專利名稱：一種鉆探應用中使用的耐磨材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鉆孔的鉆探設備領域以及各類硬密封耐磨閥領域，尤其涉及提高鉆井設備和特種硬密封閥類耐用性的耐磨材料。
背景技術：
油井和天然氣井是旋轉(zhuǎn)鉆頭通過鉆探方法形成的，該方法使用連接在鉆柱末端的鉆頭。在與地層接觸時，鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆地產(chǎn)生井眼。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機械裝置帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，該驅(qū)動裝置位于表面上，可以使鉆柱轉(zhuǎn)動從而使鉆頭旋轉(zhuǎn)。布置于鉆柱間的馬達交替地將鉆井液體的水壓轉(zhuǎn)化為鉆頭旋轉(zhuǎn)的動力，減少整個鉆柱的轉(zhuǎn)動需要。在鉆井作業(yè)中，鉆井液體，稱為鉆探泥漿，可以通過鉆柱和鉆井孔上升至表面。鉆探泥漿用于除去鉆探過程中的巖層切屑，減少鉆頭堵塞的發(fā)生，還可以用于冷卻鉆頭和巖層接觸產(chǎn)生的熱量。通常用于鉆井孔的鉆頭的一個基本類型是旋轉(zhuǎn)三牙輪鉆頭和銑齒鉆頭。這些鉆頭通常有一個或多個包含切削齒的牙輪。牙輪被裝在鉆頭體上，將重量施加在鉆頭，鉆體和牙輪旋轉(zhuǎn)，造成切削齒撞擊巖層，使巖層產(chǎn)生鉆井孔。通常使用的鉆頭的另一個基本類型是固定刀翼鉆頭，也被稱為切削型金鋼石鉆頭。固定刀翼鉆頭使用聚晶金鋼石復合片，聚晶金鋼石復合片粘結在鉆頭體上。當固定刀翼鉆頭旋轉(zhuǎn)時，力量施加在聚晶金鋼石復合片，聚晶金鋼石復合片與巖層接觸，巖層在切割作用下分解成碎片，形成鉆井孔。三牙輪鉆頭和金鋼石鉆頭，以及其它與鉆井相關的工具，例如鉆孔器、V-切刀和穩(wěn)定器的表面在鉆井過程中容易受到磨損。例如鉆頭體的側表面與鉆井孔壁的巖層接觸，金鋼石鉆頭的金鋼石復合片之間的表面區(qū)域和孔底的巖層接觸。這些表面需要有一個硬面層，用于抵抗磨損以便保持鉆頭的外形，該硬面層被稱為硬面合金材料。常規(guī)的硬面合金材料包括碳化物。碳化物材料為鉆頭提供耐磨損和耐斷裂性能。 常規(guī)的用于形成硬面層的硬面合金材料還可以包括一種或多種粘結合金，以便提供理想的物理屬性。常規(guī)的合金提供優(yōu)良的熱鑄性能，包含助熔元素Si和B，含有或不含有Cr和狗。采用常規(guī)的熱噴涂方法將硬面層噴涂在鉆頭表面上，例如激光熔覆、等離子噴焊或火焰噴射。源于碳化物和粘結合金之間在熱噴涂過程的熱反應和鉆井時硬面合金材料和井壁磨擦產(chǎn)生高熱，導致內(nèi)應力在硬面層微結構中的碳化鎢和粘結合金基體不均勻分布， 這會造成硬面層的過早磨損、剝落、斷裂和最終的失效。另外，將硬面金屬材料焊接在底板上的過程中，由于粘結材料在液態(tài)下不良流動性，降低微結構的品質(zhì)，難以控制硬面層涂層的均勻厚度來保持設計的外形，這決定著鉆頭的使用壽命。