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摘要:液动射流式冲击器应用于石油钻井等深井钻进时,射流元件的寿命会大大降低,导致钻进成本增加。使用离子注入技术对射流元件进行9h表面处理后,35CrMo钢的硬度提高了4至5倍,磨损率下降近一倍,其硬度值和耐磨性都得到了明显的改善,极大地提高了冲击器的使用效率。
关键词:射流元件;表面工程;离子注入;冲击器
中图分类号:P634文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)01-0045-03
射流式液动冲击回转钻进技术是当今钻进硬岩、卵砾石层和破碎地层最有效的技术之一。由于该技术具有钻进速度快、钻压和扭矩小、转速低、成孔质量好、钻进成本低等优点,目前已广泛应用于固体矿床开采、水文水井钻探及工程地质勘察等领域。
一、液动射流冲击器的结构及工作原理
液动射流冲击器结构如图1所示,它以一个双稳的射流元件作为高压流体的控制机构。由于双稳射流元件具有附壁和切换的特性,因而可控制流体按一定的规律进入冲击器活塞工作腔体的上腔和下腔,从而推动活塞冲锤上下往复运动。其工作原理为:水泵输出的高压水经钻杆和射流元件的喷嘴,形成了高速射流,高速射流在元件工作腔内产生附壁效应。假如先附壁于右侧,高压水由C处通道进入上缸,推动活塞及冲锤高速下行,冲锤撞击砧子,砧子以丝扣同岩心管或钻头连接,冲击力传至岩心管或钻头,完成一次冲击作用。在活塞行程末了,活塞撞击砧子速度突然变为零,缸体内的流体产生水击压力,该压力通过控制道形成使射流由C通道切换至E通道的反馈信号,流体切换到E通道后,进入下缸,然后推动活塞向上作返回运动;同样当活塞运动到上死点时,产生水击作用,反馈信号将射流切换到C通道输出,如此往返实现冲击动作。上下缸的回水则通过C、E输出通道返到放空孔,经射流元件侧面通道、缸体侧面通道、冲锤与外管环空通道,再通过砧子的过水通道向下通过钻头流至孔底。
从冲击器的结构可以看出,液动射流式冲击器的内部结构非常简单,由于没有弹簧及配水活阀等易损零件,使用寿命较其它类型冲击器要长。在使用过程中,由于射流元件频繁经受高压液体的冲刷作用,从而也就成了最易受损的部件,也就是说,射流元件使用寿命的长短直接决定着冲击器的使用寿命。
我院开展液动射流式冲击器的研究工作至今已经有30多年的历史,冲击器结构已经日趋完善,参数不断获得优化,使用寿命不断增长。以我院所研制的YSC-178液动射流式冲击器为例,该冲击器在中国大陆科学钻探等国内很多重大工程中都被使用,野外使用最长入井时间84小时,在较硬砂岩中钻进,采用牙轮钻头,平均钻速达3.58m/h,与普通牙轮钻头钻进相比效率提高161%,获得了较好的使用效果。该冲击器还被美国Smith Tool公司购买,入井工作也取得了令美国方面满意的效果。
其结构如图1所示:
YSC-178液动射流式冲击器在使用过程中,其内部的射流元件都存在着不同程度的磨损现象,严重的可导致冲击器不能正常工作。根据对江苏东海大陆科学钻探现场发送回来的失效射流元件进行分析,破坏形态可描述如下:磨损轻微处有较集中的沿水流方向的划痕和麻点;磨损严重处,表面呈沟槽状痕迹,并连成一片如鱼鳞状的磨坑,磨损痕迹表面密实,有金属阴暗光泽。
二、射流元件失效分析
液动射流冲击器的工作介质以泥浆为主,间或有清水、泡沫等。当以清水、泡沫等作为动力介质时,上返的岩屑易与介质分离,岩屑对射流元件的磨损作用小,因此射流元件工作时间较长,寿命可达几十个小时。但是在石油天然气钻井和地热钻井过程中以泥浆作为动力介质时,泥浆密度通常为1.05～1.4g/cm3,粘度20～70s,水泵的泵量为20～75L/s,泵压在2～30MPa之间,含砂量可达到4%。在液动射流冲击器射流元件的喷嘴处流速可达80～120m/s,在这样高的流速下,泥浆中的固相颗粒(尤其是砂)就像砂轮一样,磨蚀元件喷嘴、侧壁、劈尖及排空孔,在长时间的冲蚀作用下,会对射流元件造成磨损,使射流附壁切换的灵敏性降低直至失效,从而影响到冲击器的正常工作。因此,提高射流元件的抗磨损性能,是提高射流元件使用寿命的关键。
