专利名称：一种钻探应用中使用的耐磨材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及钻孔的钻探设备领域以及各类硬密封耐磨阀领域，尤其涉及提高钻井设备和特种硬密封阀类耐用性的耐磨材料。
背景技术：
油井和天然气井是旋转钻头通过钻探方法形成的，该方法使用连接在钻柱末端的钻头。在与地层接触时，钻头旋转钻地产生井眼。旋转驱动机械装置带动钻头旋转，该驱动装置位于表面上，可以使钻柱转动从而使钻头旋转。布置于钻柱间的马达交替地将钻井液体的水压转化为钻头旋转的动力，减少整个钻柱的转动需要。在钻井作业中，钻井液体，称为钻探泥浆，可以通过钻柱和钻井孔上升至表面。钻探泥浆用于除去钻探过程中的岩层切屑，减少钻头堵塞的发生，还可以用于冷却钻头和岩层接触产生的热量。通常用于钻井孔的钻头的一个基本类型是旋转三牙轮钻头和铣齿钻头。这些钻头通常有一个或多个包含切削齿的牙轮。牙轮被装在钻头体上，将重量施加在钻头，钻体和牙轮旋转，造成切削齿撞击岩层，使岩层产生钻井孔。通常使用的钻头的另一个基本类型是固定刀翼钻头，也被称为切削型金钢石钻头。固定刀翼钻头使用聚晶金钢石复合片，聚晶金钢石复合片粘结在钻头体上。当固定刀翼钻头旋转时，力量施加在聚晶金钢石复合片，聚晶金钢石复合片与岩层接触，岩层在切割作用下分解成碎片，形成钻井孔。三牙轮钻头和金钢石钻头，以及其它与钻井相关的工具，例如钻孔器、V-切刀和稳定器的表面在钻井过程中容易受到磨损。例如钻头体的侧表面与钻井孔壁的岩层接触，金钢石钻头的金钢石复合片之间的表面区域和孔底的岩层接触。这些表面需要有一个硬面层，用于抵抗磨损以便保持钻头的外形，该硬面层被称为硬面合金材料。常规的硬面合金材料包括碳化物。碳化物材料为钻头提供耐磨损和耐断裂性能。 常规的用于形成硬面层的硬面合金材料还可以包括一种或多种粘结合金，以便提供理想的物理属性。常规的合金提供优良的热铸性能，包含助熔元素Si和B，含有或不含有Cr和狗。采用常规的热喷涂方法将硬面层喷涂在钻头表面上，例如激光熔覆、等离子喷焊或火焰喷射。源于碳化物和粘结合金之间在热喷涂过程的热反应和钻井时硬面合金材料和井壁磨擦产生高热，导致内应力在硬面层微结构中的碳化钨和粘结合金基体不均勻分布， 这会造成硬面层的过早磨损、剥落、断裂和最终的失效。另外，将硬面金属材料焊接在底板上的过程中，由于粘结材料在液态下不良流动性，降低微结构的品质，难以控制硬面层涂层的均勻厚度来保持设计的外形，这决定着钻头的使用寿命。理想的是，提供一种耐磨损和抗断裂的硬面金属材料，和施用该材料的方法，以及该材料在钻井设备上的应用。该材料的使用可以避免在使用过程中由于对材料的热应力和硬地层的接触钻磨而失去钻孔效用。同时，提供改良工具外形的连续性和准确性。
发明内容
本发明提供了一种强耐磨和抗断裂的硬面金属组合物，该组合物包括碳化钨和一种粘结材料，其中碳化钨在硬面金属组合物中的含量超过50重量％，且至少60%体积比的碳化钨颗粒是球形；所述粘结材料(按重量百分比计)由至少80%镍、4. 5-11%助熔剂， 3-7%铜和1-5% Cr或Mo或其混合物组成；所述助熔剂选自硼、硅和磷。本发明的硬面金属组合物具有良好的沉积流动性，其中在硬面金属组合物中碳化钨的含量是粘结剂中助溶剂含量的8-13倍。包括在镍合金中作为助熔剂的元素是Si、B和 P。在本发明中，P和Si用为主要的助熔剂以增加使用过程中硬面金属的流动性。在粘结剂中Si或P的含量大于B的含量。