耐沖蝕耐腐蝕硬質(zhì)合金泥漿脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)子及其制備方法

鮑東升 羅登銀 曲春雨 郭心宇 邵天宇

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149；2.自貢硬質(zhì)合金有限責任公司，自貢 643000）

剪切閥泥漿脈沖發(fā)生器具有擺動頻率高、調(diào)制方式豐富、傳輸速率可達20 b·s-1以上等優(yōu)點。它的關(guān)鍵部件主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，扭桿的一端連接轉(zhuǎn)子，另一端連接驅(qū)動泥漿脈沖發(fā)生器的電機。工作時，轉(zhuǎn)子在電機的驅(qū)動下做一定角度的往復(fù)擺動，有規(guī)律地剪切流體產(chǎn)生的脈沖壓力信號。信號經(jīng)過鉆桿傳輸?shù)降孛媪⒐苌希S后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集立管上的壓力傳感器數(shù)據(jù)，通過解調(diào)系統(tǒng)解碼井下的壓力信號，進而獲得地層信息與工程參數(shù)[1-3]。

泥漿脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)子一般由硬質(zhì)合金材料制成。硬質(zhì)合金以難熔金屬硬質(zhì)化合物（碳化鎢、碳化釩為主的碳化物為代表）為硬質(zhì)相、以粘結(jié)金屬（鈷、鐵、鎳為代表）為粘結(jié)相，是通過粉末冶金方法制備的一種合金材料。鉆井過程中，使用的泥漿是一種多相流混合物，流動速度高（l.4 ～3.5 m3·min-1），黏度大，且?guī)в幸欢ǖ母g性。在泥漿沖刷作用下，泥漿脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)子的泥漿沖擊面會產(chǎn)生沖擊坑和腐蝕坑，如圖1 圈中位置所示。轉(zhuǎn)子沖擊磨損和腐蝕磨損會使脈沖信號強度衰減，影響信號質(zhì)量，導(dǎo)致信號解碼失敗[4]。轉(zhuǎn)子會因泥漿沖蝕而斷裂，轉(zhuǎn)子碎片在泥漿的帶動下?lián)p壞鉆鋌內(nèi)部構(gòu)件。這些情況會大大降低儀器的連續(xù)工作時間，造成人力和財力的浪費。因此，本文設(shè)計了一種耐沖蝕耐腐蝕硬質(zhì)合金泥漿脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)子，在保證泥漿脈沖信號正常傳輸?shù)幕A(chǔ)上，實現(xiàn)了硬質(zhì)合金的韌性與聚晶金剛石耐腐蝕、耐沖蝕性的性能組合，顯著提高了硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子的耐沖蝕、耐腐蝕性能，延長了傳統(tǒng)硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子的使用壽命。

泥漿脈沖器脈沖發(fā)生機構(gòu)如圖2 所示。轉(zhuǎn)子擺動或旋轉(zhuǎn)剪切流體產(chǎn)生泥漿壓力波，調(diào)制泥漿壓力波后，把井下的信息帶到地面，解析后得到井下地質(zhì)參數(shù)或鉆井工程參數(shù)。

1 技術(shù)方案設(shè)計

耐沖蝕耐腐蝕轉(zhuǎn)子是在硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子本體的泥漿沖蝕面上粘結(jié)聚晶金剛石層，如圖3 所示。聚晶金剛石材料結(jié)構(gòu)致密，具有較高的硬度、耐磨性和優(yōu)良的耐腐蝕性能。原料中的金剛石顆粒的平均粒度為200 ～1 500 μm，純度為99.9%以上。原料中的硅粉的平均粒度為55 μm，密度為2.33 g·cm-3，純度為99.99%。聚晶金剛石層是在真空條件下采用硅蒸汽氣相滲透的方法制備成的，相比傳統(tǒng)高溫高壓法，試樣尺寸最大可以提高30%，可以使聚晶金剛石材料在大構(gòu)件上使用。聚晶金剛石層和轉(zhuǎn)子本體粘結(jié)時采用耐溫200 ℃、耐壓80 ～140 MPa 的高溫高壓粘結(jié)膠DP420 進行膠黏連接，可以實現(xiàn)在井下高溫高壓作業(yè)環(huán)境中仍具有超強的粘結(jié)力，保證硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子本體的泥漿沖蝕面與聚晶金剛石層粘結(jié)牢固，避免聚晶金剛石層隨硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子本體高速轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生脫落。

