（油气井工程专业论文）钢体pdc钻头耐冲蚀实验研究.pdf

s t u d yo l le n h a n c i n g e r o s i o nr e s i s t a n c e o fs t e e lb o d yp d cb i t l i a n gz o n g - h u i ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx u j i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f h i g hp r e s s u r e & t a m - h i g hp r e s s u r e 越1 1 h 培 t e c h n o l o g i e s ，t h ed r i l lp u m pp r e s s u r ei si n c r e a s i n gc o n t i n u o u s l y a n dt h e e r o s i o no ft h es t e e l b o d yp d cb i ti sm o r ea n dm o l ts e r i o u s ，w h i c hb e c o m e s a l li m p o r t a n tl i m i t i n gf a c t o ri n f l u e n c i n gp e n e t r a t i o nr a t e e r o s i o nr e s i s t a n c e o f t h ep d cb i ts h o u l db ee n h a n c e di m m e d i a t e l y b a s e de l lt h ep r e v i o l l ss t u d y h o m ea n da b r o a d m a n yk i n d so fe r o s i o nr e s i s t a n tm a t e r i a l sa l ed e v e l o p e d e r o s i o ne x p e r i m e n t su n d e ra t m o s p h e r i cp r e s s u r ea n da m m e mp r e s s m e c o n d i t i o na l ec a r r i e do u tt os t u d yt h ei n f l u e n c er e g u l a t i o no ne r o s i o nr a t e w i t hp a r a m e t e r sa se r o s i o na n g l e ，p r e s s u r ea n dt i m e t h ei n v e s t i g a t i o no f 啪s i o nm e c h a n i s ma n dt h eo p t i m i z a t i o no fe r o s i o nr e s i s t a n tm a t e r i a l sa l e s t u d i e da c c o r d i n gt ot h ep h o t o sa n da p p e a r a n c e so f e r o s i o nr e s i s t a n tm a t e r i a l s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a te r o s i o nr a t ei sa f f e c t e db ye r o s i o na n g l e ， p r e s s u r e , t i m e ，a m b i e n tp r e s s u r e ，b l a n k e tb o n ds t r e n g t ha n dt h eq u a n t i t yo f h a r dp a r t i c l ee t c 。w i t l ll o we r o s i o na n g l e t h ee r o s i o nm c c 嘶s i t io f n i 6 5i s b a s i c a l l ym i c r o - c u t t i n gw h i l et h a to fo t h e rm a t e r i a l si st h ec o m b i n a t i o no f m i c r o - c u r i n ga n dh a r ds p o t f a l l i n g a n d 、析t hh i g he r o s i o na n g l et h e m e c h a n i s mi si m p a c tr u p t u r e t h eb e s tm a w f i a lf o rt h ep d cb i ts u l - f a e e l e r o s i o nr e s i s t a n