为了提高射流元件的使用寿命,目前常用的处理方法是在喷嘴、侧壁、劈尖以及上、下底板等易磨损处镶焊硬质合金块,这种方法可以有效提高射流元件的使用寿命。但是在使用一段时间后,排空道部位也会出现被冲蚀的现象,而且直接导致了射流元件的工作失效。由于排空道形状复杂,若也采用镶嵌硬质合金的办法则加工难度相当大,即使采用分块镶嵌的办法也势必产生应力集中的问题。鉴于以上原因,结合当前表面工程技术的发展趋势,决定应用表面工程技术,对射流元件的内表面进行处理。
三、表面工程技术应用于射流元件的可行性试验研究
表面工程技术是经表面预处理后,通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理,改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成份、组织结构和应力状况,以获得所需要的表面性能的系统工程,其中使用最多的是离子注入表面处理技术。
(一)离子注入技术
离子注入表面处理是把某种元素的原子电离成离子,并使其在几十至几百千伏的电压下进行加速,在获得较高速度后射入放在真空靶室中的工件表面,从而改变材料表面层的物理、化学和机械性能的一种表面原子冶金方法,目前最常用的是离子体浸没 (PIII)技术。在优化材料表面的摩擦学特性方面,离子注入技术有着明显的优势。
离子注入是通过离子注入机来完成的。离子注入机主要包括一个产生离子的离子源和一个带有真空系统的靶室。离子源有固体离子源、气体离子源及固体/气体离子源。当真空抽至约10-4Pa的水平时,灯丝供电,通入待注入离子种类的气体,例如常用的氮气,使气压保持在10-3～10-2Pa,启动放电电源,引起辉光放电,产生的等离子体充满整个真空室。这种低气压气体辉光放电时形成的等离子体属于冷等离子体,离子温度远低于电子温度,放在真空室的工件处于等离子体中,由于冷等离子体中电子的运动速度远大于离子的运动速度,故因热运动而随机投向工件表面的电子流量比正离子多,结果在工件表面产生负电位,随着工件表面电子电荷的积累,负电位增加,直至正离子流和电流的流量相等,达到动态平衡。这时,工件表面电子密度大于离子密度,而正离子积聚在工件表面周围,形成一层鞘层,这一鞘层的形成可以从“浸泡”在等离子体中的工件上测到。
(二)将离子注入技术应用于射流元件的可行性试验
目前离子注入技术应用比较广泛,尤其对于大尺寸零件基体可进行离子注入,形成所需的表面合金化层,获得所需性能,解决整体材料普通热处理或加工方法无法实现的性能。考虑到射流元件内部尤其是排空道磨損比较严重部位结构的复杂性,采用了等离子体浸没氮离子的注入方法。
实验中我们采用了铁道科学研究院生产的DM2-25等离子脉冲渗氮仪,其性能参数如下:输出电压:0～1000V;脉冲频率:20000Hz;灭弧时间:<15us;导通比α:0.20～0.80;射流元件的材料构成:35CrMo。
(三)试验结果分析
图4是射流元件表面硬度随时间变化曲线,从图中可以看出:
1.经过相同时间的处理,元件表面的硬度随深度的增加而呈非线性逐渐减小。
2.随着处理时间的延长,元件表面不同深度的硬度均有不同程度的增大。特别是距离表面100 um范围内,增大幅度最为显著。以深度为50 um处为例,当加工时间为0.5h时,硬度为590 HV0.05;当加工时间为9h时, 硬度增大到1120 HV0.05,后者是前者的近两倍。35CrMo钢在等离子表面处理前,其硬度约为250～270HV0.05(经调质处理),可见,经过9h的等离子体渗氮表面处理后,其硬度可提高4～5倍。
(四)射流元件耐磨性测试
经过表面处理后,利用SRV微动摩擦磨损试验机对试样的耐磨性进行了测试。摩擦磨损试验在常温无润滑的条件下进行,微动频率25Hz,振幅1mm,荷载20N,摩擦时间20min,摩擦对偶为直径9mm的GCr15钢球。试验结束后用轮廓仪测定试样表面磨痕的截面大小,并计算出磨损体积,测试结果见表1:
从表1可以看出,在高载荷条件下,等离子体表面处理可使35CrMo钢的磨损率下降50%左右。
四、结论
从上述理论及实验结果可以看出,经过等离子体表面处理以后,射流元件的表面硬度大大提高,耐磨性更好。可见,将等离子体表面处理技术应用于射流元件,对于延长射流元件的使用寿命,提高钻进效率是一个行之有效的方法。
参考文献
[1]苏长寿.液动潜孔锤的现状及用于石油钻井应注意的几个问题[J].探矿工程,2002,(6).