理想的是，提供一種耐磨損和抗斷裂的硬面金屬材料，和施用該材料的方法，以及該材料在鉆井設備上的應用。該材料的使用可以避免在使用過程中由于對材料的熱應力和硬地層的接觸鉆磨而失去鉆孔效用。同時，提供改良工具外形的連續(xù)性和準確性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種強耐磨和抗斷裂的硬面金屬組合物，該組合物包括碳化鎢和一種粘結材料，其中碳化鎢在硬面金屬組合物中的含量超過50重量％，且至少60%體積比的碳化鎢顆粒是球形；所述粘結材料(按重量百分比計)由至少80%鎳、4. 5-11%助熔劑， 3-7%銅和1-5% Cr或Mo或其混合物組成；所述助熔劑選自硼、硅和磷。本發(fā)明的硬面金屬組合物具有良好的沉積流動性，其中在硬面金屬組合物中碳化鎢的含量是粘結劑中助溶劑含量的8-13倍。包括在鎳合金中作為助熔劑的元素是Si、B和 P。在本發(fā)明中，P和Si用為主要的助熔劑以增加使用過程中硬面金屬的流動性。在粘結劑中Si或P的含量大于B的含量。本發(fā)明的硬面金屬組合物具有良好的沉積流動性，其中在硬面金屬組合物中碳化鎢的含量是粘結劑中助溶劑含量的8-13倍，且該硬面金屬的磨損率小于1. ImmVlOOO轉(zhuǎn) (ASTM G65)。本發(fā)明還提供了一種鉆頭，該鉆頭具有至少一層粘結在鉆頭體上的耐磨和抗斷裂的上述硬面金屬組合物。經(jīng)過熱噴涂方法，例如激光熔覆、等離子噴焊或火焰噴射，把該硬面金屬組合物噴涂在工具的金屬基體上。所述工具是三牙輪鉆頭、金鋼石鉆頭、銑齒鉆頭、 鉆孔器、地下擴孔器、穩(wěn)定器和扶正器等。本發(fā)明另外還提供了一種將耐磨和抗斷裂材料噴涂在工具上和耐磨硬密封制品上的方法，包括步驟制得上述由碳化鎢和粘結劑材料組成的硬面金屬組合物；通過熱噴涂方法將硬面金屬組合物噴涂在工具某些部分上。


圖1是普通井下驅(qū)動鉆井系統(tǒng)的圖解示圖。圖2是金鋼石鉆頭的透視圖。圖3是三牙輪鉆頭的透視圖。圖4是穩(wěn)定器的透視圖。圖5是本發(fā)明組合物A的微結構圖象。圖6是本發(fā)明組合物B的微結構圖象。圖7提供了現(xiàn)有技術組合物E的微結構圖象。圖8提供了現(xiàn)有技術組合物F的微結構圖象。
具體實施例方式圖1顯示懸掛在井架4上的鉆柱2，用于在地下挖鉆井孔6以開采和回收礦物，尤其是石油。一個底部鉆具組合8 (BHA)位于鉆柱2的底部。在定向鉆井中，BHA8具有井下驅(qū)動鉆井系統(tǒng)9和包括鉆頭10。隨著鉆頭10旋轉(zhuǎn)，它切開地層，帶著鉆柱前進，形成鉆井孔 6。在非定向鉆井中，BHA8不包括井下驅(qū)動鉆井系統(tǒng)9，可以由一個鉆頭、一個或多個鉆環(huán)和任選的其它提高穩(wěn)定性的工具組成。圖2顯示有鉆頭體100的金鋼石鉆頭，鉆頭體由機件鋼制成。鉆頭體100有一個朝前工作面105，上面裝有多個突起，放射狀間距排列的刀翼102。每個刀翼102帶有多個