c ei st h er e s u r f a c i n gw e l d i n gs a m p l en i 6 0 + w c 3 7 k e yw o r d s ：a m b i e n tp r e s s u r e ，e r o s i o nr a t e ，l a b o r a t o r yt e s t i n g ， m i c r o - c u r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 卅年y 月p 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：翠牡 州年 y月”日 导师签名： i 彖查互 2 0 a 7 岁月 2 口日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 第1 章前言 近年来随着水射流辅助破岩钻井技术的广泛应用，采取了高泵压、 大排量等强化水力参数的钻井措施，在提高了钻机钻速，降低钻井成本 的同时，却加快了钻头的冲蚀磨损，缩短了钻头的使用寿命，特别是钢 体p d c 钻头，使冲蚀失效成为钻头破坏的主要特征，对生产造成极大的 浪费，严重制约了水射流钻井技术在油田的应用与推广。因此，对钻头 进行耐冲蚀性能研究不仅是必要的，而且是重要的。 目前较为有效的解决钻头冲蚀问题的方法是采用表面工程技术，即 在钻头体的表面覆一层抗冲蚀硬化层，可以使钻头体抗冲蚀能力大大提 高。另外就是通过改善钻头表面流道设计，改善钻头表面流场，从而降 低钻井液在钻头表面的局部速度，提高钻头寿命。因此通过研究材料的 冲蚀行为，揭示其冲蚀机理及影响因素，对于选择、研制耐冲蚀材料， 降低能耗、提高经济效益具有重要的意义。 1 1 研究思路及目的 本文研究思路是在模拟工况下，对不同实验参数条件下实验材料的 冲蚀磨损性能进行考察，探讨材料冲蚀磨损破坏规律和机制。在总结前 人成果的基础上，设计制作了多种耐冲蚀材料，并进行冲蚀磨损性能试 验，目的是通过冲蚀实验优选耐冲蚀的覆焊材料，测定涂层的性能，分 析涂层材料组织与泥浆冲蚀性能的关系，并对泥浆冲蚀机理进行分析， 从而为钻头覆焊材料选择提供依据。 1 2 本课题的主要研究内容 ( 1 ) 采用氧一乙炔焰堆焊和超音速火焰喷涂技术在3 5 c r m o 表面制备镍 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 基、钴基合金涂层。 ( 2 ) 通过冲蚀磨损实验，研究不同冲蚀压力、冲蚀角度、冲蚀时间下 几种耐冲蚀材料的重量变化规律，比较其耐冲蚀性能；研究不同w c 含 量的情况下材科的冲蚀率变化规律。 ( 3 ) 通过观察材料冲蚀部位的截面组织及冲蚀试样表面形貌。分析探 讨材料的冲蚀机理。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章冲蚀理论基础 第2 章冲蚀理论基础 2 1 冲蚀实验模拟装置研究 在钻井过程中，由于泥浆对钻头的冲蚀涉及的因素比较多而且复杂， 用纯理论分析方法得到的结果与实际冲蚀仍有较大的差别，而冲蚀实验 可以尽可能的模拟实际的冲蚀过程，因此目前实验仍是考查材料冲蚀性 能的重要手段。同时实验设备的设计研制也是研究的主要内容。基于此 目的，很多学者对冲蚀实验设备进行了大量的设计研制工作。 1 9 5 6 年，f i n n i e 1 研制了第一台冲蚀试验机，试验机不但可以控制入 射粒子的速度，并可调整材料的冲蚀角度。随后，t l l y 2 1 设计了两种冲 蚀试验机，其中一种采用空气发射粒子流，并可控制粒子流的冲蚀时间、 冲蚀角度、温度及冲击过程中材料的拉伸力；另一种试验机为旋转壁式 冲蚀装置。1 9 7 5 年g r e a t 等学者建造了风洞式冲蚀试验装置，它能在各 种流动和温度条件下进行冲蚀试验，并在此基础上按照美国军用标准进 行了批量生产。 近年来，国内学者也在此方面进行了研究。1 9 8 5 年，邵荷生、林福 严等研制了自己的冲蚀试验机，其设计原理均是满足冲蚀角度、冲蚀速 度、冲蚀时间等可以任意调节控制以及尽可能模拟实际的工况条件。 2 2 材料的冲蚀理论研究p 】 早期的冲蚀研究是从喷砂工艺研究开始的。1 8 7 3 年，0 r e y n o l d l 4 1 讨论了喷砂对硬材料的切削作用。1 8 7 6 年，r o e b l i n g 在修建纽约b r o o k l y n 大桥时，用花岗岩代替水下吸沙机的金属板以降低材料的冲蚀。1 9 4 6 年， h w a h l 等5 】出版了( s t r a h l r e r s c h l e i s s 的论文集第一次系统地讨论了冲蚀 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章冲蚀理论基础 磨损，但对冲蚀机理涉及不多。 从1 9 5 8 年第一个冲蚀理论微切削理论【1 悯世开始，研究者们提出了 一系列关于冲蚀的模型。力图解释或预测材料的冲蚀行为，但到目前为 止还没有一种能够完整、全面地揭示材料冲蚀的内在机理。