[2]刘广志.潜孔锤的研制与发展[J].地质与勘探,1994,(2).
[3]苏颖,林文廉.WC-Co硬质合金的MEVVA源离子注入表面改性研究[J].北京师范大学学报(自然科学版),1997,(1).
[4]徐滨士.表面工程的应用与展望.中国科技前沿(中国工程院版)[M].北京:高等教育出版社,2000.
[5]赵青,耿漫.等离子体浸没离子注入(P)技术在现代材料表面改性中的应用及发展[J].真空,2000,(2).
[6]汤宝寅,王松雁,刘爱国,曾照明.等离子体浸没离子注入及表面强化工艺的进展[J].材料科学与工艺,1999.
[7]王钧石,柳襄怀,王曦,陈元儒.等离子体源离子注入表面改性研究及应用[J].材料热处理学报,2002,(1).
[8]张振宇,杜洁海,王国光,杜树芳.离子渗氮对38CRMo耐磨性的影响[J].材料科学与工艺,1994,(1).
作者簡介:李治文(1974-),男,山西人,上海海洋地质勘察设计有限公司高级工程师,吉林大学岩土工程在读硕士,研究方向:岩土工程勘察、设计、施工。
关键词:射流元件;表面工程;离子注入;冲击器
中图分类号:P634文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)01-0045-03
射流式液动冲击回转钻进技术是当今钻进硬岩、卵砾石层和破碎地层最有效的技术之一。由于该技术具有钻进速度快、钻压和扭矩小、转速低、成孔质量好、钻进成本低等优点,目前已广泛应用于固体矿床开采、水文水井钻探及工程地质勘察等领域。
一、液动射流冲击器的结构及工作原理
液动射流冲击器结构如图1所示,它以一个双稳的射流元件作为高压流体的控制机构。由于双稳射流元件具有附壁和切换的特性,因而可控制流体按一定的规律进入冲击器活塞工作腔体的上腔和下腔,从而推动活塞冲锤上下往复运动。其工作原理为:水泵输出的高压水经钻杆和射流元件的喷嘴,形成了高速射流,高速射流在元件工作腔内产生附壁效应。假如先附壁于右侧,高压水由C处通道进入上缸,推动活塞及冲锤高速下行,冲锤撞击砧子,砧子以丝扣同岩心管或钻头连接,冲击力传至岩心管或钻头,完成一次冲击作用。在活塞行程末了,活塞撞击砧子速度突然变为零,缸体内的流体产生水击压力,该压力通过控制道形成使射流由C通道切换至E通道的反馈信号,流体切换到E通道后,进入下缸,然后推动活塞向上作返回运动;同样当活塞运动到上死点时,产生水击作用,反馈信号将射流切换到C通道输出,如此往返实现冲击动作。上下缸的回水则通过C、E输出通道返到放空孔,经射流元件侧面通道、缸体侧面通道、冲锤与外管环空通道,再通过砧子的过水通道向下通过钻头流至孔底。
从冲击器的结构可以看出,液动射流式冲击器的内部结构非常简单,由于没有弹簧及配水活阀等易损零件,使用寿命较其它类型冲击器要长。在使用过程中,由于射流元件频繁经受高压液体的冲刷作用,从而也就成了最易受损的部件,也就是说,射流元件使用寿命的长短直接决定着冲击器的使用寿命。
我院开展液动射流式冲击器的研究工作至今已经有30多年的历史,冲击器结构已经日趋完善,参数不断获得优化,使用寿命不断增长。以我院所研制的YSC-178液动射流式冲击器为例,该冲击器在中国大陆科学钻探等国内很多重大工程中都被使用,野外使用最长入井时间84小时,在较硬砂岩中钻进,采用牙轮钻头,平均钻速达3.58m/h,与普通牙轮钻头钻进相比效率提高161%,获得了较好的使用效果。该冲击器还被美国Smith Tool公司购买,入井工作也取得了令美国方面满意的效果。
