dǎo)向桿；3-活動橫梁；4-帶螺桿的不動橫梁；5-鉆頭給進(jìn)螺桿；6-把鉆頭安裝在試驗(yàn)臺上用的帶有螺紋的套；7-鉆頭；8-N和S磁鐵；9-把磁鐵移動到不同直徑鉆頭用螺桿；10-轉(zhuǎn)動的工作臺；11-工作臺驅(qū)動裝置

圖6用回轉(zhuǎn)的磁場處理鉆頭用試驗(yàn)臺
Fig.6Test-bedforthebitmanagedwithrotarymagneticfield

圖7 在試驗(yàn)臺上安裝的鉆頭Fig.7 The bit installed on the test-bed

1.3 綜合處理結(jié)果

1.3.1 鉆頭硬度測量結(jié)果

永久磁鐵60 r/min回轉(zhuǎn)，磁化處理15 min條件下得到的鉆頭硬度(鉆頭體合金鋼ХГС?。?.5%Cr，97.9%Fe，0.3%～0.6%C；釬焊層ПСР-45：45%Ag,31%Cu，20%Zn，4%Pb)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

從表1可見，經(jīng)過綜合處理后，鉆頭體、復(fù)合片底座和釬焊層的硬度分別提高了30%、3%和22%，而金剛石層的硬度沒有變化。測量是在俄羅斯南方國立技術(shù)大學(xué)的納米技術(shù)和新材料測試中心用洛氏硬度計(jì)測得的。值得注意的是，當(dāng)重復(fù)磁化，即充磁、去磁超過60個(gè)循環(huán)以上時(shí)，鉆頭硬度不再增大，這一點(diǎn)值得進(jìn)一步研究。

表1 低溫、磁化綜合處理前、后測量的鉆頭硬度結(jié)果Table 1 Hardness measured before and after cryogenic and magnetization treatment

1.3.2 釬焊層的X射線結(jié)構(gòu)分析

釬焊層X射線結(jié)構(gòu)分析是用掃描電子顯微鏡QUANTA-200進(jìn)行的。為此，準(zhǔn)備了專門樣品，即從鉆頭上切割下來一塊帶有PDC的扇形塊(見圖8)，在室溫下置入低溫液態(tài)氮15 min，提出來，室內(nèi)停留15 min，下入強(qiáng)度為320 kA/m的磁場中進(jìn)行磁化處理。取出后，進(jìn)行測量分析[7]。

1-復(fù)合片；2-釬焊層ПСР-45；3-鉆頭體(ХГСА合金鋼)

圖8 X射線分析結(jié)構(gòu)用的鉆頭扇形塊
Fig.8DrillsectorblockforstructuralanalysisbyX-ray

用QUANTA電子顯微鏡對釬焊層X射線結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，采用低溫、磁化綜合方法時(shí)，合金中的微裂隙成長速度降低了，似乎微裂隙發(fā)生“磁滲碳”了，所以復(fù)合片在鉆頭體上固定的質(zhì)量提高了。

1.4 鉆頭對比試驗(yàn)鉆進(jìn)結(jié)果

對綜合處理和未經(jīng)液態(tài)氮處理鉆頭進(jìn)行了鉆進(jìn)對比試驗(yàn)。

選取了4對鉆頭，其中一半是綜合處理，即經(jīng)過低溫液態(tài)氮處理(15 min)和磁化綜合處理的鉆頭，另一半是未經(jīng)低溫液態(tài)氮處理，僅單純進(jìn)行磁化處理的鉆頭，在野外條件下，對可鉆性8級巖石進(jìn)行了鉆進(jìn)試驗(yàn)，結(jié)果見表2[7]。

從表2可見，綜合處理的鉆頭與單純磁化處理鉆頭相比，鉆頭進(jìn)尺提高了近70%，機(jī)械鉆速提高了38%，可見綜合處理的效果要比單一磁化處理的效果好得多。

