鲍东升 罗登银 曲春雨 郭心宇 邵天宇

（1.中海油田服务股份有限公司，北京 101149；2.自贡硬质合金有限责任公司，自贡 643000）

剪切阀泥浆脉冲发生器具有摆动频率高、调制方式丰富、传输速率可达20 b·s-1以上等优点。它的关键部件主要由定子和转子组成，扭杆的一端连接转子，另一端连接驱动泥浆脉冲发生器的电机。工作时，转子在电机的驱动下做一定角度的往复摆动，有规律地剪切流体产生的脉冲压力信号。信号经过钻杆传输到地面立管上，随后数据采集系统采集立管上的压力传感器数据，通过解调系统解码井下的压力信号，进而获得地层信息与工程参数[1-3]。

泥浆脉冲发生器转子一般由硬质合金材料制成。硬质合金以难熔金属硬质化合物（碳化钨、碳化钒为主的碳化物为代表）为硬质相、以粘结金属（钴、铁、镍为代表）为粘结相，是通过粉末冶金方法制备的一种合金材料。钻井过程中，使用的泥浆是一种多相流混合物，流动速度高（l.4 ～3.5 m3·min-1），黏度大，且带有一定的腐蚀性。在泥浆冲刷作用下，泥浆脉冲发生器转子的泥浆冲击面会产生冲击坑和腐蚀坑，如图1 圈中位置所示。转子冲击磨损和腐蚀磨损会使脉冲信号强度衰减，影响信号质量，导致信号解码失败[4]。转子会因泥浆冲蚀而断裂，转子碎片在泥浆的带动下损坏钻铤内部构件。这些情况会大大降低仪器的连续工作时间，造成人力和财力的浪费。因此，本文设计了一种耐冲蚀耐腐蚀硬质合金泥浆脉冲发生器转子，在保证泥浆脉冲信号正常传输的基础上，实现了硬质合金的韧性与聚晶金刚石耐腐蚀、耐冲蚀性的性能组合，显著提高了硬质合金转子的耐冲蚀、耐腐蚀性能，延长了传统硬质合金转子的使用寿命。

泥浆脉冲器脉冲发生机构如图2 所示。转子摆动或旋转剪切流体产生泥浆压力波，调制泥浆压力波后，把井下的信息带到地面，解析后得到井下地质参数或钻井工程参数。

1 技术方案设计

耐冲蚀耐腐蚀转子是在硬质合金转子本体的泥浆冲蚀面上粘结聚晶金刚石层，如图3 所示。聚晶金刚石材料结构致密，具有较高的硬度、耐磨性和优良的耐腐蚀性能。原料中的金刚石颗粒的平均粒度为200 ～1 500 μm，纯度为99.9%以上。原料中的硅粉的平均粒度为55 μm，密度为2.33 g·cm-3，纯度为99.99%。聚晶金刚石层是在真空条件下采用硅蒸汽气相渗透的方法制备成的，相比传统高温高压法，试样尺寸最大可以提高30%，可以使聚晶金刚石材料在大构件上使用。聚晶金刚石层和转子本体粘结时采用耐温200 ℃、耐压80 ～140 MPa 的高温高压粘结胶DP420 进行胶黏连接，可以实现在井下高温高压作业环境中仍具有超强的粘结力，保证硬质合金转子本体的泥浆冲蚀面与聚晶金刚石层粘结牢固，避免聚晶金刚石层随硬质合金转子本体高速转动过程中发生脱落。

2 粘结聚晶金刚石层流程

粘结聚晶金刚石层的流程如图4 所示。表面处理是将硬质合金转子本体表面与聚晶金刚石表面磨平，然后进行喷砂处理，以增加粘结表面的粗糙度。清洗工件是在通风条件下，采用无水乙醇在超声波容器中清洗硬质合金转子本体和聚晶金刚石层的粘结表面，然后将粘结胶分别涂于硬质合金转子本体的泥浆冲蚀面、聚晶金刚石层的粘结表面上。粘结胶的胶层厚度为1 mm。采用压紧工装将聚晶金刚石层压紧在硬质合金转子本体的泥浆冲蚀面上，使聚晶金刚石层和硬质合金转子本体粘结在一起。扶正是通过与转子键槽形状一致的扶正合金块，扶正硬质合金转子本体的流道与聚晶金刚石层的流道，然后用高温胶带固定扶正合金块，使扶正合金块与转子键槽契合紧密。需要注意，高温胶带采用聚酰亚胺胶带。最后进行高温固化，即在180 ℃的高温下固化30 min，然后恒温60 min。固化结束后，取下压紧工装，得到耐冲蚀耐腐蚀硬质合金泥浆脉冲发生器转子，如图5 所示。

3 冲蚀验证

3.1 试验方法

为了验证粘结聚晶金刚石层的转子的实际效果，使用如图6 所示的冲蚀磨损试验台进行冲蚀实验，计算转子的冲蚀率，并与单一硬质合金材料转子进行对比。试验台主要由泥浆泵、电机、混料箱、喷嘴和样品台5 部分构成[5]。泥浆泵的排量与出口压强可调，排量范围为66 ～320 L·min-1，压强范围为3.9 ～9.8 MPa。样品台配有不同的夹具，可以调整样品的冲蚀角度。喷嘴直径为2 mm，出口速度的变化可通过调整泥浆泵排量和出口压强来实现，其中最小出口速度为76 m·s-1。

试验以石英砂为固相。因为现场使用的泥浆中含沙量为0.2%，所以将液固两相流中石英砂含量调整为0.2%。冲蚀率的计算方法为失重法，冲蚀时间设置为1 h。硬质合金转子与粘结聚晶金刚石层转子冲蚀点位置，如图7 所示。冲蚀点1 是单一硬质合金材料转子流道底部。冲蚀点2 是粘结聚晶金刚石层转子流道底部[6]。

3.2 试验结果与分析

经过试验，得出如表1 所示的结果。计算可知，单一硬质合金转子的失重率为粘结聚晶金刚石层的硬质合金转子失重率的3.39 倍，可见粘结聚晶金刚石层的硬质合金转子更耐冲蚀。

表1 液固两相流冲蚀磨损试验结果

4 结语

在定转子间隙，转子与护罩间环隙确定的情况下，脉冲发生机构耐冲蚀能力取决于定子、转子的材料和形式。其中，转子为高频摆动零件，其工作寿命尤其关键。试验表明，在泥浆脉冲发生器转子的泥浆冲蚀面上粘结聚晶金刚石层，能够显著提高硬质合金转子的耐冲蚀、耐腐蚀性能，延长硬质合金转子的使用寿命，降低泥浆脉冲器的维保成本。