其结构如图1所示:
YSC-178液动射流式冲击器在使用过程中,其内部的射流元件都存在着不同程度的磨损现象,严重的可导致冲击器不能正常工作。根据对江苏东海大陆科学钻探现场发送回来的失效射流元件进行分析,破坏形态可描述如下:磨损轻微处有较集中的沿水流方向的划痕和麻点;磨损严重处,表面呈沟槽状痕迹,并连成一片如鱼鳞状的磨坑,磨损痕迹表面密实,有金属阴暗光泽。
二、射流元件失效分析
液动射流冲击器的工作介质以泥浆为主,间或有清水、泡沫等。当以清水、泡沫等作为动力介质时,上返的岩屑易与介质分离,岩屑对射流元件的磨损作用小,因此射流元件工作时间较长,寿命可达几十个小时。但是在石油天然气钻井和地热钻井过程中以泥浆作为动力介质时,泥浆密度通常为1.05～1.4g/cm3,粘度20～70s,水泵的泵量为20～75L/s,泵压在2～30MPa之间,含砂量可达到4%。在液动射流冲击器射流元件的喷嘴处流速可达80～120m/s,在这样高的流速下,泥浆中的固相颗粒(尤其是砂)就像砂轮一样,磨蚀元件喷嘴、侧壁、劈尖及排空孔,在长时间的冲蚀作用下,会对射流元件造成磨损,使射流附壁切换的灵敏性降低直至失效,从而影响到冲击器的正常工作。因此,提高射流元件的抗磨损性能,是提高射流元件使用寿命的关键。
为了提高射流元件的使用寿命,目前常用的处理方法是在喷嘴、侧壁、劈尖以及上、下底板等易磨损处镶焊硬质合金块,这种方法可以有效提高射流元件的使用寿命。但是在使用一段时间后,排空道部位也会出现被冲蚀的现象,而且直接导致了射流元件的工作失效。由于排空道形状复杂,若也采用镶嵌硬质合金的办法则加工难度相当大,即使采用分块镶嵌的办法也势必产生应力集中的问题。鉴于以上原因,结合当前表面工程技术的发展趋势,决定应用表面工程技术,对射流元件的内表面进行处理。
三、表面工程技术应用于射流元件的可行性试验研究
表面工程技术是经表面预处理后,通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理,改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成份、组织结构和应力状况,以获得所需要的表面性能的系统工程,其中使用最多的是离子注入表面处理技术。
(一)离子注入技术
离子注入表面处理是把某种元素的原子电离成离子,并使其在几十至几百千伏的电压下进行加速,在获得较高速度后射入放在真空靶室中的工件表面,从而改变材料表面层的物理、化学和机械性能的一种表面原子冶金方法,目前最常用的是离子体浸没 (PIII)技术。在优化材料表面的摩擦学特性方面,离子注入技术有着明显的优势。
离子注入是通过离子注入机来完成的。离子注入机主要包括一个产生离子的离子源和一个带有真空系统的靶室。离子源有固体离子源、气体离子源及固体/气体离子源。当真空抽至约10-4Pa的水平时,灯丝供电,通入待注入离子种类的气体,例如常用的氮气,使气压保持在10-3～10-2Pa,启动放电电源,引起辉光放电,产生的等离子体充满整个真空室。这种低气压气体辉光放电时形成的等离子体属于冷等离子体,离子温度远低于电子温度,放在真空室的工件处于等离子体中,由于冷等离子体中电子的运动速度远大于离子的运动速度,故因热运动而随机投向工件表面的电子流量比正离子多,结果在工件表面产生负电位,随着工件表面电子电荷的积累,负电位增加,直至正离子流和电流的流量相等,达到动态平衡。这时,工件表面电子密度大于离子密度,而正离子积聚在工件表面周围,形成一层鞘层,这一鞘层的形成可以从“浸泡”在等离子体中的工件上测到。