f i n n i e 最早 研究了塑性变形引起的冲蚀，提出m i c r o c u t t i n g 模型，该模型颗粒冲击 过程造成的材料流失总体积与颗粒质量和冲击接触速度的平方成正比、 与靶材的流变应力成反比、并与冲蚀角度成一定关系。 其冲蚀率占表达式为 毛；等s i i l 2 口一导。i i l ：口k g o ) ( 2 - 1 ) l 妒x x) 、 。 铲警c o s 2 盯瓴 口 9 0 。) ( 2 - 2 ( 2 - 2 ) 知2 百 口 。j ) 式中嘞临界入射角； p 粒子与靶材间的弹性流动压力； c 常数； m 冲蚀粒子质量； 矿冲蚀速度； 岱冲蚀角度。 x 1 7 1 0 2 嗍i ，对金属材料一般为1 8 4 3 。，该模型指出，冲蚀率随 入射角变化出现两种规律，即当口 口。时，冲蚀粒子切过靶材表面， o t 0 时，球粒留在靶材中，切屑磨损量巳z 为 厶：攀 灰口铸 铁，显微组织的抗冲蚀能力：球状石墨 片状石墨，回火马氏体 片状 珠光体。如前所述，有研究表明，不同热处理条件a i s l 4 3 4 0 钢的冲蚀率 区别不大，因此对a i s l 4 3 4 0 钢来说，很难断言哪种显微组织的抗冲蚀能 力更好。同时，有研究者发现不同显微组织的碳钢具有不同的抗冲蚀能 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章冲蚀理论基础 力，由高到低依次为：珠光体 回火马氏体 马氏体，并且马氏体结构 的碳钢在较高冲击速率时表现出脆性材料的冲蚀特征。另外，对于硬质 第二相对不同双相或多相合金冲蚀行为的影响，不同研究者的观点不尽 相同，较一致的看法是碳化物尺寸、形状、位置等因素对材料冲蚀率有 一定影响，但不像对硬度、塑性等机械性能的影响那么明显。l e 吖较系 统的研究了碳化物含量对塑性材料抗冲蚀能力的影响，发现碳化物含量 的增加导致材料抗冲蚀性能下降，直到碳化物含量达到8 0 左右。形成 连续的碳化物框架，才呈现出相反的趋势。总体来看，目前对双相或多 相合金显微结构对其抗冲蚀能力的影响虽有一些了解，但多局限在某一 局部，有时由于评价体系不同，甚至可能得出相互矛盾的结果，缺乏规 律性和统一性，还需要进一步深入研究。 脆性材料的显微组织对材料冲蚀行为有重要影响，一般认为较低的 气孔率和较细的晶粒有利于提高材料的抗冲蚀能力，这是因为气孔等缺 陷的存在使得裂纹容易在这些部位萌生和扩展，较多的气孔更容易造成 材料的流失；晶粒的细化导致晶粒边界的增多，从而限制了裂纹的扩展。 2 4 防护措施 近年来，许多学者对冲蚀磨损进行了深入的研究，归结起来主要包 括三个方面：一、即改进设计，使其有利于减少冲蚀；二、选用耐冲蚀 磨损的材料；三、通过表面强化工艺提高抗冲蚀性能。 2 4 。1 改进设计方面 合理设计钻头外部形状、结构等。如设法减少影响材料冲蚀率的重 要参数，如入射颗粒的速度、角度等，防止片面追求单一指标，应该综 合考虑所有的技术指标。塑性材料尽可能避免在2 0 。3 0 。的冲蚀角度下 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章冲蚀理论基础 工作，脆性材料力争不受粒子的垂直入射。 2 4 2 合理选材 合理选材对于钻头来说尤为重要，由于改进设计需考虑的因素很多， 在实际应用中存在较大难度，往往不能完全满足要求，相比选材来说要 复杂得多。但在选材时必须充分考虑工况条件，如冲蚀角度、冲蚀速度 等因素以及泥浆性质的影响，在目前情况下，一般需通过实验来确定。 2 4 3 表面强化 表面强化是在通用材料的基础上，采用适当表面技术使材料表面达 到耐冲蚀磨损的目的。常用的表面技术有表面热处理，如渗碳、渗氮、 渗硼等；表面冶金及粘涂技术，如堆焊、热喷涂、激光熔覆、表面粘涂 等；表面薄膜层技术，如气相沉积等。由于金属陶瓷和陶瓷材料加工较 困难，成本高，采用表面技术在基材表面涂覆一层一定厚度的金属陶瓷 或陶瓷材料，是一种行之有效的冲蚀磨损防护措施。 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章试样制备及实验评价方法 第3 章试样制备及实验评价方法 3 1 耐冲蚀材料制备的目的 钢体p d c 钻头是采用机加工的方法完成钻头体的制作，具有工艺简 单，精度高，使用材料成本低等优点，但钢体p d c 钻头存在一个致命的 缺点，由于此类钻头的钻头体为钢材( 一般为3 5 c r m o ) 。因此钻头体抗 钻井液冲蚀的能力较差，这样会大大降低钻头的使用寿命，严重时会造 成p d c 切削齿脱落，从而严重影响钻井速度，造成巨大的经济损失。据 调查，几乎所有的p d c 钻头均存在不同程度的冲蚀。因此采用表面工程 技术在钻头体的表面覆一层抗冲蚀涂层，具有韧性强、硬度高、有一定 厚度、组织均匀、晶粒细小、结构致密、抗拉力强、疲劳强度高、腐蚀 疲劳极限高、与母材结合牢固而且便于施工等特点，抗冲蚀涂层成为钢 体钻头体使用成功的重要因素，随着材料技术的进步，多种材料的复合、 纳米材料、新型合金或非晶材料的使用成为热喷涂材料发展的主要趋势。 