本发明的硬面金属组合物具有良好的沉积流动性，其中在硬面金属组合物中碳化钨的含量是粘结剂中助溶剂含量的8-13倍，且该硬面金属的磨损率小于1. ImmVlOOO转 (ASTM G65)。本发明还提供了一种钻头，该钻头具有至少一层粘结在钻头体上的耐磨和抗断裂的上述硬面金属组合物。经过热喷涂方法，例如激光熔覆、等离子喷焊或火焰喷射，把该硬面金属组合物喷涂在工具的金属基体上。所述工具是三牙轮钻头、金钢石钻头、铣齿钻头、 钻孔器、地下扩孔器、稳定器和扶正器等。本发明另外还提供了一种将耐磨和抗断裂材料喷涂在工具上和耐磨硬密封制品上的方法，包括步骤制得上述由碳化钨和粘结剂材料组成的硬面金属组合物；通过热喷涂方法将硬面金属组合物喷涂在工具某些部分上。
图1是普通井下驱动钻井系统的图解示图。图2是金钢石钻头的透视图。图3是三牙轮钻头的透视图。图4是稳定器的透视图。图5是本发明组合物A的微结构图象。图6是本发明组合物B的微结构图象。图7提供了现有技术组合物E的微结构图象。图8提供了现有技术组合物F的微结构图象。
具体实施例方式图1显示悬挂在井架4上的钻柱2，用于在地下挖钻井孔6以开采和回收矿物，尤其是石油。一个底部钻具组合8 (BHA)位于钻柱2的底部。在定向钻井中，BHA8具有井下驱动钻井系统9和包括钻头10。随着钻头10旋转，它切开地层，带着钻柱前进，形成钻井孔 6。在非定向钻井中，BHA8不包括井下驱动钻井系统9，可以由一个钻头、一个或多个钻环和任选的其它提高稳定性的工具组成。图2显示有钻头体100的金钢石钻头，钻头体由机件钢制成。钻头体100有一个朝前工作面105，上面装有多个突起，放射状间距排列的刀翼102。每个刀翼102带有多个
5切削元件40，即聚晶金钢石复合片。在每对临近的刀翼102之间有通道104，在使用中，通道104可以作为钻井液流经的通道，通过钻头体100内部的一系列路径(未显示)，每个通道终止在喷嘴130。供应钻井液可以在使用中清洗和冷却切削元件40，同时提供一种循环排除岩层切屑出钻井孔的方法。在钻头体100，连接刀翼102朝前工作面105上形成保径接触面140，其可以确保钻头100的外径。保径接触面140包括压进保径接触面140的耐磨损的插件150，还可以用热喷涂硬面金属160包覆耐磨损插件150。保径接触面140和钻井孔的孔壁接触会造成热喷涂硬面金属160的磨损。刀翼102上突出的切削元件被包裹在热喷涂硬面金属180内，刀翼102的部分或全部会被覆盖。在切削元件40之间的热喷涂硬面金属180的区域被称为边带。靠近切削元件40的热喷涂硬面金属180和形成钻井孔的地层接触会造成热喷涂硬面金属180的磨损。钻头体100的设计包括一个螺纹柄170，使钻头与钻柱连接，驱动钻头旋转以带动转轴190。在图3中，三牙轮钻头200包括基体210(其部分未显示)。一个普通的三牙轮钻头的基体210包括三个类似的腿部220(只有一个被完全显示)，在每个腿部分220包括外表面沈0。在接近腿部220的底部，外表面包括一个区域观0。外表面260和/或区域观0 被热喷涂硬面材料覆盖，可以被称做硬面金属。旋转切刀240安装在每个腿部220上。粘结在旋转切刀240上的是切割切刀80，其进入地面进行钻井，造成旋转切刀240的旋转。包围在切割切刀80的旋转切刀240的暴露面会用热喷涂硬面材料覆盖，被称做硬面金属。硬面金属和钻井孔的地层接触会造成硬面金属的磨损。接近腿部220的旋转切刀240的部分可以被称为旋转切刀保径接触面250，也可以喷涂硬面金属。旋转切刀的保径接触面250通常是一个在旋转切刀240根部的圆锥面，在钻头使用时，在旋转切刀MO的保径接触面250和钻井孔的侧壁接触会导致位于250上的