5切削元件40，即聚晶金鋼石復合片。在每對臨近的刀翼102之間有通道104，在使用中，通道104可以作為鉆井液流經(jīng)的通道，通過鉆頭體100內(nèi)部的一系列路徑(未顯示)，每個通道終止在噴嘴130。供應鉆井液可以在使用中清洗和冷卻切削元件40，同時提供一種循環(huán)排除巖層切屑出鉆井孔的方法。在鉆頭體100，連接刀翼102朝前工作面105上形成保徑接觸面140，其可以確保鉆頭100的外徑。保徑接觸面140包括壓進保徑接觸面140的耐磨損的插件150，還可以用熱噴涂硬面金屬160包覆耐磨損插件150。保徑接觸面140和鉆井孔的孔壁接觸會造成熱噴涂硬面金屬160的磨損。刀翼102上突出的切削元件被包裹在熱噴涂硬面金屬180內(nèi)，刀翼102的部分或全部會被覆蓋。在切削元件40之間的熱噴涂硬面金屬180的區(qū)域被稱為邊帶。靠近切削元件40的熱噴涂硬面金屬180和形成鉆井孔的地層接觸會造成熱噴涂硬面金屬180的磨損。鉆頭體100的設計包括一個螺紋柄170，使鉆頭與鉆柱連接，驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)以帶動轉(zhuǎn)軸190。在圖3中，三牙輪鉆頭200包括基體210(其部分未顯示)。一個普通的三牙輪鉆頭的基體210包括三個類似的腿部220(只有一個被完全顯示)，在每個腿部分220包括外表面沈0。在接近腿部220的底部，外表面包括一個區(qū)域觀0。外表面260和/或區(qū)域觀0 被熱噴涂硬面材料覆蓋，可以被稱做硬面金屬。旋轉(zhuǎn)切刀240安裝在每個腿部220上。粘結在旋轉(zhuǎn)切刀240上的是切割切刀80，其進入地面進行鉆井，造成旋轉(zhuǎn)切刀240的旋轉(zhuǎn)。包圍在切割切刀80的旋轉(zhuǎn)切刀240的暴露面會用熱噴涂硬面材料覆蓋，被稱做硬面金屬。硬面金屬和鉆井孔的地層接觸會造成硬面金屬的磨損。接近腿部220的旋轉(zhuǎn)切刀240的部分可以被稱為旋轉(zhuǎn)切刀保徑接觸面250，也可以噴涂硬面金屬。旋轉(zhuǎn)切刀的保徑接觸面250通常是一個在旋轉(zhuǎn)切刀240根部的圓錐面，在鉆頭使用時，在旋轉(zhuǎn)切刀MO的保徑接觸面250和鉆井孔的側壁接觸會導致位于250上的
硬面金屬磨損。雖然圖3和在此的討論是關于具有切削元件的三牙輪鉆頭，但是本發(fā)明不局限于這一類型，包括其它鉆頭設計，例如具有從圓錐上突起的齒而不是切刀的銑齒鉆頭。硬面金屬層可以涂在外表面上、腿部底下的外邊緣區(qū)域和齒之間的邊帶，以及齒本身的表面上。圖4所示穩(wěn)定器300包括一個圓柱體310，圓柱體上有排列成與鉆柱或BHA臨近部位匹配的螺紋鋼凹槽320。本體310的輻射外墻380是由多個直立的刀翼340組成。每個刀翼340沿著其長度有統(tǒng)一的高度，除了它的末端350減少至本體310的直徑。刀翼340 實質(zhì)上是與環(huán)繞本體310的間距相同，在這樣的情況下，通常是以螺旋形式。相互連接的成對的臨近刀翼340構成一個或多個橋地區(qū)360。刀翼的表面380和/或橋地區(qū)360覆蓋硬面金屬，用于提供耐磨性，而且可以任選包括耐磨損插件(未顯示)。在另一個實施例中，刀翼340沿著它的長度有相當均一的高度，末端也未減少。在另一個實施例中，刀翼340沿著本體360的長度直線排列，不是螺旋形。