梯度硬質合金齒牙輪鉆頭開發與應用研究

田紅平，張烈華，許林 （江漢石油鉆頭股份有限公司，湖北 潛江430223）

隨著石油資源的持續開發，鉆井不斷向深部地層延伸，相應的鉆井技術也在不斷發展。在深井硬地層，牙輪鉆頭出現的合金齒斷裂失效和早期磨損失效的現象也越來越嚴重。通過對失效后的硬質合金齒進行分析，除了鉆頭結構和鉆井本身的原因之外，發生斷裂失效的主要原因是硬質合金齒內部的韌性不夠，而發生磨損失效的主要原因是合金齒的耐磨損性不夠［1］。

對于傳統的硬質合金材料，由于其原材料本身的局限性，當提高硬質合金的韌性時，其耐磨性能會降低，而當提高其耐磨性時，其韌性又會降低，因此同時提高硬質合金的耐磨性與韌性是研究的主要目標。形成外硬內韌的硬質合金材料結構為解決硬質合金齒的斷齒和磨損問題提供了新的解決方案。

梯度硬質合金技術能在硬質合金的表面形成一層含鈷量低、硬度較高的梯度層，形成了外硬內韌的材料結構，既提高了表層的耐磨性，又保持了整體的韌性，很好地解決了表層的耐磨性與整體的韌性之間的矛盾。梯度硬質合金齒的這種特點，也將使梯度硬質合金齒牙輪鉆頭在一些特定場合具有較大的使用性能優勢。

1 梯度硬質合金制備基本原理

傳統硬質合金中鈷的分布是很均勻的，要想形成鈷含量的梯度，就必須讓鈷在液體狀態下發生從表面向心部的遷移，然后冷卻形成固態鈷梯度，因此如何形成液態鈷遷移的驅動力成為梯度硬質合金生產的關鍵所在［2］。

從圖1中可以看出，陰影部分為Co（固相）＋Co（液相）＋WC三相區，該三相區內WC－Co硬質合金中固態Co與液態鈷的比例與碳的含量有關，當碳含量高時，該處的液態Co的比例也較高，當碳含量低時，該處的液態Co比例也較少。由于液態鈷具有流動性，碳含量的不同可以驅動液態鈷從液態Co高比例區域流向液態Co低比例區域［3］。

圖1 WC－Co三元相圖

在圖1中陰影區內對常規WC－Co硬質合金的表面進行滲碳處理，將直接導致表層的鈷向心部遷移，再以較快的速度冷卻下來，就形成了表層鈷含量較低的梯度層。在碳勢一定的情況下，延長滲碳的時間，可以得到較深的梯度層。

2 梯度硬質合金齒試制

分別用含鈷10%和16%的硬質合金齒進行滲碳處理，制備了梯度硬質合金齒，通過檢測梯度硬質合金齒從表面到心部的顯微硬度分布，來檢驗形成的梯度層的情況。

應用含鈷10%硬質合金齒和含鈷16%硬質合金齒，分別制備了8組梯度硬質合金齒，其顯微硬度分布與梯度層的情況見圖2和圖3。

圖2 含鈷10%的JZ10梯度硬質合金齒硬度分布與梯度層

圖3 含鈷16%的JZ16梯度硬質合金齒硬度分布與梯度層

從圖2和圖3中可以看出，梯度硬質合金齒梯度層的深度在800～1000μm，不同齒的硬度分布基本接近，說明梯度層的深度也基本相同。

3 梯度硬質合金齒牙輪鉆頭在四川油田現場應用

3.1 試驗鉆頭組裝

3.2 現場鉆井參數

試制的這3只鉆頭在四川龍002－10－1井先后下井使用。

試驗鉆頭鉆進地層為自流井珍組珠沖段，主要為礫巖層。鉆具組合為?215.9mmHJT637GL×0.24m＋430／410雙母接頭×0.58m＋411／410回凡×0.43m＋短鉆鋌×1.00m＋?213mm 扶正器×0.95m＋無磁鉆鋌×1根（9.10m）＋?165mm鉆鋌×20根（179.91m）＋?127mm鉆桿×1根＋411／410接頭×0.49m＋回凡×0.39m＋下旋塞×0.49m。

