鋼體PDC鉆頭表面強化工藝研究

解 珅

（大慶油田鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶 163413）

鋼體PDC鉆頭體的表面強化質量是直接影響鋼體鉆頭使用壽命的關鍵因素之一，其基本要求為:①表面硬化層的硬度高；②與鋼體鉆頭基體結合強度高；③耐沖蝕性好。由于國產鉆頭體強化層耐沖蝕性差，且強化層與鋼體鉆頭基體結合性不好，使得強化層易從基體上剝落，限制了鋼體PDC鉆頭的廣泛應用，鉆頭體表面強化技術已成為目前急需解決的問題。為此，提出了一種用氧-乙炔焰堆焊技術強化鉆頭體表面的新工藝，該技術可使鉆頭體表面強化質量顯著提高。

1 強化材料及強化方式的選擇

1.1 強化材料的選擇

強化材料的成分對強化層性能起著決定性的作用，按其成分可分為鐵基、鈷基、鎳基、銅基合金和碳化鎢型等幾大類。根據鉆頭體強化要求和各類材料特性對比可知，碳化鎢型堆焊材料的硬度高，耐沖蝕性強，適合用于鉆頭體強化。由于鉆頭體形狀復雜，局部強化空間小，故采用管裝粒狀鑄造碳化鎢進行堆焊。在堆焊過程中，鑄造碳化鎢顆粒本身并不熔化，而是借助于熔化后的鋼管和基體金屬將鑄造碳化鎢粘附于工件上。

1.2 強化方式的選擇

表面涂層技術有堆焊技術、熱噴涂噴焊技術、電刷鍍技術和鍍膜技術等，針對不同的工件及應用要求，可選用不同的表面涂層技術。經過調查研究，用堆焊技術得到的強化層與基體的結合強度較高，比較適合鉆頭體表面強化的要求。用氧-乙炔焰堆焊方法建立表面強化層，簡便經濟，稀釋率低，火焰溫度較低，火焰加熱面積大，而且鑄造碳化鎢在氧-乙炔焰中不熔化，堆焊效果較好。堆焊溫度一般為1600℃～1700℃，在這樣的溫度下，鑄造碳化鎢合金不會發生組織轉變。因此，仍保持它原有的高硬度和高耐磨性的特點。

2 鉆頭體表面強化工藝

2.1 堆焊前準備工作

鉆頭體堆焊前，要仔細清除鉆頭體表面鐵銹、油污、毛刺等。堆焊表面必須放平，以保證堆焊時鑄造碳化鎢顆粒均勻分布，用雕刻鉆等手工工具對齒窩邊及內部進行修整，去掉毛刺、飛邊，要求齒窩內壁光滑，用手工工具對鉆頭刀翼背部進行尖角倒鈍處理。將替片鑲嵌入鉆頭體齒窩內，將保徑合金齒裝入保徑合金孔內，要求鑲裝到位。堆焊前，將準備好的鉆頭體放入預熱爐中預熱（圖1），鉆頭體被預熱到600℃左右。

2.2 強化技術的應用技巧

當達到預熱溫度后，吊出鉆頭冠部，放入自制卡具中進行堆焊操作。堆焊時應先完成一個刀翼各部位的堆焊工作后再對其它刀翼進行堆焊。堆焊過程應采用火焰的還原焰，還原焰長度應為焰心長度的2～3倍，焰心與被堆焊表面之間的距離應保持2～3mm。為了盡快地加熱堆焊表面，又避免堆焊表面過熱和熔化，同時預熱相鄰堆焊部位，焊槍中心線應與堆焊表面約成15°～25°傾角。具體強化過程按以下步驟進行操作：

（1）用焊槍弱碳焰加熱鉆頭刀翼正面（如圖2所示）至呈現暗紅色，待表面有微熔狀態時，左手持槍加熱，右手拿焊條加入熔池熔化，進行堆焊操作。加熱時應不斷移動火焰以避免局部溫度過高。

（2）用相同的方法先后對鉆頭刀翼背部、刀翼頂部、刀翼側面依次進行強化處理，操作完成后檢查強化質量，不足之處進行補焊。

（3）采用銅釬焊的方法焊保徑合金齒，釬焊過程中注意合金齒排氣，釬焊表面均勻平整。

圖1 鉆頭體預熱爐示意圖

2.3 強化后保溫處理

焊層與基體熱膨脹系數相差較大，為了避免鋼體PDC鉆頭堆焊后的強化層冷卻過快導致強化層出現裂紋、脫落等現象，強化完成后將鉆頭立即放入保溫罩或用石棉布包裹，緩慢冷卻至室溫。

3 井場試驗

我們對強化后的?215.9mm的鋼體PDC鉆頭在15504隊施工的北2-350-斜E122井進行現場試驗，鉆頭自井深200m下井，鉆至1255m起鉆，進尺1055m，純鉆時間26h17min，機械鉆速40.14m/h。鉆頭提出后，鉆頭體表面無明顯沖蝕，新度90%。接著我們又繼續對該只鉆頭進行試驗數據如表1所示。

鉆頭提出后，切削齒磨損嚴重，鉆頭體表面無強化層脫落現象。其后又投入9只同樣鉆頭進行了試驗。10只鉆頭共下井35次，總進尺38500m，平均機械鉆速39.5m/h。

在正常使用條件下，試驗鉆頭的表面強化層壽命已超過鉆頭切削齒壽命，表明用氧-乙炔焰堆焊硬化工藝對鋼體PDC鉆頭進行表面強化能夠完全滿足現場生產要求。

圖2 鉆頭結構圖

表1 15504井隊鉆頭試驗數據表

4 結論

（1）利用氧-乙炔焰堆焊新工藝得到的鉆頭體表面強化層硬度大、與基體結合強度高、耐沖蝕性強。

（2）應用該工藝生產的10只鉆頭共下井35次，總進尺38500m，平均機械鉆速39.5m/h，能夠完全滿足現場應用要求。

（3）鋼體PDC鉆頭表面強化技術的解決可大幅度提高鉆頭的使用壽命，且鋼體PDC鉆頭的生產成本較胎體PDC鉆頭低，在生產和使用中大大節約了鉆井公司的鉆井成本。