硬面金属磨损。虽然图3和在此的讨论是关于具有切削元件的三牙轮钻头，但是本发明不局限于这一类型，包括其它钻头设计，例如具有从圆锥上突起的齿而不是切刀的铣齿钻头。硬面金属层可以涂在外表面上、腿部底下的外边缘区域和齿之间的边带，以及齿本身的表面上。图4所示稳定器300包括一个圆柱体310，圆柱体上有排列成与钻柱或BHA临近部位匹配的螺纹钢凹槽320。本体310的辐射外墙380是由多个直立的刀翼340组成。每个刀翼340沿着其长度有统一的高度，除了它的末端350减少至本体310的直径。刀翼340 实质上是与环绕本体310的间距相同，在这样的情况下，通常是以螺旋形式。相互连接的成对的临近刀翼340构成一个或多个桥地区360。刀翼的表面380和/或桥地区360覆盖硬面金属，用于提供耐磨性，而且可以任选包括耐磨损插件(未显示)。在另一个实施例中，刀翼340沿着它的长度有相当均一的高度，末端也未减少。在另一个实施例中，刀翼340沿着本体360的长度直线排列，不是螺旋形。在另外一个实施例中，刀翼340之间没有桥地区。虽然图4所示是稳定器，但本发明并不局限于此，包括其它钻井设备，例如钻孔器、地下扩孔器、稳定器等。本发明的实施例包括改造的耐磨损和抗断裂材料的施用而形成的表面。通过任意硬面材料施用方法将耐磨和抗断裂材料喷涂在钻头的表面上，例如热喷涂方法。本发明可以包括一或多层耐磨和抗断裂材料，该材料被涂敷在表面上提供改良的耐磨和抗断裂性能。本发明材料可以避免焊接和热喷涂中常有热断裂，也避免了工具设计外形上的不一致。总的来说，本发明提供了一种材料，当其用在钻井设备的表面上时，与常规的硬面合金相比，具有更好的耐磨和抗断裂性能。因此，本发明的耐磨和抗断裂材料和组合物能够用于克服以上讨论的常规硬面合金出现的断裂和磨损的问题。钻头的基本结构，不管是三牙轮钻头或金钢石钻头，或者其它钻井设备，都是熟知的，不会形成本发明的具体部分。本发明的实施例涉及具有高耐磨和抗断裂组合物材料涂在钻头的表面和形成该材料层的方法。本发明的实施例也包括将该高耐磨和抗断裂组合物材料表面施用在钻头之外其它钻井设备上，例如用于扩张钻井孔直径的钻孔器。总的来说，在强冲蚀和其它高磨损条件下，当钻头的部分与钻井孔接触时，提供高耐磨和抗断裂材料对于钻头的有效使用是相当重要的。钻头的有效寿命随着耐磨和抗断裂性能增加而提高。由于磨损发生，当进尺率减少到不能接受的水平时，钻头需要替换。因此， 理想的是减少磨损以便每个钻头能达到最高的钻进进尺。这不仅减少直接的成本，也可以减少用新钻头替换旧钻头时井柱上下往返的频率和时间。由于保径接触表面磨损，钻头钻的洞的直径会变小，有时会造成钻井问题或者需要用另一个钻头来扩洞。钻头表面耐磨和抗断裂性能的提高有利于延长保径的寿命，增加钻头在替换前的钻井进尺，提高这种钻头的穿透率。这可以减少钻井花费。通过合适方法可以将本发明的耐磨和抗断裂材料喷涂在钻头表面上。耐磨和抗断裂材料可用热喷涂方法，例如激光熔覆、等离子喷焊、火焰喷射或氧乙炔焊接方法。本发明实施例制备的高耐磨和抗断裂的钻井设备具有厚度是0. 1-lOmm，任选 l-8mm，任选2-5mm的表面层。根据组合物材料的选择、钻头基体和钻头的施用，可以准确的控制表面层厚度在这个范围内变化。 