表2 鉆頭對比試驗(yàn)結(jié)果對比Table 2 Bit contrast test results

對經(jīng)過低溫液態(tài)氮綜合處理的和未經(jīng)處理的鉆頭進(jìn)行了野外鉆進(jìn)對比試驗(yàn)。試驗(yàn)是用直徑112 mm鉆頭、鉆進(jìn)可鉆性7級砂巖、400 m深度時(shí)進(jìn)行的。所用鉆機(jī)是СКБ-4型，水泵是НБ-32型和低固相聚合物沖洗液。鉆頭對比試驗(yàn)結(jié)果見表3[7]。

表3表明，經(jīng)過低溫液態(tài)氮和磁化(磁場強(qiáng)度為4000奧斯特)綜合處理與未經(jīng)綜合處理的鉆頭相比，由于鉆頭體、釬焊層、碳化鎢底座和金剛石層結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，所以提高了移位的密度和鉆頭的硬度和耐磨性，總體上使鉆頭進(jìn)尺提高了22.2%，說明這種綜合處理方法是非常有效的[7-21]。

表3 處理后的鉆頭和未經(jīng)處理的鉆頭對比鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of cryogenic liquid nitrogen treated bit and untreated bit

2 分析與討論

(1)PDC鉆頭在可鉆性7～8級巖石，特別是在軟硬互層、裂隙互層和研磨性地層中鉆進(jìn)時(shí)，機(jī)械鉆速降低、鉆頭壽命縮短，直接影響了這種鉆頭的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和推廣使用。俄羅斯南方國立技術(shù)大學(xué)石油天然氣鉆井和地球物理教研室的教授們對此進(jìn)行了深入的研究，提出了按所用能源類型進(jìn)行分類的提高鉆頭性能的分類圖。在這個(gè)分類圖中，很有前景并正在進(jìn)行研究的是對鉆頭進(jìn)行低溫液態(tài)氮處理、磁化處理的綜合處理方法。

(2)鉆頭低溫液態(tài)氮處理方法的機(jī)理是：經(jīng)過低溫處理后，由于WC和Co的熱膨脹系數(shù)不同，鈷或其它粘結(jié)劑在碳化物包裹體邊界的塑性變形形成表面硬化，使硬合金和復(fù)合材料的細(xì)粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在鉆頭表面上形成一個(gè)高硬度、高耐磨性、高抗腐蝕性、高接觸韌性和高抗彎疲勞強(qiáng)度的硬化層。同時(shí)，在此情況下沒有發(fā)現(xiàn)金剛石層有脫層的現(xiàn)象，釬焊層也保持完好。

(3)鉆頭磁化處理的機(jī)理是：鉆頭上有4個(gè)永久磁鐵，每轉(zhuǎn)一圈有兩次磁化(充磁和去磁)過程。磁化過程中，電動力學(xué)的力將使鉆頭結(jié)構(gòu)晶體更加密集有序，降低了其內(nèi)應(yīng)力，使其結(jié)構(gòu)變得最優(yōu)，猶如經(jīng)受了“螺旋式壓縮”。這是由于鉆頭在磁場中移動時(shí)，在磁場方向上循環(huán)的微電子產(chǎn)生的磁矩呈定向排列所致，因而鉆頭強(qiáng)度(硬度)和耐磨性提高了。

(4)雖然低溫液態(tài)氮處理和磁化處理鉆頭都可以提高鉆頭的性能(硬度和耐磨性)，但是把這兩個(gè)處理方法綜合進(jìn)行效果更好，可以得到更好地提高鉆頭的使用性能，提高了鉆頭的機(jī)械鉆速和進(jìn)尺，解決了復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)復(fù)雜地層遇到的難題，有利于復(fù)合片鉆頭的發(fā)展和進(jìn)一步推廣使用。俄羅斯南方國立技術(shù)大學(xué)石油天然氣鉆井和地球物理教研室專家進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室和野外生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)[7-21]。