3 2 材料选择及试样制备 3 2 1 材料优选 碳化钨( w c ) 是超音速火焰喷涂中常用的材料，钴( c o ) 、镍( n i ) 一直是硬质合金【”j 的主要粘结剂。碳化钨可与钴基、镍基等自熔性粉末 混合，广泛用于制备高耐磨涂层等领域。碳化钨在常温下有相当高的硬 度，且在1 0 0 0 0 高温下其硬度也下降很少，是高温下硬度最高的碳化物。 碳化钨硬度高，特别是热硬度高，与c o 、n i 等金属具有良好的润湿性和 粘结性，而且在温度达到一定值时，能溶解在这些金属中，温度降低时 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章试样制备及实验评价方法 又析出形成骨架，使w c 能用c o 或n i 等金属作为黏结相进行高温烧结 或复合，制造耐磨性更好的涂层。 c o 作为一种昂贵而稀缺的金属，也是一种重要的战略物资，全球储 量极其有限，且价格逐年上涨。我国的c o 资源长期短缺，国内钴的年需 求量达1 0 0 0 吨，1 9 9 0 年进口钴4 9 8 吨1 1 6 1 。最常见的c o 代用品是n i 和 f e ，由于铁粉容易氧化，以铁粉作为粘结剂的硬质合金机械强度一般很 低。n i 对w c 也表现出良好的润湿性，并具有比c o 更好的抗氧化性和 抗蚀性n 7 1 ，尤其在合金化后，可使硬质合金性能更加优异，且在低碳含 量下还具有无磁性的优点。n i 的全球储量是c o 的7 0 倍，资源较丰富。 因此，n i 被广泛应用于碳化物的黏结剂。 阎俊霞，杨元修1 8 1 通过在n i 6 0 喷熔合金粉末中加入不同质量分数的 w c ，研究w c 对喷熔层的表面硬度、低应力磨粒磨损性能、冲击磨粒磨 损性能及喷熔工艺性能的影响，并分析产生这种影响的原因，为合理地 选用合金粉末提供实验数据和理论依据。实验研究表明：w c 较小( 3 5 ) 时，随着w c 的增加，喷熔层的耐低应力磨粒磨损性能大大提高，继续增 加w c 达5 0 时，喷熔层的耐磨性能几乎没有提高，这是因为在w c 含 量小时，不但喷熔层工艺性能好，质量高，而且w c 的加入使喷熔层组织 中增加硬度极高的硬质点w c 数量，有利于防止磨料直接损伤基体，从 而提高材料的耐磨性。但w c 过量加入却大大降低了喷熔工艺性能，形 不成高质量的喷熔层，熔融的n i 6 0 合会层不能牢固地将w c 颗粒固定在 喷熔层中，在外磨料作用下容易从基体中脱落，失去了硬质点的作用， 降低材料的耐磨性。有利因素和不利因素的相互作用，使w c 对喷焊层 的耐磨性影响不大。 王慧，夏为引1 9 1 通过在n i 6 0 中加入不同含量的w c 进行了抗磨损 能力研究，通过实验研究表明，经过激光重熔处理后的n i 6 0 + 6 0 w c 涂 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章试样制备及实验评价方法 层的抗磨损性能明显优于相同工艺下的其他w c 含量的n i 6 0 涂层。沈德 久在碳化钨增强镍基喷熔层耐磨性的研究2 0 】一文中提出加入碳化钨颗粒 的形成融合充分的涂层需要的喷熔时间过长，以致于使碳化钨颗粒过烧 严重，影响其硬度。 本文在调研的基础上选择试制了多种试样，试样及耐冲蚀实验过程 见表3 - 1 。 表3 - 1 冲蚀试样优选过程列表 第一阶段所用试样 n i 6 叶w cl o 、n i 6 0 + w c 2 0 、n i 6 0 + w c 3 0 、n i 6 0 + w c 4 0 、 镍碳化钨 n i 6 0 + w c 5 0 其它n i 6 0 、c o - w c 、t i c + n i 4 0 第二阶段所用试样 镍碳化钨n i 6 0 + w c 3 5 、n i 6 0 十w c 4 0 、n i 6 0 + w c 4 5 其它c o - w c 、1 2 c o w c 、n i 6 5 第三阶段所用试样 镍碳化钨n i 6 0 + w c 3 5 、n i 6 0 + w c 3 7 、n i 6 0 + w c 4 0 其它1 2 c o - w c 第四阶段所用试样( 围压对比验证) 镍碳化钨 n i 6 0 + w c 3 7 其它1 2 c o - w c 、n i 6 5 在常压淹没、9 0 0 冲蚀角度的条件下，中国石油大学冯云春对第一阶 段试样作了初步优选，主要得出以下结论：n i 6 0 + 4 0 w c 和c o w c 这 两种材料的涂层耐冲蚀能力最强，但n i 6 0 + 4 0 w c 性价比最高，适合于 钢体p d c 钻头表面防护【2 ”。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章试样制各及实验评价方法 3 2 2p d c 钻头表面防护技术优选 堆焊是指将具有一定使用性能的材料借助一定的热源手段熔覆在母 材表面，使母材具有特殊的使用性能的工艺方法。堆焊已经从传统的手 工电孤堆焊发展到自动化堆焊工艺，自动化堆焊工艺是指整个堆焊过程 从起弧到堆焊结束全部由机械化、自动化完成，其生产率高、质量稳定。 自动化堆焊方法主要有自动埋弧堆焊、气体保护堆焊、等离子弧堆焊和 电渣堆焊等 z 2 - z 4 1 。 