在另外一個實施例中，刀翼340之間沒有橋地區(qū)。雖然圖4所示是穩(wěn)定器，但本發(fā)明并不局限于此，包括其它鉆井設備，例如鉆孔器、地下擴孔器、穩(wěn)定器等。本發(fā)明的實施例包括改造的耐磨損和抗斷裂材料的施用而形成的表面。通過任意硬面材料施用方法將耐磨和抗斷裂材料噴涂在鉆頭的表面上，例如熱噴涂方法。本發(fā)明可以包括一或多層耐磨和抗斷裂材料，該材料被涂敷在表面上提供改良的耐磨和抗斷裂性能。本發(fā)明材料可以避免焊接和熱噴涂中常有熱斷裂，也避免了工具設計外形上的不一致。總的來說，本發(fā)明提供了一種材料，當其用在鉆井設備的表面上時，與常規(guī)的硬面合金相比，具有更好的耐磨和抗斷裂性能。因此，本發(fā)明的耐磨和抗斷裂材料和組合物能夠用于克服以上討論的常規(guī)硬面合金出現(xiàn)的斷裂和磨損的問題。鉆頭的基本結構，不管是三牙輪鉆頭或金鋼石鉆頭，或者其它鉆井設備，都是熟知的，不會形成本發(fā)明的具體部分。本發(fā)明的實施例涉及具有高耐磨和抗斷裂組合物材料涂在鉆頭的表面和形成該材料層的方法。本發(fā)明的實施例也包括將該高耐磨和抗斷裂組合物材料表面施用在鉆頭之外其它鉆井設備上，例如用于擴張鉆井孔直徑的鉆孔器。總的來說，在強沖蝕和其它高磨損條件下，當鉆頭的部分與鉆井孔接觸時，提供高耐磨和抗斷裂材料對于鉆頭的有效使用是相當重要的。鉆頭的有效壽命隨著耐磨和抗斷裂性能增加而提高。由于磨損發(fā)生，當進尺率減少到不能接受的水平時，鉆頭需要替換。因此， 理想的是減少磨損以便每個鉆頭能達到最高的鉆進進尺。這不僅減少直接的成本，也可以減少用新鉆頭替換舊鉆頭時井柱上下往返的頻率和時間。由于保徑接觸表面磨損，鉆頭鉆的洞的直徑會變小，有時會造成鉆井問題或者需要用另一個鉆頭來擴洞。鉆頭表面耐磨和抗斷裂性能的提高有利于延長保徑的壽命，增加鉆頭在替換前的鉆井進尺，提高這種鉆頭的穿透率。這可以減少鉆井花費。通過合適方法可以將本發(fā)明的耐磨和抗斷裂材料噴涂在鉆頭表面上。耐磨和抗斷裂材料可用熱噴涂方法，例如激光熔覆、等離子噴焊、火焰噴射或氧乙炔焊接方法。本發(fā)明實施例制備的高耐磨和抗斷裂的鉆井設備具有厚度是0. 1-lOmm，任選 l-8mm，任選2-5mm的表面層。根據(jù)組合物材料的選擇、鉆頭基體和鉆頭的施用，可以準確的控制表面層厚度在這個范圍內(nèi)變化。 碳化鎢，以鑄造WC和/或W2C的形式，可以給耐磨和抗斷裂組合物材料提供硬度和韌性。可以使用三種不同的碳化鎢球鑄形的wc/w2c，鑄型和壓碎的WC/W2C和大晶體的WC。 在硬度屬性方面，球鑄形的wc/w2c的硬度大于鑄型和壓碎的WC/W2C，鑄型和壓碎的WC/W2C 的硬度大于大晶體的WC。在韌性屬性方面，球鑄形的WC/W2C的韌性大于大晶體的WC，大晶體的WC的韌性大于鑄型和壓碎的WC/W2C。WC和W2C的熱屬性相當接近。因此，理想的是， 使用球鑄形的wc/w2c會使耐磨和抗斷裂組合物材料的硬度和韌性合理化。根據(jù)本發(fā)明的實施例，球鑄形的WC/W2C占總的碳化鎢至少60%體積比。在另一個實施例中，球鑄形的WC/W2C占總的碳化鎢至少70%體積比，任選至少80%。