2 粘結(jié)聚晶金剛石層流程

粘結(jié)聚晶金剛石層的流程如圖4 所示。表面處理是將硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子本體表面與聚晶金剛石表面磨平，然后進行噴砂處理，以增加粘結(jié)表面的粗糙度。清洗工件是在通風(fēng)條件下，采用無水乙醇在超聲波容器中清洗硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子本體和聚晶金剛石層的粘結(jié)表面，然后將粘結(jié)膠分別涂于硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子本體的泥漿沖蝕面、聚晶金剛石層的粘結(jié)表面上。粘結(jié)膠的膠層厚度為1 mm。采用壓緊工裝將聚晶金剛石層壓緊在硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子本體的泥漿沖蝕面上，使聚晶金剛石層和硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子本體粘結(jié)在一起。扶正是通過與轉(zhuǎn)子鍵槽形狀一致的扶正合金塊，扶正硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子本體的流道與聚晶金剛石層的流道，然后用高溫膠帶固定扶正合金塊，使扶正合金塊與轉(zhuǎn)子鍵槽契合緊密。需要注意，高溫膠帶采用聚酰亞胺膠帶。最后進行高溫固化，即在180 ℃的高溫下固化30 min，然后恒溫60 min。固化結(jié)束后，取下壓緊工裝，得到耐沖蝕耐腐蝕硬質(zhì)合金泥漿脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)子，如圖5 所示。

3 沖蝕驗證

3.1 試驗方法

為了驗證粘結(jié)聚晶金剛石層的轉(zhuǎn)子的實際效果，使用如圖6 所示的沖蝕磨損試驗臺進行沖蝕實驗，計算轉(zhuǎn)子的沖蝕率，并與單一硬質(zhì)合金材料轉(zhuǎn)子進行對比。試驗臺主要由泥漿泵、電機、混料箱、噴嘴和樣品臺5 部分構(gòu)成[5]。泥漿泵的排量與出口壓強可調(diào)，排量范圍為66 ～320 L·min-1，壓強范圍為3.9 ～9.8 MPa。樣品臺配有不同的夾具，可以調(diào)整樣品的沖蝕角度。噴嘴直徑為2 mm，出口速度的變化可通過調(diào)整泥漿泵排量和出口壓強來實現(xiàn)，其中最小出口速度為76 m·s-1。

試驗以石英砂為固相。因為現(xiàn)場使用的泥漿中含沙量為0.2%，所以將液固兩相流中石英砂含量調(diào)整為0.2%。沖蝕率的計算方法為失重法，沖蝕時間設(shè)置為1 h。硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子與粘結(jié)聚晶金剛石層轉(zhuǎn)子沖蝕點位置，如圖7 所示。沖蝕點1 是單一硬質(zhì)合金材料轉(zhuǎn)子流道底部。沖蝕點2 是粘結(jié)聚晶金剛石層轉(zhuǎn)子流道底部[6]。

3.2 試驗結(jié)果與分析

經(jīng)過試驗，得出如表1 所示的結(jié)果。計算可知，單一硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子的失重率為粘結(jié)聚晶金剛石層的硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子失重率的3.39 倍，可見粘結(jié)聚晶金剛石層的硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子更耐沖蝕。

表1 液固兩相流沖蝕磨損試驗結(jié)果

4 結(jié)語

在定轉(zhuǎn)子間隙，轉(zhuǎn)子與護罩間環(huán)隙確定的情況下，脈沖發(fā)生機構(gòu)耐沖蝕能力取決于定子、轉(zhuǎn)子的材料和形式。其中，轉(zhuǎn)子為高頻擺動零件，其工作壽命尤其關(guān)鍵。試驗表明，在泥漿脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)子的泥漿沖蝕面上粘結(jié)聚晶金剛石層，能夠顯著提高硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子的耐沖蝕、耐腐蝕性能，延長硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)子的使用壽命，降低泥漿脈沖器的維保成本。