鉆壓為180kN，轉速為65r／min，排量為25L／s，泵壓15MPa，密度1.61g／cm3，黏度46s，含砂量0.3%。

3.3 鉆頭使用結果及分析

從以上數據可以得出，15731號梯度硬質合金鉆頭比15730號普通鉆頭進尺數提高了18.2%，鉆進速度提高了12.9%；15732號梯度硬質合金鉆頭比15730號普通鉆頭進尺數提高了28.9%，鉆進速度提高了3.3%。

4 梯度硬質合金齒牙輪鉆頭在遼河油田現場應用

表1 興古－中H101井8in井段617鉆頭使用資料

表1 興古－中H101井8in井段617鉆頭使用資料

巖性13242（普通） 江鉆 3054～3138 84 33.8 2.49鉆頭編號 廠家 使用地層／m 進尺／m 純鉆時／h 機械鉆速／（m·h－1）角礫巖07220（普通） 江鉆 3065～3160 95 48 1.98 角礫巖5200466 進口 3160～3302 142 57.9 2.45 角礫巖5204173 進口 3475～3590 115 48.7 2.37 角礫巖07218（梯度） 江鉆 4000～4122 122 35.66 3.43角礫巖

進口鉆頭與梯度硬質合金齒鉆頭鈍鉆頭磨損照片如圖4～6所示。從鈍鉆頭的損壞情況看，試制的8in的MD617（編號07218）梯度硬質合金齒鉆頭新度較高，還有進尺潛力。

5 梯度硬質合金齒牙輪鉆頭在勝利油田現場應用

編號為27183的鉆頭在勝利油田用于義183井，鉆進層位為沙四段。該井在沙四段總共使用了2只8in的HJT537GK鉆頭，鉆頭編號分別為17839（普通鉆頭）和27183，這2只鉆頭之間使用了1只金剛石鉆頭。這2只鉆頭的詳細鉆進數據如表2所示。

圖4 進口5200466鈍鉆頭

圖5 進口5204173鈍鉆頭

圖6 編號07218的梯度硬質合金齒鈍鉆頭

表2 義183井?8in的HJT537GK鉆頭使用情況

表2 義183井?8in的HJT537GK鉆頭使用情況

地層17839 4145～4230 85 48 1.77鉆頭編號 井段／m 進尺／m 純鉆時間／h 鉆進速度層／（m·h－1）沙四段27183 4470.17～4598.65 128.48 77 1.67沙四段

從表2中數據可以看出，在沙四段地層，梯度硬質合金齒鉆頭27183的進尺比普通鉆頭17839的進尺提高了51%，純鉆時間提高了60%，平均鉆進速度低了5%。雖然梯度硬質合金齒的鉆進速度比普通硬質合金齒鉆頭的鉆進速度略低，但是由于純鉆時間和進尺大幅度的提高，其優勢仍然十分明顯。

6 結論

1）研究開發了一種對硬質合金的滲碳處理工藝，通過對硬質合金進行滲碳處理，可以在硬質合金表面形成一層低鈷的梯度層，形成梯度硬質合金。

2）梯度硬質合金形成了外硬內韌的材料結構，既提高了表層的耐磨性，又保持了整體的韌性，有效地解決了普通硬質合金表層的耐磨性與整體的韌性之間的矛盾。

3）應用梯度硬質合金齒試制的牙輪鉆頭在四川油田、勝利油田和遼河油田一些難鉆進地層使用，明顯提高了牙輪鉆頭進尺與機械鉆速，取得了理想的使用效果。

［1］李世忠 .鉆探工藝學 ［M］.北京：地質出版社，1992.

［2］Fang Z Z，Oladapo O E.Liquid phase sintering of functionally graded WC－Co composites ［J］.Scripta Materialia.2005，52（8）：785～791.

［3］Oladapo O E，Fang Z Z，Griffo A.Kinetics of cobalt gradient formation during the liquid phase sintering of functionally graded WC－Co ［J］.International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2007，25（4）286～292.