張 濤,盧燦華,朱 培,馬俊彬,宋子衡

(豫西工業(yè)集團(tuán)中南鉆石有限公司，河南 南陽(yáng) 473264)

金剛石復(fù)合片(Polycrystalline Diamomnd Compact，簡(jiǎn)稱PDC)由金剛石層與硬質(zhì)合金層組成，金剛石層內(nèi)金剛石晶粒晶向隨機(jī)分布，克服了金剛石單晶各向異性的特點(diǎn)，被廣泛用于超硬刀具、地質(zhì)勘探、石油和天然氣開(kāi)采等領(lǐng)域[1-4]。PDC常用的燒結(jié)助劑為鈷，在PDC的高壓高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，鈷會(huì)起到一種催化劑的作用，促使金剛石與金剛石的直接結(jié)合并使金剛石層與硬質(zhì)合金成為整體，其結(jié)果就產(chǎn)生了既有高韌性又有優(yōu)良耐磨性的適合于石油鉆探的切削齒[5]。雖然金屬鈷能夠促進(jìn)金剛石在高溫高壓條件下直接合成D-D結(jié)合型PDC，但殘留在金剛石層內(nèi)的鈷會(huì)對(duì)PDC的熱穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。為了提高PDC的熱穩(wěn)定性，通常采取酸融或電解的方法，將金剛石層表面的鈷去除，這樣可以大幅度提高PDC的使用性能。本文采用了模擬切削、落錘沖擊和模擬釬焊的方法測(cè)定了不同脫鈷深度PDC的耐磨性、抗沖擊韌性和耐熱性，研究和探討了不同脫鈷深度對(duì)PDC性能的影響。

1 樣品制備

本次試驗(yàn)使用規(guī)格為Φ15.88×13.2×2同批次的未脫鈷PDC(標(biāo)記為0#PDC)和脫鈷PDC為試驗(yàn)用切削齒，脫鈷PDC采用酸融的方法制備，為了提高脫鈷效率和降低環(huán)境污染，選擇路易斯酸-氯化鐵-鹽酸作為脫鈷試劑；為保證PDC在脫鈷過(guò)程中，硬質(zhì)合金基體不被腐蝕，將其密封在聚四氟乙烯夾具內(nèi)，然后置于脫鈷試劑中浸泡，根據(jù)不同的工藝時(shí)間，制備出四種不同脫鈷深度的PDC，分別標(biāo)記為1#PDC、2#PDC、3#PDC和4#PDC。為了進(jìn)一步確定PDC被脫鈷深度，用電火花線切割將PDC試樣沿直徑方向縱向切開(kāi)，然后在工具磨床上將切割面磨平，再用掃描電子顯微鏡依次對(duì)PDC的金剛石層脫鈷區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，得到1#PDC、2#PDC、3#PDC和4#PDC的金剛石層倒角部位脫鈷深度分別為343μm、467μm、544μm 和705μm，如圖1所示。

圖1 四種不同脫鈷深度PDC掃描電鏡圖Fig.1 PDC SEM(scanning electron microscope) images of four various decobaltizationdepths

2 耐磨性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理及方法

為了模擬研究PDC切削齒與巖層間工作狀態(tài)，擬用PDC在鉆頭體上的安裝角度為切削角，在數(shù)控立式車床上進(jìn)行切削花崗巖試驗(yàn)，試驗(yàn)所用的花崗巖結(jié)構(gòu)均勻，莫氏硬度為6.9級(jí)，可鉆性分級(jí)為6。試驗(yàn)時(shí),轉(zhuǎn)速60r/min，進(jìn)給速度350mm/min，切削深度0.25mm，切削里程12.8km。用三軸全自動(dòng)3D光學(xué)影像測(cè)量復(fù)合儀測(cè)量被磨損部位的長(zhǎng)寬尺寸，計(jì)算出其體積，并以磨損體積作為PDC試樣耐磨性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，磨損體積越小則耐磨性越好。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

分別在室溫冷卻和水冷卻情況下，將0#PDC、1#PDC、2#PDC、3#PDC和4#PDC試樣各進(jìn)行一次磨損試驗(yàn)。得到每種PDC試樣在室溫冷卻和水冷卻情況下的磨損體積，其測(cè)試結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 不同脫鈷深度PDC在室溫冷卻情況下切削花崗巖過(guò)程中磨損體積變化曲線圖Fig.2 Curve diagram of wear volume change during cutting granite by PDC with various decobaltizationdepths at room temperature cooling