碳化钨，以铸造WC和/或W2C的形式，可以给耐磨和抗断裂组合物材料提供硬度和韧性。可以使用三种不同的碳化钨球铸形的wc/w2c，铸型和压碎的WC/W2C和大晶体的WC。 在硬度属性方面，球铸形的wc/w2c的硬度大于铸型和压碎的WC/W2C，铸型和压碎的WC/W2C 的硬度大于大晶体的WC。在韧性属性方面，球铸形的WC/W2C的韧性大于大晶体的WC，大晶体的WC的韧性大于铸型和压碎的WC/W2C。WC和W2C的热属性相当接近。因此，理想的是， 使用球铸形的wc/w2c会使耐磨和抗断裂组合物材料的硬度和韧性合理化。根据本发明的实施例，球铸形的WC/W2C占总的碳化钨至少60%体积比。在另一个实施例中，球铸形的WC/W2C占总的碳化钨至少70%体积比，任选至少80%。常规的硬面金属粘结剂材料通常是由选自Co、Ni、Fe、Cr、B、Si和其合金组成。在本发明中，发现硬面金属粘结剂材料的理想属性是高耐断裂性能和强韧性。具有强韧性的硬面金属粘结材料已经被证明在使用过程中能减少断裂。强耐磨和抗断裂的硬面金属是碳化钨和粘结剂之间的合理平衡，可提供最大的耐磨性能和合理韧性的粘结剂合金。在硬面合金中各种粘结化合物的微硬度和流动性比较列于表1中。在表中，除镍之外，化学元素前面的数目代表该元素在粘结材料组合物中的重量百分含量，镍的重量百分含量为100%减去其它元素的含量。本发明方法生产了样品A和B。样品A由65%重量比的WC/W2(^P 重量比的粘结剂组合物(Ni-3Cr-5. 5Cu_l. 5Mo_2P_2. 5Si_lB)组成，包含60%体积比的球形WC/W2C。样品B由重量比的球形WC/W2C^P 45%重量比的粘结组合物(Ni-3Cr-5. 5Cu-l. 5Mo_2P-2. 5Si_lB)组成。样品C到F是现有技术中的硬面合金。样品E是一种购自Eutectic公司的名为Eutectic 8913的市售硬面合金，具有55%重量比多角形的WC/ff2C和45%重量比的粘结组合物(Ni-7. 5Cr-3Fe-3. 5Si_l. 5B-0. 3C)。样品F是一种购自iTechnogenia S. A.的市售硬面合金，具有60%重量比的球形WC/W2C和40%重量比的粘结组合物(Ni-9. 5Cr-3Fe-3Si-l. 6B-0. 6C)。样品A到F的硬面合金是将WC/ff2C和粘结剂混合粉末用火焰喷射喷涂在金属基体上。在喷涂过程中，硬面金属在金属基体上的沉积取决于硬面金属材料的流动性。好的流动性会使硬面金属材料有较好的粘结和更均匀的分布和更连续的施用厚度。在喷涂施用中，观察评估含有多种粘结组合物和碳化钨组成的多个硬面金属样品的流动性(表1)。硬面金属中碳化钨和粘结剂的硬度用Vicker’ s硬度测定仪以金刚锥压头负载 300g来测定。WC/W2C的微硬度是在2300-2600HV3，粘结剂的微硬度列在表1中。表 权利要求
1.一种强耐磨和抗断裂硬面金属组合物，其特征在于该组合物包括碳化钨和一种粘结材料，其中碳化钨在硬面金属组合物中的含量超过50重量％，且至少60%体积比的碳化钨颗粒是球形；所述粘结材料(按重量百分比计)由至少80%镍、4. 5-11%助熔剂，3-7% 铜和1-5% Cr或Mo或其混合物组成；所述助熔剂选自硼、硅和磷。
2.如权利要求1所述的硬面金属组合物，其特征在于碳化钨在硬面金属组合物中的含量超过50-80重量％。
3.如权利要求1所述的硬面金属组合物，其特征在于该硬面金属组合物具有良好的流动性，碳化钨在硬面金属组合物中的含量是粘结剂中助熔剂含量的8-13倍。
