[发明专利]一种钻探应用中使用的耐磨材料

说明书

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。

技术背景

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Fe。

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匀分布，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匀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1.1mm³/1000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。

附图说明

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。