田红平，张烈华，许林 （江汉石油钻头股份有限公司，湖北 潜江430223）

随着石油资源的持续开发，钻井不断向深部地层延伸，相应的钻井技术也在不断发展。在深井硬地层，牙轮钻头出现的合金齿断裂失效和早期磨损失效的现象也越来越严重。通过对失效后的硬质合金齿进行分析，除了钻头结构和钻井本身的原因之外，发生断裂失效的主要原因是硬质合金齿内部的韧性不够，而发生磨损失效的主要原因是合金齿的耐磨损性不够［1］。

对于传统的硬质合金材料，由于其原材料本身的局限性，当提高硬质合金的韧性时，其耐磨性能会降低，而当提高其耐磨性时，其韧性又会降低，因此同时提高硬质合金的耐磨性与韧性是研究的主要目标。形成外硬内韧的硬质合金材料结构为解决硬质合金齿的断齿和磨损问题提供了新的解决方案。

梯度硬质合金技术能在硬质合金的表面形成一层含钴量低、硬度较高的梯度层，形成了外硬内韧的材料结构，既提高了表层的耐磨性，又保持了整体的韧性，很好地解决了表层的耐磨性与整体的韧性之间的矛盾。梯度硬质合金齿的这种特点，也将使梯度硬质合金齿牙轮钻头在一些特定场合具有较大的使用性能优势。

1 梯度硬质合金制备基本原理

传统硬质合金中钴的分布是很均匀的，要想形成钴含量的梯度，就必须让钴在液体状态下发生从表面向心部的迁移，然后冷却形成固态钴梯度，因此如何形成液态钴迁移的驱动力成为梯度硬质合金生产的关键所在［2］。

从图1中可以看出，阴影部分为Co（固相）＋Co（液相）＋WC三相区，该三相区内WC－Co硬质合金中固态Co与液态钴的比例与碳的含量有关，当碳含量高时，该处的液态Co的比例也较高，当碳含量低时，该处的液态Co比例也较少。由于液态钴具有流动性，碳含量的不同可以驱动液态钴从液态Co高比例区域流向液态Co低比例区域［3］。

图1 WC－Co三元相图

在图1中阴影区内对常规WC－Co硬质合金的表面进行渗碳处理，将直接导致表层的钴向心部迁移，再以较快的速度冷却下来，就形成了表层钴含量较低的梯度层。在碳势一定的情况下，延长渗碳的时间，可以得到较深的梯度层。

2 梯度硬质合金齿试制

分别用含钴10%和16%的硬质合金齿进行渗碳处理，制备了梯度硬质合金齿，通过检测梯度硬质合金齿从表面到心部的显微硬度分布，来检验形成的梯度层的情况。

应用含钴10%硬质合金齿和含钴16%硬质合金齿，分别制备了8组梯度硬质合金齿，其显微硬度分布与梯度层的情况见图2和图3。

图2 含钴10%的JZ10梯度硬质合金齿硬度分布与梯度层

图3 含钴16%的JZ16梯度硬质合金齿硬度分布与梯度层

从图2和图3中可以看出，梯度硬质合金齿梯度层的深度在800～1000μm，不同齿的硬度分布基本接近，说明梯度层的深度也基本相同。

3 梯度硬质合金齿牙轮钻头在四川油田现场应用

3.1 试验钻头组装

3.2 现场钻井参数

试制的这3只钻头在四川龙002－10－1井先后下井使用。

试验钻头钻进地层为自流井珍组珠冲段，主要为砾岩层。钻具组合为∅215.9mmHJT637GL×0.24m＋430／410双母接头×0.58m＋411／410回凡×0.43m＋短钻铤×1.00m＋∅213mm 扶正器×0.95m＋无磁钻铤×1根（9.10m）＋∅165mm钻铤×20根（179.91m）＋∅127mm钻杆×1根＋411／410接头×0.49m＋回凡×0.39m＋下旋塞×0.49m。

钻压为180kN，转速为65r／min，排量为25L／s，泵压15MPa，密度1.61g／cm3，黏度46s，含砂量0.3%。

3.3 钻头使用结果及分析

从以上数据可以得出，15731号梯度硬质合金钻头比15730号普通钻头进尺数提高了18.2%，钻进速度提高了12.9%；15732号梯度硬质合金钻头比15730号普通钻头进尺数提高了28.9%，钻进速度提高了3.3%。

4 梯度硬质合金齿牙轮钻头在辽河油田现场应用

表1 兴古－中H101井8in井段617钻头使用资料

表1 兴古－中H101井8in井段617钻头使用资料

岩性13242（普通） 江钻 3054～3138 84 33.8 2.49钻头编号 厂家 使用地层／m 进尺／m 纯钻时／h 机械钻速／（m·h－1）角砾岩07220（普通） 江钻 3065～3160 95 48 1.98 角砾岩5200466 进口 3160～3302 142 57.9 2.45 角砾岩5204173 进口 3475～3590 115 48.7 2.37 角砾岩07218（梯度） 江钻 4000～4122 122 35.66 3.43角砾岩

进口钻头与梯度硬质合金齿钻头钝钻头磨损照片如图4～6所示。从钝钻头的损坏情况看，试制的8in的MD617（编号07218）梯度硬质合金齿钻头新度较高，还有进尺潜力。

5 梯度硬质合金齿牙轮钻头在胜利油田现场应用

编号为27183的钻头在胜利油田用于义183井，钻进层位为沙四段。该井在沙四段总共使用了2只8in的HJT537GK钻头，钻头编号分别为17839（普通钻头）和27183，这2只钻头之间使用了1只金刚石钻头。这2只钻头的详细钻进数据如表2所示。

图4 进口5200466钝钻头

图5 进口5204173钝钻头

图6 编号07218的梯度硬质合金齿钝钻头

表2 义183井∅8in的HJT537GK钻头使用情况

表2 义183井∅8in的HJT537GK钻头使用情况

地层17839 4145～4230 85 48 1.77钻头编号 井段／m 进尺／m 纯钻时间／h 钻进速度层／（m·h－1）沙四段27183 4470.17～4598.65 128.48 77 1.67沙四段

从表2中数据可以看出，在沙四段地层，梯度硬质合金齿钻头27183的进尺比普通钻头17839的进尺提高了51%，纯钻时间提高了60%，平均钻进速度低了5%。虽然梯度硬质合金齿的钻进速度比普通硬质合金齿钻头的钻进速度略低，但是由于纯钻时间和进尺大幅度的提高，其优势仍然十分明显。

6 结论

1）研究开发了一种对硬质合金的渗碳处理工艺，通过对硬质合金进行渗碳处理，可以在硬质合金表面形成一层低钴的梯度层，形成梯度硬质合金。

2）梯度硬质合金形成了外硬内韧的材料结构，既提高了表层的耐磨性，又保持了整体的韧性，有效地解决了普通硬质合金表层的耐磨性与整体的韧性之间的矛盾。

3）应用梯度硬质合金齿试制的牙轮钻头在四川油田、胜利油田和辽河油田一些难钻进地层使用，明显提高了牙轮钻头进尺与机械钻速，取得了理想的使用效果。

［1］李世忠 .钻探工艺学 ［M］.北京：地质出版社，1992.

［2］Fang Z Z，Oladapo O E.Liquid phase sintering of functionally graded WC－Co composites ［J］.Scripta Materialia.2005，52（8）：785～791.

［3］Oladapo O E，Fang Z Z，Griffo A.Kinetics of cobalt gradient formation during the liquid phase sintering of functionally graded WC－Co ［J］.International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2007，25（4）286～292.