[發(fā)明專利]一種鉆頭鋼體表面防泥包耐磨改性層的制備方法

有效

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• 申請日: 2017-11-25
• 公開（公告）號: CN109868440B
• 公開（公告）日: 2020-05-01
• 發(fā)明（設計）人: 朱麗娜;喬娟;岳文;付志強;康嘉杰;王成彪
• 申請（專利權(quán)）人: 中國地質(zhì)大學（北京）
• 主分類號: C23C4/129
• 分類號: C23C4/129;C23C4/06;C23C4/18;C21D1/09;C23F17/00
• 代理公司: 北京中譽威圣知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11279
• 代理人: 蔣常雪

本發(fā)明公開了一種鉆頭鋼體表面防泥包耐磨改性層的制備方法，包括以下步驟：(1)對合金鋼進行打磨、噴砂預處理；(2)采用超音速火焰噴涂系統(tǒng)進行噴涂；(3)SiC砂紙研磨，拋光，清洗；(4)激光器進行織構(gòu)的制備；(5)拋光、超聲清洗、烘干，即在合金鋼的表面制備出表面防泥包耐磨改性層。本發(fā)明的制備方法簡單易行。制備得到的改性層具有硬度高，孔隙率和脫碳率低，以及優(yōu)異的耐磨性等優(yōu)點，適用于對鉆頭鋼體進行強化，以提高其耐磨性。激光表面織構(gòu)技術(shù)對環(huán)境無污染、制作簡單、形貌可控，可提高涂層表面的防泥包性能，對耐磨性能的提升也有一定幫助。所獲得的復合強化層防泥包性能及摩擦磨損性能均得到改善。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鉆探鉆頭技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鉆頭鋼體表面防泥包耐磨改性層的制備方法。

背景技術(shù)

1.1研究現(xiàn)狀與存在問題

隨著工業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，全球?qū)τ蜌赓Y源的需求也急劇增加，但是由于常規(guī)油氣田的發(fā)現(xiàn)量逐年減小、開采難度逐漸增大，因此對泥頁巖油氣、煤層氣和天然氣水合物等非常規(guī)油氣資源的開發(fā)需求日益迫切。我國泥頁巖油氣資源量相當豐富，是未來油氣勘探和開采的重要領(lǐng)域。但是，由于泥頁巖具有比表面大、孔隙小、結(jié)構(gòu)復雜、易吸水膨脹等特殊性，因此對于鉆探機具的性能提出了嚴苛的要求和巨大的挑戰(zhàn)。

鉆頭作為石油礦產(chǎn)勘探開發(fā)中主要的破巖工具，其性能直接影響到鉆井質(zhì)量、鉆進速度以及鉆井成本。聚晶金剛石復合片(Polycrystalline Diamond Compact-PDC)鉆頭(以下簡稱PDC鉆頭)是目前應用最多的一種鉆頭，其是用鎳、鉻、鉬合金機械加工成鉆頭鋼體，經(jīng)過熱處理后在鉆頭鋼體上鉆孔，將聚晶金剛石復合片壓入或釬焊到鉆頭鋼體內(nèi)。由于PDC鉆頭具有獨特的剪切破巖方式，以及鉆速快、效率高、壽命長等優(yōu)勢，目前已成為油氣鉆井的主力鉆頭。

然而，使用PDC鉆頭在泥頁巖中鉆進時容易產(chǎn)生“泥包”現(xiàn)象—即在鉆進過程中切削出的泥質(zhì)巖屑遇水后不能及時排離孔底而粘附于鉆頭上，便形成鉆頭泥包。PDC鉆頭為整體式鉆頭，整個鉆頭沒有活動零部件，因此比普通的牙輪鉆頭更容易產(chǎn)生泥包。一旦PDC鉆頭發(fā)生“泥包”，輕者大幅度降低機械鉆速，影響鉆進效率；重者鉆進停止，被迫起鉆清洗鉆頭；更有甚者產(chǎn)生卡鉆等嚴重孔內(nèi)事故，危及設備安全并造成巨大的經(jīng)濟損失。此外，如果油氣埋藏較深，隨著鉆井深度的增大，“泥包”現(xiàn)象呈現(xiàn)加重的趨勢，將導致鉆深較大時鉆頭打滑嚴重，無法有效鉆進甚至前功盡棄。可見，“泥包”現(xiàn)象嚴重制約了PDC鉆頭在泥頁巖油氣層等特殊地層鉆探領(lǐng)域的更廣泛應用，因此，解決PDC鉆頭“泥包”問題對提高鉆進效率、縮短鉆井周期、降低鉆井成本具有重要的意義。

導致PDC鉆頭泥包的因素很多，主要包括地層地質(zhì)特點等方面的地質(zhì)因素，以及鉆頭結(jié)構(gòu)設計因素和鉆井液成分性能因素等。(1)地質(zhì)因素：泥頁巖易于水化分散，使井眼內(nèi)泥質(zhì)等固相含量顯著增高，吸附于鉆頭表面造成鉆頭泥包。(2)鉆頭結(jié)構(gòu)因素：鉆頭水力結(jié)構(gòu)設計不合理，將直接影響井底清洗效果及巖屑的順暢排出；鉆頭流道設計不合理則不能保證鉆屑順利脫離井底。(3)鉆井液因素：鉆井液抑制性較弱，則不能有效抑制地層中泥頁巖的水化膨脹；鉆井液潤滑性能較差，則無法在鉆頭表面形成有效的保護膜，導致鉆井液中的劣質(zhì)固相易吸附在鉆頭上。可見，PDC鉆頭泥包現(xiàn)象的誘因中，除地質(zhì)因素外，其它因素都是可以嘗試避免的。

針對上述引發(fā)鉆頭泥包問題的因素，本領(lǐng)域研究人員圍繞以下科學問題進行了有針對性的研究：(1)基于計算流體動力學提高流經(jīng)PDC鉆頭切削齒的流體速度；(2)通過物理化學作用改善鉆井液對巖屑的潤濕性；(3)基于涂層技術(shù)消除巖屑在鉆頭表面的機械粘附和化學粘附。

通過對上述研究成果的綜合分析發(fā)現(xiàn)：如果能夠制備出疏水性和耐磨性均優(yōu)良的涂層，則有望解決PDC鉆頭的泥包問題和服役持久性問題。目前，超音速火焰噴涂技術(shù)(HVOF)制備的WC-CoCr金屬陶瓷涂層由于具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕性能和良好結(jié)合強度，已經(jīng)成熟應用于鉆桿、套管等鉆探機械零部件的表面強化，也適于對鉆頭鋼體進行強化。但是，如何改善WC-CoCr涂層的疏水性能，達到既耐磨又防泥包的目的，成為亟待解決的問題。