圖3 不同脫鈷深度PDC在室溫水冷情況下切削花崗巖過(guò)程中磨損體積變化曲線圖Fig.3 Curve diagram of wear volume change during cutting granite by PDC with various decobaltization depths at room temperature water-cooling

由圖2可以看出，在室溫冷卻情況下，0#PDC、1#PDC、2#PDC、3#PDC和4#PDC的磨損體積分別約為6mm3、3.5mm3、3.1mm3、2.7mm3和2.3mm3脫鈷PDC相較于未脫鈷PDC具有較小的磨損體積，脫鈷層越深則磨損體積越小，說(shuō)明在室溫冷卻的情況下，脫鈷PDC與未脫鈷PDC的耐磨性顯示出明顯區(qū)別，脫鈷PDC相較于未脫鈷PDC具有較好的耐磨性，隨著PDC脫鈷深度的增加，耐磨性則越好。

由圖3可以看出，在室溫水冷卻情況下，0#PDC、1#PDC、2#PDC、3#PDC和4#PDC的磨損體分別為3.5mm3、2.8mm3、2.5mm3、2.3mm3和2.1mm3，脫鈷PDC相較于未脫鈷PDC的磨損體積變化不明顯，隨著脫鈷深度的增加PDC磨損體積呈緩慢減小的趨勢(shì)，說(shuō)明在室溫水冷卻的情況下，脫鈷PDC與未脫鈷PDC耐磨性相比區(qū)別不大，脫鈷層深度對(duì)PDC耐磨性的影響不明顯。

3 抗沖擊韌性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)原理及方法

由于PDC鉆頭的沖擊破壞往往開(kāi)始于金剛石層邊緣，為了能夠?qū)崿F(xiàn)模擬這種PDC鉆頭沖擊破壞，使金剛石層沖擊狀態(tài)單一顯著，本研究采用落錘沖擊的方法，根據(jù)疲勞沖擊法測(cè)試原理，將金剛石復(fù)合片試樣以15°傾角(采用負(fù)鑲角為-15°)夾持在專用夾具上[6]，然后沖錘從一定高度上下落垂直沖擊PDC試樣金剛石層的邊緣倒角部分，下落沖錘的重量和落錘高度的乘積表示PDC試樣所受的沖擊能量，這種能量可從10J、15J逐漸升高到20J，每個(gè)PDC試樣在每種沖擊能量下可被沖擊20次，直到PDC試樣表面出現(xiàn)斷裂為止，并以最終的沖擊次數(shù)(能量)作為PDC試樣抗沖擊性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，沖擊次數(shù)越多則抗沖擊性越好。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

分別在10J、15J和20J的沖擊能量下，將0#PDC、1#PDC、2#PDC、3#PDC和4#PDC試樣各進(jìn)行一次抗沖擊試驗(yàn)，得到每種PDC試樣在每種沖擊能量下的沖擊次數(shù)，其測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，當(dāng)沖擊能量為10J時(shí)，0#PDC、1#PDC、2#PDC、3#PDC和4#PDC試樣的沖擊次數(shù)均達(dá)到了20次，說(shuō)明未脫鈷PDC和脫鈷PDC均有較好的抗沖擊韌性；當(dāng)沖擊能量為15J時(shí)，0#PDC、1#PDC 2#PDC、3#PDC和4#PDC試樣的沖擊次數(shù)分別為20次、18次、17次、16和15次，說(shuō)明脫鈷PDC相較于未脫鈷PDC抗沖擊韌性有所下降，并隨著脫鈷深度的增加PDC抗沖擊韌性能呈緩慢下降趨勢(shì)；當(dāng)沖擊能量為20J時(shí)，0#PDC、1#PDC、2#PDC、3#PDC和4#PDC試樣的沖擊次數(shù)分別為19次、15次、14次、13次和12次，說(shuō)明脫鈷PDC相較于未脫鈷PDC抗沖擊韌性明顯下降，并隨著脫鈷深度的增加PDC的抗沖擊韌性呈下降的趨勢(shì)。

圖4 不同沖擊能量下PDC試樣的沖擊次數(shù)Fig.4 Impact number of times of PDC samples under different impact energies

