钻头与钻杆的生产工艺与热处理.ppt

石油钻采设备 - 钻头与钻杆,报告人：陈雷,钻头的重要性,在石油成本中,钻井成本约占三分之一。降低钻井成本 最有效的措施就是提高单只钻头的进尺和机械钻速。 钻头 是石油钻井的主要破岩工具, 其性能的好坏将直接影响钻 井质量、钻井速度、钻井成本以及整个石油工业的发展。,牙轮钻头的结构,钻头工作原理,冲击、压碎作用,剪切作用 牙轮钻头除对地层岩石产生冲击、压碎作用外，还对地层岩石产生剪切作用。剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底的滑动实现的。,设计,选材,工作条件 钻头在破岩时，钻头的纵向振动产生冲击力。钻头转动与岩石剪切作用，产生摩擦，发生磨损。绝大部分切削功转化为切削热，使钻头温度迅速升高，同时地下温度较高，故钻头是在高温下工作的。 机械性能 结合钻头的结构特点以及服役环境，可以得到钻头的机械性能要求。牙爪：要求具有高强度硬度和耐磨性，同时还要有一定的韧性。也就要求材料的淬透性要好。牙轮与牙齿：高强度硬度，耐磨性，承受冲击载荷性能好，良好的热强度。,材料准备,牙爪：合金结构钢 如20CrNiMo 牙轮：合金结构钢 如18Cr2Ni4WA 牙齿：牙齿分为铣齿和镶齿，铣齿与牙轮材料相同，镶齿 一般镶硬质合金或者金刚石。,加工工艺,牙爪工艺： 牙轮工艺：,牙爪采用模锻成形，高温回火调解组织。后经过铣端口，铣焊口，车掌背等粗车工艺对牙爪进行粗加工，通过钻车注油孔，铣通油孔平面，钻塞销孔，钻通油孔等工艺对牙爪进行结构加工。掌背堆焊碳化钨，碳化钨合金具有高强度高硬度和极高的耐磨性，可以起到保护牙掌的作用。渗碳处理使得工件表面含碳量高，获得很高的硬度，从而提高其耐磨性能。再通过淬火回火等热处理工艺，使得工件表面形成马氏体，再一步提高表面硬度，最后通过表面喷丸，加工硬化，最终使得牙爪表面具有很高的硬度，耐磨性能极好，同时材料内部比较软，具有一定的韧性。,牙轮同样采用模锻成形，高温回火调解组织。经过平端面，钻孔，粗车内孔精车内孔，粗车外形等手段进行预加工。渗碳处理获得硬度较高的表面，从而提高其耐磨性能。再精车外形，而后通过淬火回火等热处理工艺，使得工件表面形成马氏体，再次提高表面硬度，最后通过表面喷丸，加工硬化，使得牙轮表面具有很高的硬度，耐磨性能极好。后钻铰齿孔，镶硬质合金齿。,铣齿,铣齿牙轮钻头的牙齿是由牙轮毛坯经铣削加工而成的，主要是楔形齿。 为增强铣齿的耐磨性，在铣齿表面堆焊硬质合金耐磨层。,钻杆,钻杆是用于传递动力、输送泥浆的主要工具。在油气田勘探开发钻井中，尤其是在深井、大位移井、水平井、大斜度井中，钻杆的磨损严重，给油田带来重大损失。钻具损失是造成钻井成本增加的一个重要原因，也是影响安全快速钻井的关键因素。,钻杆的选材,钻杆在使用过程中必须能够承担巨大的内外压，这也就要求钻杆必须要有足够的强度硬度。钻杆常处于交变应力并且在与井壁摩擦碰撞的恶劣条件下工作，这就要求钻杆具有较高的耐磨性能和韧性。据统计，钻具损失有75%-85%是由于腐蚀造成的。所以加快研制具有高强度、抗腐蚀、耐疲劳、重量轻的钻杆就迫在眉睫 根据钻杆的性能要求通常会选用了35CrMo和36Mn2V这 两种材料。,35CrMo合金结构钢,有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限，淬透性较40Cr高，高温下有高的蠕变强度与持久强度，长期工作温度可达 500；冷变形时塑性中等,钻杆的加工工艺流程 (1)下料 从无缝钢管上截取等长的单个管体。这里的无缝钢管是由圆柱形钢材通过热挤压之后形成的，并对钢管的成份进行检测。 (2)镦头 - 5 - 由于钻杆两头是在工作过程中直接接触部分，所以要对钻杆两头进行镦头加厚处理。即采用中频炉将管体的两头部分加热，然后采用热挤压的方法，将一些钢管上的材料加到两头处，即称为镦头。 (3)机加工一 紧随镦头之后的一道工序，是将管体的两头进行粗加工，如下图所示为粗加工完成后的钻杆。 图2 钻杆 (4)调质 热处理工序，是用于改善钻杆的整体力学性能，使其具有较强的硬度和良好的塑性、韧性。 奥氏体化：把在室温非奥氏体组织的钢加热热到Ac1温度以上时，则钢的室温组织开始转变为奥氏体；称之为奥氏体化。这种奥氏体组织只有在高温时稳定。 淬火：将钢加热到临界温度Ac3或是Ac1以上所给定的温度并保温一定时间，然后将其快速冷却。 回火：将淬火或正火后的钢加热到低于临界温度下的某一选定的温度，并保温一定的时间，然后以一适宜的冷却速度冷却，借以消除淬火和正火所产生的残余应力和增加钢的延展性及韧性。 (5)检测 对调质处理后的钻杆进行力学性能检测。其主要的是硬度检测，检测设备洛,氏硬度计；以及对组织的分析。 (6)校直 由于钻杆在淬火过程中的组织应力和热应力的作用，调质处理后的钻杆会产生变形，通过校直使其恢复。 (7)超声波探伤 用来检查金属材料以及部分非金属材料表面和内部缺陷，利用物理特性来判断工件或材料的缺陷和异常。 (8)机加工二 在钻杆的两端分