4.如权利要求1所述的硬面金属组合物，其特征在于所述硬面金属组合物的磨损率小于 1. ImmVlOOO 转。
5.如权利要求1所述的硬面金属组合物，其特征在于利用热喷涂方法将所述硬面金属组合物喷涂在基底金属上。
6.如权利要求5所述的硬面金属组合物，其特征在于其中热喷涂方法为激光熔覆、等离子喷焊或火焰喷射。
7.如权利要求1所述的硬面金属组合物，其特征在于其中采用热喷涂方法将所述硬面金属组合物喷涂在钻探工具、硬密封耐磨制品上，其中所述工具为三牙轮钻头、金钢石钻头、铣齿钻头、钻孔器、地下扩孔器、钻挺、稳定器或扶正器和耐磨阀球、阀座、阀芯轴等。
8.一种钻头，其特征在于在钻体上喷涂了至少一层强耐磨和抗断裂硬面金属组合物；所述的硬面金属组合物包括碳化钨和一种粘结材料，其中碳化钨在硬面金属组合物中的含量超过50重量％，且至少60%体积比的碳化钨颗粒是球形；所述粘结材料(按重量百分比计)由至少80%镍、4. 5-11%助熔剂，3-7%铜和1-5% Cr或Mo或其混合物组成；所述助熔剂选自硼、硅和磷。
9.如权利要求8所述的钻头，其中钻头是三牙轮钻头。
10.如权利要求8所述的钻头，所述硬面金属组合物的磨损率小于1.ImmVlOOO转。
11.如权利要求8所述的钻头，其特征在于利用热喷涂方法将所述硬面金属组合物喷涂在工具上。
12.如权利要求11所述的钻头，其中热喷涂方法为激光熔覆、等离子喷焊或火焰喷射。
13.一种将耐磨和抗断裂材料喷涂在工具上的方法，包括1).制得一种硬面金属组合物，所述的硬面金属组合物包括碳化钨和一种粘结材料，其中碳化钨在硬面金属组合物中的含量超过50重量％，且至少60%体积比的碳化钨颗粒是球形；所述粘结材料(按重量百分比计)由至少80%镍、4. 5-11%助熔剂，3-7%铜和1-5% Cr或Mo或其混合物组成；所述助熔剂选自硼、硅和磷；2).将硬面金属组合物喷涂在工具上。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于碳化钨在硬面金属组合物中的含量超过 50-80 重量 ％。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于该硬面金属组合物具有良好的流动性，碳化钨在硬面金属组合物中的含量是粘结剂中助熔剂含量的8-13倍。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于利用热喷涂方法将所述硬面金属组合物喷涂在基底金属上。
17.如权利要求13所述的方法，其中热喷涂方法为激光熔覆、等离子喷焊或火焰喷射。
18.如权利要求13所述的方法，其特征在于所述工具为三牙轮钻头、金钢石钻头、铣齿钻头、钻孔器、地下扩孔器、钻挺、稳定器或扶正器。
全文摘要
本发明涉及一种强耐磨和抗断裂的硬面金属组合物，特别是一种钻探应用中使用的耐磨材料，包含碳化钨和镍基质粘结剂，其中碳化钨在硬面金属组合物中的含量超过50重量％，且至少60％体积比的碳化钨颗粒是球形；所述粘结材料(按重量百分比计)由至少80％镍、4.5-11％助熔剂，3-7％铜和1-5％Cr或Mo或其混合物组成；所述助熔剂选自硼、硅和磷。
文档编号C23C4/16GK102534343SQ201210058020
公开日2012年7月4日 申请日期2012年3月7日 优先权日2012年3月7日
发明者徐跃华 申请人:株洲西迪硬质合金科技有限公司