常用的堆焊方法 ( 1 ) 氧乙炔焰堆焊氧乙炔火焰温度较低( 3 0 5 0 3 1 0 0 ) ，将它应用 于堆焊时能得到较小的稀释率( 1 1 0 ) 和2 3 m m 厚的均匀薄堆焊 层，尤其适合于w c 粉末的堆焊；其缺点是生产率低、工人的劳动强度 大。 ( z ) 焊条电弧堆焊焊条电弧堆焊的设备简单、机动灵活、成本低。其 缺点是稀释率较高、生产率低，主要是堆焊层不平整，因此通常应用于 要求不高的零件表面的修复和强化。 ( 3 ) 埋弧堆焊单丝埋弧堆焊的熔深大、稀释率高( 3 0 6 0 ) 、生产 率中等。多丝埋弧堆焊熔敷率大大提高，稀释率降低( 1 5 2 0 ) 。 ( 4 ) 气体保护堆焊气体保护堆焊是用c 0 2 、a f 或混合气体作为保护 气体，它有较高的熔敷率，但是稀释率也较高( 1 5 2 5 ) ，生产率低， 保护气体昂贵，且飞溅较大。 ( 5 ) 等离子弧堆焊由于等离子弧的温度很高，有高的堆焊速度和高的 熔敷率，稀释率很低( 最低可达5 左右) 。 ( 6 ) 电渣堆焊熔敷率最高，堆焊厚度大，但是稀释率不高，缺点是堆 焊层严重过热，焊后需要热处理，因此它适用于需要较厚堆焊层，要求 2 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章试样制备及实验评价方法 精度低的零件。 除堆焊以外。本文还采用了超音速火焰喷涂技术对试样进行表面防 护，以期找到最适合钢体p d c 钻头表面防护的喷涂技术来提高其耐冲蚀 性能。 超音速火焰喷涂【2 5 1 可使喷涂材料获得高速度，焰流及熔粒速度极 高，焰流速度可达到二倍音速以上，熔粒速度可达到3 0 0n d s 7 0 0 m s ， 而且较低的温度保证了粉末在喷涂中更少的氧化和失炭，从而使涂层有 更高的硬度和更好的耐磨损性。另外，粉粒在火焰中加热时间长，能均 匀的受热熔融。产生集中的喷射束流，粉末在喷嘴通道中运行时间长， 而离开喷嘴后高速飞行，与周围大气接触时间短，因而和大气几乎不发 生反应，喷涂组织性能变化小，这对避免喷涂碳化物材料分懈和脱落十 分有利。 3 3 实验准备 3 3 1 喷涂粉末 喷涂粉末的制备方法主要有：烧结破碎法、包覆、团聚烧结和机械 混合法。本实验选用的n i 6 0 + w c 3 5 、n i 6 0 + w c 3 7 、n i 6 0 + w c 4 0 、 n i 6 0 + w c 4 5 、c o w c 、1 2 c o 。w c 、n i 6 5 、n i 6 0 粉末，均采用烧结破 碎法制备。粉末的化学成分、粒度分布范围如表3 2 所示。 粉末制备主要包括以下两个步骤：第一步混粉，将配制好的粉末放 在不锈钢球磨罐中，放入磨球，磨球为不锈钢钢球。再将球磨罐放在 q m i s p 行星式球磨机中球磨混粉。球料比为3 ：l ，转速为3 0 0 r m i n ， 混粉3 小时后取出自然冷却。第二步团聚，往混合好的粉末中加入饱和 的聚乙烯醇水溶液进行团聚，混合均匀后制成大块状粉体，再放入恒温 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章试样制备及实验评价方法 表3 - 2 镍基合金粉末与其对比材料的化学成分( ) 商川粉末的主要成分粉末的粒度制作方法 粉末 ( u m ) c r 3 2 ，b ：0 8 ，s i ：0 ，9 ，c ： 1 2 c o - w c 粉末0 1 6 ，f e s l 0 ，c o w c ：8 0 ，0 ， 1 0 4 + 4 4烧结破碎 n i ：余颦 c r ：3 2 ，b ：0 8 ，s i ：0 9 ，c ： c o - w c 粉末0 1 6 f e 曼1 0 ，c o w c ：5 0 0 ， 1 0 4 + 4 4烧结破碎 n j ：余龋 c r 1 5 2 0 ，b ：3 叫5 ，s h n i 6 0 粉末 3 5 - 5 5 ，c ：0 5 1 1 ，f e 2 5 ，b ：3 0 - 4 5 ，s i ： n i 6 5 粉末 3 5 5 5 ，c ： 1 ， m o 2 5 ，1 0 4 + 4 4烧结破碎 f e 三1 4 0 ，n i ：余簧 c r ：1 0 ，b ：2 3 ，s i ：3 0 ，c ： n i 6 0 粉末+ 3 5 w c0 5 ，f f l 0 0 ，w c = 3 5 ，n i ： 1 0 4 + 4 4烧结破碎 余量 c r 1 0 ，b ：2 3 s h3 0 ，c ： n i 6 0 粉末+ 3 7 w c 0 5 ，f e = 1 0 0 w c = 3 7 ，n i , 1 0 4 + 4 4烧结破碎 余量 c r ：1 0 ，b ：2 3 ，s i ：3 0 ，c ： n i 6 0 粉末+ 4 0 w c 0 5 ，f e = 1 0 ，0 ，w c = 4 0 ，n j ：- 1 0 4 + 4 4烧结破碎 余颦 c r 1 0 ，b ：2 3 ，s i ：3 o ，c ： n i 6 0 粉末+ 4 5 w c 0 5 f e = 1 0 0 ，w c = 4 5 ，n i ： 1 0 4 + 4 4烧结破碎 余量 加热炉中，1 0 0 c 恒温烘干。