CN111675538A - 一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端 - Google Patents

一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，本发明采用多晶金刚石或多晶立方氮化硼、或多晶金刚石和多晶立方氮化硼组合用于制作磨鞋的前端颗粒，将多晶金刚石微粉和/或多晶立方氮化硼微粉经高温高压烧结后，最后经切割获得所需形状的磨削颗粒用作磨鞋前端工作部件，可以获得高硬度、高耐磨性能的磨鞋工作端。本发明可极大地提高磨鞋清理和贯通效率、降低成本，采用多晶金刚石和/或多晶立方氮化硼复合材料作为磨鞋前端工作部件物质，其钻切磨削速度及工作寿命与传统磨鞋相比，提高高达50％以上，施工时间可缩短为原来的十分之一。

Description

一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端
技术领域
本发明涉及岩石钻井或切割材料技术领域，具体涉及一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端。
背景技术
在天然气、石油钻采过程中，因地质条件复杂、钻具失效等原因，会导致由于钻杆断裂、钻头崩裂坠落、井壁塌崩等事故而堵塞钻采井孔，需要使用磨鞋对井孔进行清理与贯通。传统上，磨鞋前端工作部件物质使用的材料为硬质合金(WC-Co alloys碳化钨硬质合金)、工具钢等，存在效率低、工作寿命短等缺点，清理过程耗时数周、甚至数月，单井清理成本高达数十、甚至上千万美元。主要是因为，目前所用磨鞋前端工作物质的硬度、耐磨性不够高而磨鞋工作物质需要通过磨削清除的材料成分复杂，包括钢(断裂钻杆、崩裂钻头)、岩石井壁塌崩岩石、硬质合金(崩裂钻头硬质合金基体)、及多晶金刚石块(崩裂钻头上的多晶金刚石钻齿)等，这些需要通过磨削清除的材料自身硬度可能很高，难以被磨鞋前端的硬质合金所磨削清除。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：常规的硬质合金或工具钢作为磨鞋，存在工作效率低、使用寿命短、清理作业成本巨大等缺陷，本发明提供了解决上述问题的一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端。
本发明通过下述技术方案实现：
一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，制作材料包括多晶金刚石微粉和多晶立方氮化硼微粉中的一种或两种组合物；所述多晶金刚石微粉和/或多晶立方氮化硼微粉经高温高压烧结后，最后经切割、破碎获得磨削颗粒，用作磨鞋前端工作部件。
在天然气、石油钻采过程中，因地质条件复杂、钻具失效等原因，会导致由于钻杆断裂、钻头崩裂坠落、井壁塌崩等事故而堵塞钻采井孔，需要使用磨鞋对井孔进行清理与贯通。传统上，基于磨鞋加工可行性，磨鞋前端工作部件物质使用的材料为硬质合金(WC-Coalloys碳化钨硬质合金)、工具钢等，存在效率低、工作寿命短等缺点；清理过程耗时数周、甚至数月，单井清理成本高达数十、甚至上千万美元。这是由于，磨鞋实质是在铁或钢基体的前端通过焊接或烧结等方式镶嵌很多硬质合金颗粒作为工作部件；磨鞋对井孔进行清理与贯通的实质就是通过磨鞋前端部件对井孔内堵塞物质磨成粉或细粒，以泥浆的形式抽出。而堵塞的钻井孔内物质成分复杂，包括钢(断裂钻杆、崩裂钻头)、岩石井壁塌崩岩石、硬质合金(崩裂钻头硬质合金基体)、及多晶金刚石块(崩裂钻头上的多晶金刚石钻齿)等，这些物质的硬度很高，甚至超过磨鞋前端部件的硬度，因此井孔内的物质难以在短时间内被磨鞋前端的硬质合金所磨削清除。但是清理和贯通井孔作业成本巨大，如一些陆地油气钻孔的清理耗时可能长达50天，而海上清理作业成本更高，每天运行费用高达百万元，采用传统磨鞋一般需要作业30天，耗资巨大。
本发明是申请人首创提出采用多晶金刚石或多晶立方氮化硼、或多晶金刚石和多晶立方氮化硼组合用于制作磨鞋的前端颗粒，在实际钻井操作中，从未出现过使用多晶金刚石或多晶立方氮化硼作为磨鞋工作端材质。本发明将多晶金刚石微粉和/或多晶立方氮化硼微粉经高温高压烧结后，最后经切割、破碎等方式获得所需形状的磨削颗粒用作磨鞋前端工作部件，可以获得高硬度、高耐磨性能的磨鞋工作端，且多晶金刚石微粉和/或多晶立方氮化硼微粉经高温高压烧结和激光切割等技术就可获得磨削颗粒，具有较高的工业使用前景。