常規(guī)的硬面金屬粘結劑材料通常是由選自Co、Ni、Fe、Cr、B、Si和其合金組成。在本發(fā)明中，發(fā)現(xiàn)硬面金屬粘結劑材料的理想屬性是高耐斷裂性能和強韌性。具有強韌性的硬面金屬粘結材料已經(jīng)被證明在使用過程中能減少斷裂。強耐磨和抗斷裂的硬面金屬是碳化鎢和粘結劑之間的合理平衡，可提供最大的耐磨性能和合理韌性的粘結劑合金。在硬面合金中各種粘結化合物的微硬度和流動性比較列于表1中。在表中，除鎳之外，化學元素前面的數(shù)目代表該元素在粘結材料組合物中的重量百分含量，鎳的重量百分含量為100%減去其它元素的含量。本發(fā)明方法生產(chǎn)了樣品A和B。樣品A由65%重量比的WC/W2(^P 重量比的粘結劑組合物(Ni-3Cr-5. 5Cu_l. 5Mo_2P_2. 5Si_lB)組成，包含60%體積比的球形WC/W2C。樣品B由重量比的球形WC/W2C^P 45%重量比的粘結組合物(Ni-3Cr-5. 5Cu-l. 5Mo_2P-2. 5Si_lB)組成。樣品C到F是現(xiàn)有技術中的硬面合金。樣品E是一種購自Eutectic公司的名為Eutectic 8913的市售硬面合金，具有55%重量比多角形的WC/ff2C和45%重量比的粘結組合物(Ni-7. 5Cr-3Fe-3. 5Si_l. 5B-0. 3C)。樣品F是一種購自iTechnogenia S. A.的市售硬面合金，具有60%重量比的球形WC/W2C和40%重量比的粘結組合物(Ni-9. 5Cr-3Fe-3Si-l. 6B-0. 6C)。樣品A到F的硬面合金是將WC/ff2C和粘結劑混合粉末用火焰噴射噴涂在金屬基體上。在噴涂過程中，硬面金屬在金屬基體上的沉積取決于硬面金屬材料的流動性。好的流動性會使硬面金屬材料有較好的粘結和更均勻的分布和更連續(xù)的施用厚度。在噴涂施用中，觀察評估含有多種粘結組合物和碳化鎢組成的多個硬面金屬樣品的流動性(表1)。硬面金屬中碳化鎢和粘結劑的硬度用Vicker’ s硬度測定儀以金剛錐壓頭負載 300g來測定。WC/W2C的微硬度是在2300-2600HV3，粘結劑的微硬度列在表1中。表 權利要求
1.一種強耐磨和抗斷裂硬面金屬組合物，其特征在于該組合物包括碳化鎢和一種粘結材料，其中碳化鎢在硬面金屬組合物中的含量超過50重量％，且至少60%體積比的碳化鎢顆粒是球形；所述粘結材料(按重量百分比計)由至少80%鎳、4. 5-11%助熔劑，3-7% 銅和1-5% Cr或Mo或其混合物組成；所述助熔劑選自硼、硅和磷。
2.如權利要求1所述的硬面金屬組合物，其特征在于碳化鎢在硬面金屬組合物中的含量超過50-80重量％。
3.如權利要求1所述的硬面金屬組合物，其特征在于該硬面金屬組合物具有良好的流動性，碳化鎢在硬面金屬組合物中的含量是粘結劑中助熔劑含量的8-13倍。
4.如權利要求1所述的硬面金屬組合物，其特征在于所述硬面金屬組合物的磨損率小于 1. ImmVlOOO 轉(zhuǎn)。
5.如權利要求1所述的硬面金屬組合物，其特征在于利用熱噴涂方法將所述硬面金屬組合物噴涂在基底金屬上。