将烘干的粉体碾碎成粉末，经筛分得到1 6 0 目以内的粉末，此即为我们实验所用的粉末，喷涂前要将粉末烘干，以 防受潮，影响喷涂及涂层的性能。团聚的目的是将n i 、c 、n ( m o ) 微细 颗粒紧紧地粘结成一个大的颗粒，减小反应的阻力，加快反应的进行。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章试样制各及实验评价方法 3 3 2 堆焊试样制备 ( 1 ) 切割 采用铣床对3 5 c r m o 母材进行切割，所有试样加工成 2 2 m m x 2 2 m m x g m m 规格的试片。 ( 2 ) 打磨 对切割好的试样进行初步的打磨，主要目的是去除试样表面的杂质。 ( 3 ) 清洗 先用热碱液和流水洗去表面油污，再用丙酮清洗。试样清洗完毕吹 干后放入干燥器中备用。 ( 4 ) 堆焊 将准备好的试样放入加热设备中预热，试样被预热到4 5 0 0 左右， 用h 0 1 - 2 0 型射吸式焊炬调制轻微碳化焰对钻头体局部加热，加热时焰芯 尖端与堆焊面的距离保持在约3 m m ，直至堆焊表面略呈“出汗”状态。在 堆焊表面略呈“出汗”状态的瞬间，将焊嘴微微抬高，使焰芯与堆焊面的 距离稍微拉开，将在内焰外围的焊料端部接近焰芯尖部，使熔融的合金 熔滴滴到已呈“出汗”状态的堆焊面上，同时使之均匀扩展开，然后将火 焰向前移动一定距离重复上述操作。堆焊过程如示意图3 - 1 所示。 图3 - i 堆焊过程示意图 2 4 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章试样制备及实验评价方法 在堆焊过程中，为了保持试样温度，减少温差，应用酒精喷灯补充 加热，并且保证焊道平整光滑，获得2 3 m m 的堆焊层。试样堆焊完成后， 将其放入保温炉内保温冷却。 3 3 3 超音速火焰试样制备 ( 1 ) 切割 采用铣床对3 5 c r m o 母材进行切割，所有试样加工成 2 2 m m x 2 2 m m x 8 m m 规格的试片。 ( 2 ) 打磨 对切割好的试样进行初步的打磨，主要目的是去除试样表面的杂质。 ( 3 ) 清洗 先用热碱液和流水洗去表面油污，再用丙酮清洗。试样清洗完毕吹 干后放入干燥器中备用。 ( 4 ) 喷砂、喷涂 对前三步的试样继续用2 0 目棕刚玉砂对其表面进行喷砂处理：试样 喷砂之后，立即进行喷涂。 超音速火焰喷涂系统采用西安交通大学研制的c h - 2 0 0 0 型h v o f 设 备进行喷涂。燃料气体丙烷的压力为o 3 5 m p a ，助燃气体氧气的压力为 0 5 5 m p a ；氮气为送粉气体，压力为o 3 5 m p a ，流量4 3 l r a i n 。在喷涂过 程中保持各种气体的压力和氮气的流量不变，以保证试样喷涂质量。 堆焊和超音速火焰喷涂后的试样，要经过一系列雕3 j j n t ，主要目的 是为避免因表面粗糙度造成的结果偏差，同时便于机理研究时的表面形 貌观察，所有试样标号后，用会相砂纸依序打磨，表面粗糙度约为心 n i 6 0 + 4 5 w c c o - w c n i 6 0 + 4 0 w c n i 6 0 + 3 5 w c n i 6 0 - + 3 7 w c 1 2 c o w c ，可知1 2 c o w c 试样在3 0 0 冲蚀角度下的耐冲蚀性能较好。 由图4 8 可以看出，超音速火焰试样随着冲蚀压力增大，冲蚀率增 大的趋势越来越明显。 在冲蚀过程中，随着泥浆冲蚀压力的升高，参与冲蚀的泥浆流量增 大，泥浆的流速和水功率相对增加，与低冲蚀压力相比，同一截面上的 压力增大，因此冲蚀能力相对增大；另外，随着冲蚀压力的升高泥浆的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章常压淹没条件下p d c 钻头耐冲蚀实验研究 2 5 2 0 2 逗1 5 童 萋，o 是 5 o 46 冲蚀压力( m p a ) 81 d 图4 8 冲蚀率与冲蚀压力的关系 实验条件：超音速火焰试样、冲蚀角度3 0 0 、喷距3 0 r m n 、种蚀时间6 m i n 卷吸能力也相对增加，参与冲蚀的泥浆能量增加，射流的冲击、剪切及 拉伸作用加强，冲蚀能力相对增强。冲蚀能力的增强造成超音速火焰试 样的覆焊层在较高的压力冲蚀情况下彻底破坏，丧失了其保护功能，导 致泥浆直接冲击母材，致使试样冲蚀率明显增加。 对比图4 7 、4 8 可以看出，堆焊与超音速火焰喷涂试样的失重规律 明显不同，堆焊试样的失重曲线要相对平缓许多。 图4 9 为选取的四种堆焊和超音速火焰试样的冲蚀率对比图。从图 可以看出，堆焊与超音速火焰试样的冲蚀失重规律明显不同，在低于 8 m p a 冲蚀压力下，n i 6 0 + 3 7 w c 、1 2 c o w c 的超音速火焰喷涂试样的 耐冲蚀能力都比对应的堆焊试样好，但随着冲蚀压力增大到8 m p a 后， 堆焊试样的耐冲蚀性能开始优于超音速火焰试样，甚至在i o m p a 冲蚀压 力的情况下，堆焊试样的冲蚀率仅为超音速火焰试样的1 3 其原因主要 3 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章常压淹没条件下p d c 钻头耐冲蚀实验研究 4 6 冲蚀压力m p a ) 8 1 0 图柚冲蚀率与冲蚀压力的关系 实验条件：冲蚀角度3 0 。