单独的多晶金刚石微粉或多晶立方氮化硼微粉制作磨削颗粒；由于多晶金刚石的硬度几乎是多晶立方氮化硼的一倍，但热稳定性却只多晶立方氮化硼的一半，将多晶金刚石微粉和多晶立方氮化硼微粉组合烧结，两相均匀分散，利于获得高硬度、高耐磨性和高热稳定性的磨削颗粒。
本发明可极大地提高磨鞋清理和贯通效率、降低成本，采用多晶金刚石和/或多晶立方氮化硼复合材料作为磨鞋前端工作部件物质，其钻切磨削速度及工作寿命与传统磨鞋相比，提高高达50％以上，施工时间可缩短为原来的十分之一。如一些陆地油气钻孔的清理耗时可能长达50天，本发明可降低至5天左右，节省上千万元的成本；而海上清理作业成本更高，每天运行费用高达百万元，采用传统磨鞋一般需要作业30天，本发明可降低至10天左右，节省上亿元资金。
进一步优选，所述多晶金刚石微粉和多晶立方氮化硼微粉的粒径均为0.1μm～100μm。
进一步优选，所述多晶金刚石微粉和多晶立方氮化硼微粉的粒径均为1μm～20μm，进一步优选为5μm～20μm。
进一步优选，还包括粘接剂；所述制作材料为多晶金刚石微粉时，粘结剂包括钴、碳化硅、碳化钛、碳化钨、石墨中的一种或几种；所述制作材料为多晶立方氮化硼微粉时，粘接剂包括氮化铝、氮化钛、碳化钛、碳化钨、硼化铝、钴、铝、硅中的一种或几种。
进一步优选，所述制作材料为多晶金刚石微粉时，将粘接剂与多晶金刚石微粉混合后进行高温高压烧结处理，粘结剂加入质量占总混合物料的质量0.1％～20％；所述制作材料为多晶立方氮化硼微粉时，将粘接剂与多晶立方氮化硼混合后进行高温高压烧结处理，粘结剂加入质量占总混合物料的质量0.1％～70％，进一步优选粘结剂加入质量占总混合物料的质量1％～30％。
进一步优选，按质量百分含量配比计算：包括3％～97％的多晶金刚石微粉和3％～97％的多晶立方氮化硼微粉。
进一步优选，按质量百分含量配比计算：包括50％～95％的多晶金刚石和5％～50％的多晶立方氮化硼。
进一步优选，所述高温高压烧结温度为1000℃～3000℃，烧结压力为5GPa～20GPa。
进一步优选，所述磨削颗粒的维氏硬度为30GPa～120GPa。
进一步优选，所述磨削颗粒的粒度为1mm～50mm。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明是申请人首创提出采用多晶金刚石或多晶立方氮化硼、或多晶金刚石和多晶立方氮化硼组合用于制作磨鞋的前端颗粒，将多晶金刚石微粉和/或多晶立方氮化硼微粉经高温高压烧结后，最后经切割、破碎等方式获得所需形状的磨削颗粒用作磨鞋前端工作部件，可以获得高硬度、高耐磨性能的磨鞋工作端，且多晶金刚石微粉和/或多晶立方氮化硼微粉经高温高压烧结和激光切割等技术就可获得磨削颗粒，具有较高的工业使用前景。
2、本发明可极大地提高磨鞋清理和贯通效率、降低成本，采用多晶金刚石和/或多晶立方氮化硼复合材料作为磨鞋前端工作部件物质，其钻切磨削速度及工作寿命与传统磨鞋相比，提高高达50％以上，施工时间可缩短为原来的十分之一。如一些陆地油气钻孔的清理耗时可能长达50天，本发明可降低至5天左右，节省上千万元的成本；而海上清理作业成本更高，每天运行费用高达百万元，采用传统磨鞋一般需要作业30天，本发明可降低至10天左右，节省上亿元资金。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明制备的多晶金刚石圆柱体；
图2为将图1的多晶金刚石柱体经激光切割加工得到的磨鞋前端工作部件超硬颗粒。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，由粒径为5μm～10μm的多晶金刚石微粉经高温高压烧结获得柱体结构，再经激光切割、破碎获得粒度为5mm的锥形磨削颗粒，将所述锥形磨削颗粒经焊接镶嵌在磨鞋前端。
其中，高温高压烧结温度为2400℃，烧结压力为16GPa。
实施例2
本实施例提供了一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，由粒径为80μm～95μm的多晶金刚石微粉经高温高压烧结获得柱体结构，再经激光切割获得粒度为45mm的锥形磨削颗粒，将所述锥形磨削颗粒经焊接镶嵌在磨鞋前端。
其中，高温高压烧结温度为2700℃，烧结压力为20GPa。
实施例3
本实施例提供了一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，由粒径为0.1μm～3μm的多晶金刚石微粉经高温高压烧结获得柱体结构，再经激光切割获得粒度为3mm的锥形磨削颗粒，将所述锥形磨削颗粒经焊接镶嵌在磨鞋前端。