4 耐熱性試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)原理及方法

從生產(chǎn)到實(shí)際應(yīng)用，聚晶金剛石難免要受到熱作用，例如，在生產(chǎn)聚晶金剛石復(fù)合片時(shí)，

PDC要承受因焊接而產(chǎn)生的高溫，若熱穩(wěn)定性差，焊接高溫就會(huì)對(duì)金剛石層造成嚴(yán)重?fù)p傷，影響PDC的使用性能[7]。目前對(duì)于PDC工具的制作，多采用感應(yīng)加熱釬焊的方式[8]，為模擬PDC在鉆頭胎體合金上的焊接溫度，將PDC試樣放在刀架上，然后置于OTF-1200X管式高溫爐內(nèi)，由低至高逐步升溫至不同的溫度進(jìn)行熱處理，用三軸全自動(dòng)3D光學(xué)影像測(cè)量復(fù)合儀觀察受熱后PDC試樣表面熱損傷程度，并以PDC試樣表面開(kāi)始出現(xiàn)裂紋時(shí)的溫度作為PDC試樣耐熱溫度，溫度越高則耐熱性越好。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

將0#PDC、1#PDC、2#PDC、3#PDC和4#PDC試樣放入管式高溫爐內(nèi)，升溫至不同的溫度進(jìn)行熱處理，得到每種PDC試樣開(kāi)始出現(xiàn)裂紋時(shí)的溫度，其試測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 PDC熱處理后表面裂痕顯微圖Fig.5 Micrograph ofPDC surface crack after heat treatment

由圖5可以看出，當(dāng)溫度升至750℃時(shí)，0#PDC金剛石層表面開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，而相比之下，1#PDC在溫度達(dá)800℃時(shí)金剛石層表面開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，2#PDC在溫度達(dá)845℃時(shí)金剛石層表面開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，3#PDC在溫度達(dá)870℃時(shí)金剛石層表面開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，4#PDC在溫度達(dá)900℃時(shí)金剛石層表面開(kāi)始出現(xiàn)裂紋。說(shuō)明脫鈷PDC相比于未脫鈷PDC具有較好的耐熱性，隨著脫鈷深度的增加PDC的耐熱性也相應(yīng)提高。

5 鉆井試驗(yàn)

為了對(duì)比未脫鈷PDC與不同脫鈷深度的PDC鉆井效果，將0#PDC、1#PDC、2#PDC、3#PDC和4#PDC，分別制作成標(biāo)準(zhǔn)8 3/4¨PDC鉆頭，分別標(biāo)識(shí)為0#PDC、1#PDC、2#PDC、3#PDC和4#PDC鉆頭，在延長(zhǎng)油田進(jìn)行鉆井試驗(yàn)，試驗(yàn)井為鄰井同井段，地層構(gòu)造位置鄂爾多斯盆地依陜斜坡，鉆井指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

從表1可以看出，0#PDC、1#PDC、2#PDC、3#PDC和4#PDC鉆頭的起出新度分別為：60%、70%、75%、80%和85%，機(jī)械鉆速分別為：21.2m/h、32.2m/h、33.8m/h、34.9m/h、36m/h，脫鈷PDC鉆頭相較于未脫鈷PDC鉆頭具有較小磨損和較高的機(jī)械鉆速，脫鈷層越深PDC鉆頭的抗磨損能力越強(qiáng)，說(shuō)明脫鈷PDC鉆頭相較于未脫鈷PDC鉆頭具有較長(zhǎng)的使用壽命。

表1 使用脫鈷PDC鉆頭與未脫鈷PDC鉆頭鉆井指標(biāo)對(duì)比Table 1 Comparison of drilling index between using decobaltized and undecobaltized PDC drilling bits

6 結(jié)論

(1)通過(guò)PDC性能室內(nèi)測(cè)試，脫鈷PDC相較于未脫鈷PDC具有較高的耐磨性和耐熱性，隨著脫鈷深度的增加PDC的耐磨性和耐熱性呈上升趨勢(shì)；而脫鈷PDC抗沖擊韌性則相較于未脫鈷PDC有所降低，隨著脫鈷深度的增加PDC的抗沖擊韌性呈下降趨勢(shì)，驗(yàn)證了通過(guò)脫鈷處理可以提高PDC的綜合性能，特別是熱穩(wěn)定性能。

(2)通過(guò)脫鈷PDC鉆頭的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，脫鈷PDC鉆頭相較于未脫鈷PDC鉆頭具有較高的機(jī)械鉆速和較長(zhǎng)的使用壽命，脫鈷層越深效果越顯著，驗(yàn)證了脫鈷技術(shù)對(duì)PDC性能影響。