、喷距3 0 m m 、冲蚀时间6 m i a 是由超音速火焰喷涂自身特点所决定的：( 1 ) h v o f 喷涂覆盖速度不够高。 设备制造商标明喷涂每小时可达9 公斤或更高，但实际上只能达到这个 数量的一半，如送粉率提高的话，则会造成生粉加多，沉积率剧减，导 致其涂层厚度只有6 0 0 9 i n 左右；( 2 ) h v o f 喷涂时颗粒飞行速度很高，火 焰温度又较低，粉末被加热时间仅数千分之一秒，而且气流带动大颗粒 容易被滞后( 如1 0 i _ t m 颗粒的c o w c 可达气流速度的5 3 ，而5 0 1 j m 颗 粒只达2 6 ) 。因此超音速火焰试样随着冲蚀压力的进一步提高，涂层 易在短时间内遭到破坏，耐冲蚀性能降低。而堆焊试样厚度可达3 m m ， 利于较长时间的冲蚀，因此在8 m p a 和1 0 m p a 的堆焊试样冲蚀率变化较 小，表现出了较好的耐冲蚀性能。 另外h v o f 还存在以下缺点：( 1 ) 喷涂的沉积效率通常低于4 5 ，甚 至3 0 左右。在喷涂起始时容易沉积，一旦生成一层涂层之后，沉积效 率骤然降低，反弹似乎加剧；( 2 ) 枪管还容易结瘤；( 3 ) h v 0 f 操作不方便， j p 5 0 0 0 这类带有水冷的h v o f 系统，枪体太重，手持时间不能过长：( 4 ) 6 5 4 3 2 l 0 9 8 7 6 5 4 3 2 】o c1山宕占哥届是 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章常压淹没条件下p d c 钻头耐冲蚀实验研究 到现场施工还要解决氧气加热器( 减压之前需加热，否则一减压就会结冰) 等问题，现场施工不容易。从以上诸多因素分析得出结论：堆焊技术比 h v o f 技术更适合于p d c 钻头表面防护。 4 3 3 冲蚀时间对试样冲蚀的影响规律 2 e 占 糌 基 是 图4 - 1 0 冲蚀率与冲蚀时间的关系 实验条件：堆焊试样、冲蚀压力1 0 m p a 、冲蚀角度3 0 * 、喷距3 0 n 口n 图4 - 1 0 给出了堆焊试样3 0 0 条件下冲蚀时间与冲蚀率的关系，从图 可以看出，( 1 ) 在开始冲蚀的初期，试样表面的冲蚀磨损率比较大，但随 时间增加而逐渐减小，从某一时刻开始，冲蚀磨损率保持在一个比较稳 定的数值上。( 2 ) 1 2 c o - w c 的平均冲蚀率最低为6 8r a g r a m ，n i 6 5 冲蚀率 最高达到1 0 4m g m i n 。 3 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章常压淹没条件下p d c 钻头耐冲蚀实验研究 345 冲蚀时问( r a i n ) 图4 - 1 1 冲蚀率与冲蚀时间的关系 实验条件：堆焊试样、冲蚀压力1 0 m p a 、冲蚀角度9 0 0 、喷距3 0 r t a m 图4 - 1 1 为9 0 0 冲蚀条件下堆焊试样的冲蚀率与冲蚀时间关系，从图 可以看出，( 1 ) 试样的冲蚀率随时间变化的影响不大，基本维持在一个数 值上。( 2 ) n i 6 0 + 3 7 w c 的冲蚀率最低约为5 4 r a g r a i n ，n i 6 5 仅次于 n i 6 0 + 3 7 w c 约为5 6 r a g r a i n ，而1 2 c o - w c 的冲蚀率高达8 3 m g m i n 。 3456 冲蚀时间( m i n ) 图4 1 2 冲蚀率与冲蚀时间的关系 实验条件：超音速火焰试样、冲蚀压力1 0 m p a 、冲蚀角度3 0 。、喷距3 0 r r a n 3 8 4 3 2 1 o 9 8 7 6 5 c1眦普一静基是 拍们箝如坫趵坫加0 0 e名85褂g是 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章常压淹没条件下p d c 钻头酎冲蚀实验研究 图4 - 1 2 可以看出，( 1 ) 随着冲蚀时间的增加，冲蚀率先逐渐减小，在 4 m i n 后冲蚀率迅速增大。在冲蚀后期，涂层失重较大，不利于长时间冲 蚀。( 2 ) 试样的平均冲蚀率均在9 r a g r a i n 以上。 345 冲蚀时间( m i n ) 图4 1 3 冲蚀率与冲蚀时间的关系 实验条件：超音速火焰试样、冲蚀压力1 0 m p a 、冲蚀角度9 0 。、喷距3 0 r m n 图4 - 1 3 可以看出，超音速火焰试样在冲蚀前期，冲蚀率变化不明显， 在冲蚀5 , - 6 r a i n 时，部分试样冲蚀率迅速增加。 对比图4 - 1 0 、4 - 1 1 、4 - 1 2 、4 - 1 3 可以看出，( 1 ) 3 0 0 与9 0 0 条件下的冲 蚀规律是截然不同的。