其中，高温高压烧结温度为2300℃，烧结压力为14GPa。
实施例4
本实施例提供了一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，由粒径为5μm～10μm的多晶立方氮化硼微粉经高温高压烧结获得柱体结构，再经激光切割获得粒度为5mm的锥形磨削颗粒，将所述锥形磨削颗粒经焊接镶嵌在磨鞋前端。
其中，高温高压烧结温度为1900℃，烧结压力为6GPa。
实施例5
本实施例提供了一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，由粒径为5μm～10μm的多晶金刚石微粉和多晶立方氮化硼微粉混合物经高温高压烧结获得柱体结构，再经激光切割获得粒度为5mm的锥形磨削颗粒，将所述锥形磨削颗粒经焊接镶嵌在磨鞋前端。
其中，按质量百分含量配比：多晶金刚石微粉为97％和多晶立方氮化硼微粉为3％；高温高压烧结温度为2300℃，烧结压力为15GPa。
实施例6
本实施例提供了一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，由粒径为5μm～10μm的多晶金刚石微粉和多晶立方氮化硼微粉混合物经高温高压烧结获得柱体结构，再经激光切割获得粒度为5mm的锥形磨削颗粒，将所述锥形磨削颗粒经焊接镶嵌在磨鞋前端。
其中，按质量百分含量配比：多晶金刚石微粉为90％和多晶立方氮化硼微粉为10％；高温高压烧结温度为2200℃，烧结压力为7GPa。
实施例7
本实施例提供了一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，由粒径为5μm～10μm的多晶金刚石微粉和多晶立方氮化硼微粉混合物经高温高压烧结获得柱体结构，再经激光切割获得粒度为5mm的锥形磨削颗粒，将所述锥形磨削颗粒经焊接镶嵌在磨鞋前端。
其中，按质量百分含量配比：多晶金刚石微粉为50％和多晶立方氮化硼微粉为50％；高温高压烧结温度为2200℃，烧结压力为7GPa。
实施例8
本实施例提供了一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，由粒径为5μm～10μm的多晶金刚石微粉和多晶立方氮化硼微粉混合物经高温高压烧结获得柱体结构，再经激光切割获得粒度为5mm的锥形磨削颗粒，将所述锥形磨削颗粒经焊接镶嵌在磨鞋前端。
其中，按质量百分含量配比：多晶金刚石微粉为5％和多晶立方氮化硼微粉为95％；高温高压烧结温度为1900℃，烧结压力为6GPa。
实施例9
本实施例提供了一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，由粒径为5μm～10μm的多晶金刚石微粉和粘接剂混合经高温高压烧结获得柱体结构，再经激光切割、破碎获得粒度为5mm的锥形磨削颗粒，将所述锥形磨削颗粒经焊接镶嵌在磨鞋前端。
其中，粘接剂采用钴和碳化硅按质量比为1:1混合配制，粘接剂加入质量为总混合物料的8％。
其中，高温高压烧结温度为2400℃，烧结压力为16GPa。
实施例10
本实施例提供了一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，由粒径为5μm～10μm的多晶立方氮化硼微粉和粘接剂混合经高温高压烧结获得柱体结构，再经激光切割获得粒度为5mm的锥形磨削颗粒，将所述锥形磨削颗粒经焊接镶嵌在磨鞋前端。
其中，粘接剂采用氮化钛和硼化铝按质量比为1:0.6混合配制，粘接剂加入质量为总混合物料的21％。
其中，高温高压烧结温度为1900℃，烧结压力为7GPa。
对比例1
本比较案例提供了一种清理与贯通油气钻探井孔用的磨鞋磨削工作端，磨鞋前端镶嵌常规的碳化钨硬质合金颗粒作为磨削部件。
对比例2
本比较案例提供了一种清理与贯通油气钻探井孔用的磨鞋磨削工作端，采用实施例1提供的方案，区别在于：多晶金刚石微粉的粒径为120μm。
对比例3
本比较案例提供了一种清理与贯通油气钻探井孔用的磨鞋磨削工作端，采用实施例9提供的方案，区别在于：粘接剂加入质量为总混合物料的50％。
对比例4
本比较案例提供了一种清理与贯通油气钻探井孔用的磨鞋磨削工作端，采用实施例4提供的方案，区别在于：多晶立方氮化硼微粉的粒径为130μm。
对比例5
本比较案例提供了一种清理与贯通油气钻探井孔用的磨鞋磨削工作端，采用实施例10提供的方案，区别在于：粘接剂加入质量为总混合物料的70％。
一、性能测试
1、维氏硬度和磨削比