6.如權利要求5所述的硬面金屬組合物，其特征在于其中熱噴涂方法為激光熔覆、等離子噴焊或火焰噴射。
7.如權利要求1所述的硬面金屬組合物，其特征在于其中采用熱噴涂方法將所述硬面金屬組合物噴涂在鉆探工具、硬密封耐磨制品上，其中所述工具為三牙輪鉆頭、金鋼石鉆頭、銑齒鉆頭、鉆孔器、地下擴孔器、鉆挺、穩(wěn)定器或扶正器和耐磨閥球、閥座、閥芯軸等。
8.一種鉆頭，其特征在于在鉆體上噴涂了至少一層強耐磨和抗斷裂硬面金屬組合物；所述的硬面金屬組合物包括碳化鎢和一種粘結材料，其中碳化鎢在硬面金屬組合物中的含量超過50重量％，且至少60%體積比的碳化鎢顆粒是球形；所述粘結材料(按重量百分比計)由至少80%鎳、4. 5-11%助熔劑，3-7%銅和1-5% Cr或Mo或其混合物組成；所述助熔劑選自硼、硅和磷。
9.如權利要求8所述的鉆頭，其中鉆頭是三牙輪鉆頭。
10.如權利要求8所述的鉆頭，所述硬面金屬組合物的磨損率小于1.ImmVlOOO轉(zhuǎn)。
11.如權利要求8所述的鉆頭，其特征在于利用熱噴涂方法將所述硬面金屬組合物噴涂在工具上。
12.如權利要求11所述的鉆頭，其中熱噴涂方法為激光熔覆、等離子噴焊或火焰噴射。
13.一種將耐磨和抗斷裂材料噴涂在工具上的方法，包括1).制得一種硬面金屬組合物，所述的硬面金屬組合物包括碳化鎢和一種粘結材料，其中碳化鎢在硬面金屬組合物中的含量超過50重量％，且至少60%體積比的碳化鎢顆粒是球形；所述粘結材料(按重量百分比計)由至少80%鎳、4. 5-11%助熔劑，3-7%銅和1-5% Cr或Mo或其混合物組成；所述助熔劑選自硼、硅和磷；2).將硬面金屬組合物噴涂在工具上。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于碳化鎢在硬面金屬組合物中的含量超過 50-80 重量 ％。
15.如權利要求13所述的方法，其特征在于該硬面金屬組合物具有良好的流動性，碳化鎢在硬面金屬組合物中的含量是粘結劑中助熔劑含量的8-13倍。
16.如權利要求13所述的方法，其特征在于利用熱噴涂方法將所述硬面金屬組合物噴涂在基底金屬上。
17.如權利要求13所述的方法，其中熱噴涂方法為激光熔覆、等離子噴焊或火焰噴射。
18.如權利要求13所述的方法，其特征在于所述工具為三牙輪鉆頭、金鋼石鉆頭、銑齒鉆頭、鉆孔器、地下擴孔器、鉆挺、穩(wěn)定器或扶正器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種強耐磨和抗斷裂的硬面金屬組合物，特別是一種鉆探應用中使用的耐磨材料，包含碳化鎢和鎳基質(zhì)粘結劑，其中碳化鎢在硬面金屬組合物中的含量超過50重量％，且至少60％體積比的碳化鎢顆粒是球形；所述粘結材料(按重量百分比計)由至少80％鎳、4.5-11％助熔劑，3-7％銅和1-5％Cr或Mo或其混合物組成；所述助熔劑選自硼、硅和磷。
文檔編號C23C4/16GK102534343SQ201210058020
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月7日 優(yōu)先權日2012年3月7日
發(fā)明者徐躍華 申請人:株洲西迪硬質(zhì)合金科技有限公司