鮑東升 羅登銀 曲春雨 郭心宇 邵天宇

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

剪切閥泥漿脈沖發(fā)生器具有擺動頻率高、調制方式豐富、傳輸速率可達20 b·s-1以上等優(yōu)點。它的關鍵部件主要由定子和轉子組成，扭桿的一端連接轉子，另一端連接驅動泥漿脈沖發(fā)生器的電機。工作時，轉子在電機的驅動下做一定角度的往復擺動，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?，隨后數(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)生器轉子一般由硬質合金材料制成。硬質合金以難熔金屬硬質化合物（碳化鎢、碳化釩為主的碳化物為代表）為硬質相、以粘結金屬（鈷、鐵、鎳為代表）為粘結相，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，影響信號質量，導致信號解碼失敗[4]。轉子會因泥漿沖蝕而斷裂，轉子碎片在泥漿的帶動下?lián)p壞鉆鋌內部構件。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，本文設計了一種耐沖蝕耐腐蝕硬質合金泥漿脈沖發(fā)生器轉子，在保證泥漿脈沖信號正常傳輸?shù)幕A上，實現(xiàn)了硬質合金的韌性與聚晶金剛石耐腐蝕、耐沖蝕性的性能組合，顯著提高了硬質合金轉子的耐沖蝕、耐腐蝕性能，延長了傳統(tǒng)硬質合金轉子的使用壽命。

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

1 技術方案設計

耐沖蝕耐腐蝕轉子是在硬質合金轉子本體的泥漿沖蝕面上粘結聚晶金剛石層，如圖3 所示。聚晶金剛石材料結構致密，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件上使用。聚晶金剛石層和轉子本體粘結時采用耐溫200 ℃、耐壓80 ～140 MPa 的高溫高壓粘結膠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力，保證硬質合金轉子本體的泥漿沖蝕面與聚晶金剛石層粘結牢固，避免聚晶金剛石層隨硬質合金轉子本體高速轉動過程中發(fā)生脫落。

2 粘結聚晶金剛石層流程

粘結聚晶金剛石層的流程如圖4 所示。表面處理是將硬質合金轉子本體表面與聚晶金剛石表面磨平，然后進行噴砂處理，以增加粘結表面的粗糙度。清洗工件是在通風條件下，采用無水乙醇在超聲波容器中清洗硬質合金轉子本體和聚晶金剛石層的粘結表面，然后將粘結膠分別涂于硬質合金轉子本體的泥漿沖蝕面、聚晶金剛石層的粘結表面上。粘結膠的膠層厚度為1 mm。采用壓緊工裝將聚晶金剛石層壓緊在硬質合金轉子本體的泥漿沖蝕面上，使聚晶金剛石層和硬質合金轉子本體粘結在一起。扶正是通過與轉子鍵槽形狀一致的扶正合金塊，扶正硬質合金轉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。固化結束后，取下壓緊工裝，得到耐沖蝕耐腐蝕硬質合金泥漿脈沖發(fā)生器轉子，如圖5 所示。

3 沖蝕驗證

3.1 試驗方法

為了驗證粘結聚晶金剛石層的轉子的實際效果，使用如圖6 所示的沖蝕磨損試驗臺進行沖蝕實驗，計算轉子的沖蝕率，并與單一硬質合金材料轉子進行對比。試驗臺主要由泥漿泵、電機、混料箱、噴嘴和樣品臺5 部分構成[5]。泥漿泵的排量與出口壓強可調，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整為0.2%。沖蝕率的計算方法為失重法，沖蝕時間設置為1 h。硬質合金轉子與粘結聚晶金剛石層轉子沖蝕點位置，如圖7 所示。沖蝕點1 是單一硬質合金材料轉子流道底部。沖蝕點2 是粘結聚晶金剛石層轉子流道底部[6]。

3.2 試驗結果與分析

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

表1 液固兩相流沖蝕磨損試驗結果

4 結語

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