1)维氏硬度测量方法及条件：样品表面抛光成镜面，在维氏硬度计上进行硬度测量，采用金刚石单晶压头，加载力为5-50N，加载时间为15s，硬度值可在设备上直接读出，或者根据加载力及压头在样品表面的压痕面积计算得出。
2)耐磨性试验方法及条件：本发明制备的超硬磨鞋磨削工作端及目前硬质合金商用磨鞋磨削工作端材料均加工成相同尺寸的圆柱体(直径为10mm，高5mm)，固定在数控车床的刀柄上，对花岗岩圆棒进行车削。车削参数为：线速度50-200m/min；切深0.1-0.5mm；进给0.1-0.5mm/r。切削相同里程(如：2000m)后，在光学显微镜下对刃口的磨损程度进行拍照、测量，比较计算磨耗比。
表1实施例1-10提供的样品的性能测试结构
Figure BDA0002543856910000061
Figure BDA0002543856910000071
2、清理效率和使用寿命
陆地油气井，采用传统的硬质合金磨鞋工作端，清理时间平均为15天，须更换3次磨鞋工作端，每天费用50万元，单井清理费用750万元；采用本发明制作的超硬磨鞋工作端，如实施例1，清理时间平均为5天，无须更换磨鞋工作端，单井节省费用500万元；海上钻井平台，平均每天运行费用约120万元，采用传统的硬质合金磨鞋工作端，清理时间平均为30天，须更换5次磨鞋工作端，单井清理费用近4000万元，采用本发明制作的超硬磨鞋工作端，如实施例1，清理时间平均为10天，单井节省费用2000万元以上。
总体上，清理时间、使用成本与磨鞋工作端耐磨性、硬度成反比，使用寿命与磨鞋工作端耐磨性、硬度成正比。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，其特征在于，制作材料包括多晶金刚石微粉和多晶立方氮化硼微粉中的一种或两种组合物；所述多晶金刚石微粉和/或多晶立方氮化硼微粉经高温高压烧结后，最后经切割、破碎获得磨削颗粒，用作磨鞋前端工作部件。
2.根据权利要求1所述的一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，其特征在于，所述多晶金刚石微粉和多晶立方氮化硼微粉的粒径均为0.1μm～100μm。
3.根据权利要求2所述的一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，其特征在于，所述多晶金刚石微粉和多晶立方氮化硼微粉的粒径均为1μm～20μm。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，其特征在于，还包括粘接剂；
所述制作材料为多晶金刚石微粉时，粘结剂包括钴、碳化硅、碳化钛、碳化钨、石墨中的一种或几种；
所述制作材料为多晶立方氮化硼微粉时，粘接剂包括氮化铝、氮化钛、碳化钛、碳化钨、硼化铝、钴、铝、硅中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，其特征在于，所述制作材料为多晶金刚石微粉时，将粘接剂与多晶金刚石微粉混合后进行高温高压烧结处理，粘结剂加入质量占总混合物料的质量0.1％～20％；
所述制作材料为多晶立方氮化硼微粉时，将粘接剂与多晶立方氮化硼混合后进行高温高压烧结处理，粘结剂加入质量占总混合物料的质量0.1％～50％。
6.根据权利要求1至3任一项所述的一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，其特征在于，按质量百分含量配比计算：包括3％～97％的多晶金刚石微粉和3％～97％的多晶立方氮化硼微粉。
7.根据权利要求6所述的一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，其特征在于，按质量百分含量配比计算：包括50％～95％的多晶金刚石和5％～50％的多晶立方氮化硼。
8.根据权利要求1所述的一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，其特征在于，所述高温高压烧结温度为1000℃～3000℃，烧结压力为5GPa～20GPa。
9.根据权利要求1所述的一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端，其特征在于，所述磨削颗粒的维氏硬度为30GPa～120GPa。
10.根据权利要求1所述的一种清理与贯通油气钻探井孔用的超硬磨鞋磨削工作端的应用，其特征在于，所述磨削颗粒的粒度为1mm～50mm。
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