(二)将离子注入技术应用于射流元件的可行性试验
目前离子注入技术应用比较广泛,尤其对于大尺寸零件基体可进行离子注入,形成所需的表面合金化层,获得所需性能,解决整体材料普通热处理或加工方法无法实现的性能。考虑到射流元件内部尤其是排空道磨損比较严重部位结构的复杂性,采用了等离子体浸没氮离子的注入方法。
实验中我们采用了铁道科学研究院生产的DM2-25等离子脉冲渗氮仪,其性能参数如下:输出电压:0～1000V;脉冲频率:20000Hz;灭弧时间:<15us;导通比α:0.20～0.80;射流元件的材料构成:35CrMo。
(三)试验结果分析
图4是射流元件表面硬度随时间变化曲线,从图中可以看出:
1.经过相同时间的处理,元件表面的硬度随深度的增加而呈非线性逐渐减小。
2.随着处理时间的延长,元件表面不同深度的硬度均有不同程度的增大。特别是距离表面100 um范围内,增大幅度最为显著。以深度为50 um处为例,当加工时间为0.5h时,硬度为590 HV0.05;当加工时间为9h时, 硬度增大到1120 HV0.05,后者是前者的近两倍。35CrMo钢在等离子表面处理前,其硬度约为250～270HV0.05(经调质处理),可见,经过9h的等离子体渗氮表面处理后,其硬度可提高4～5倍。
(四)射流元件耐磨性测试
经过表面处理后,利用SRV微动摩擦磨损试验机对试样的耐磨性进行了测试。摩擦磨损试验在常温无润滑的条件下进行,微动频率25Hz,振幅1mm,荷载20N,摩擦时间20min,摩擦对偶为直径9mm的GCr15钢球。试验结束后用轮廓仪测定试样表面磨痕的截面大小,并计算出磨损体积,测试结果见表1:
从表1可以看出,在高载荷条件下,等离子体表面处理可使35CrMo钢的磨损率下降50%左右。
四、结论
从上述理论及实验结果可以看出,经过等离子体表面处理以后,射流元件的表面硬度大大提高,耐磨性更好。可见,将等离子体表面处理技术应用于射流元件,对于延长射流元件的使用寿命,提高钻进效率是一个行之有效的方法。
参考文献
[1]苏长寿.液动潜孔锤的现状及用于石油钻井应注意的几个问题[J].探矿工程,2002,(6).
[2]刘广志.潜孔锤的研制与发展[J].地质与勘探,1994,(2).
[3]苏颖,林文廉.WC-Co硬质合金的MEVVA源离子注入表面改性研究[J].北京师范大学学报(自然科学版),1997,(1).
[4]徐滨士.表面工程的应用与展望.中国科技前沿(中国工程院版)[M].北京:高等教育出版社,2000.
[5]赵青,耿漫.等离子体浸没离子注入(P)技术在现代材料表面改性中的应用及发展[J].真空,2000,(2).
[6]汤宝寅,王松雁,刘爱国,曾照明.等离子体浸没离子注入及表面强化工艺的进展[J].材料科学与工艺,1999.
[7]王钧石,柳襄怀,王曦,陈元儒.等离子体源离子注入表面改性研究及应用[J].材料热处理学报,2002,(1).
[8]张振宇,杜洁海,王国光,杜树芳.离子渗氮对38CRMo耐磨性的影响[J].材料科学与工艺,1994,(1).
作者簡介:李治文(1974-),男,山西人,上海海洋地质勘察设计有限公司高级工程师,吉林大学岩土工程在读硕士,研究方向:岩土工程勘察、设计、施工。