在3 0 0 冲蚀角度下，由于试件的摩擦表面具有一定 的粗糙度，实际接触面积小，在一定的冲击载荷下，微凸体逐渐磨平， 实际接触面积逐渐增大，磨损速度由快逐渐减缓，材料失重较大，待材 料的表面被磨平，冲蚀磨损就会相对减小。在9 0 0 冲蚀角度下，试件的摩 擦表面的粗糙度相对3 0 0 冲蚀角度下的影响不明显，因此冲蚀率能够维持 在某一值。( 2 ) 超音速火焰试样在冲蚀后期出现冲蚀率大幅增加的现象， 分析其原因主要是喷涂涂层较薄，不利于长时间冲蚀。 根据文献报道，材料失重通常可分为四个阶段：( 1 ) 孕育期，材料无 辐蚰拈衢如蟾加0 0 c茗8占哥鬈是 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章常压淹没条件下p d c 钻头耐冲蚀实验研究 失重，颗粒冲击到靶材表面只引起弹性变形；( 2 ) 磨合阶段，失重逐渐增 加：( 3 ) 稳定冲蚀阶段，冲蚀率基本不变；( 4 ) 严重磨损阶段，冲蚀率增加 很快。由图可以看出，实验结果均没有体现出第一个阶段孕育期，这可 能是由于冲蚀时间间隔较大的缘故。堆焊试样在实验时间内也没有出现 严重磨损期，原因是在6 分钟的冲蚀时间内，覆焊层没有被彻底破坏， 随冲蚀时间的加长，外面的涂层逐渐被冲掉，最后造成直接冲蚀母材， 也会出现严重磨损的过程。 4 。4 小结 本章利用实验的方法研究了多种冲蚀材料的耐冲蚀性能，并对设计 的1 4 种试样在常压淹没进行了优选，通过对实验结果的宏观分析发现： ( 1 ) 冲蚀角度是影响试样冲蚀率的重要参数，n i 6 0 + 3 5 w c 、 n i 6 0 + 3 7 w c 、n i 6 0 + 4 0 w c 、n i 6 5 四种试样的冲蚀率随着冲蚀角度的 增加先增大后减小，冲蚀角度为3 0 0 左右时冲蚀率最大；而c o w c 、 1 2 c o - w c 、n i 6 0 + 4 5 w c 三种试样的冲蚀率随着冲蚀角度的增加近似 线性增加，在9 0 。达到最大值。 ( 2 ) 冲蚀压力是影响试样冲蚀率的关键因素，随冲蚀压力的增大而增 大，冲蚀率均呈线性增加，在涂层遭到破坏后，冲蚀率骤增。在3 0 0 冲蚀 角度、1 0 m p a 冲蚀压力下，超音速火焰试样与堆焊试样耐冲蚀性能的转 折点在8 m p a 附近。 ( 3 ) 冲蚀时间对冲蚀率也有较大的影响。在低冲蚀角度下，冲蚀率随 冲蚀时间的增加先降低后增加；在高冲蚀角度下，冲蚀率随冲蚀时间增 加先不变后增加。分析可知冲蚀率增加的转折点即为涂层的彻底破坏时 刻。 ( 4 ) 超音速火焰喷涂试样在冲蚀前期耐冲蚀性高于氧乙炔焰堆焊试 柏 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章常压淹没条件下p d c 钻头耐冲蚀实验研究 样，但随着冲蚀时间的增加，容易在较短的时间内遭到破坏，因此堆焊 技术比h v o f 技术更适合于p d c 钻头表面防护。 4 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章围压条件下p d c 钻头耐冲蚀实验研究 第5 章围压条件下p d c 钻头耐冲蚀实验研究 围压是钻井作业中一个非常重要的特征。在实际的钻井过程中，钻 头在受到地层压力以及钻井液液柱压力的作用下将会产生围压，通过实 验模拟研究围压条件下钻头的耐冲蚀性能的规律，对于提高钻头的使用 寿命，有着非常重要的意义。 5 1 研究内容 根据常压淹没下实验结论，利用围压釜创造围压环境研究常压淹没 下有代表性的试样在不同角度、压力、时间下的冲蚀规律，与常压淹没 下的规律进行对比分析；对所有试样进行测试，结合硬度分析与冲蚀率 的关系。 5 2 实验设备、实验方案 5 2 1 实验设备 图5 - 1 围压冲蚀实验设备示意图 4 2 控压一 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章围压条件下p d c 钻头耐冲蚀实验研究 围压条件下p d c 钻头耐冲蚀实验的主要设备包括：高压泥浆泵、管 路及阀门、泥浆分流阀门、喷嘴以及围压设备等。其中高压泥浆泵、管 路及阀门、泥浆分流阀门、喷嘴与常压淹没条件下所用的设备相同，如 图5 1 所示。 围压设备主要包括3 部分： ( 1 ) 围压釜围压釜上端与安装喷嘴的喷嘴套相连，下端围压控制管线 相连。 图5 - 2 围压釜结构示意图 ( 2 ) 试样固定装置与压力表。 ( 3 ) 围压控制阀及管线。 5 2 2 实验方法、实验步骤 本实验利用围压釜模拟井下围压条件，通过不同参数下的试样耐冲 蚀实验研究其在围压条件下的冲蚀规律。 ( 1 ) 通过调节试样固定装置可以调节冲蚀角度，以研究围压下不同冲 蚀角度对试样的影响； 4 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章围压条件下p d c 钻头耐冲蚀实验研究 ( 2 ) 通过调节分流阀门，控制射流压力，研究围压条件下冲蚀压力对 试样的影响； ( 3 ) 调节围压系统出口处的阀门控制围压，研究围压对试样冲蚀的影 响。 实验步骤如图5 3 所示。 连接管线设备 与常压淹没下结 果进行对比分析 对编号的试样 称重并记录 著分折总结计算冲蚀率 5 2 3 实