用于石油鉆井磨料射流噴嘴的研制

　　為進一步提高石油鉆井磨料射流噴嘴壽命，以自制含有晶粒長大抑制劑的WC- 6Co 納米復合粉為原料，采用模壓及真空燒結(jié)試制了一種磨料射流噴嘴，用掃描電鏡觀察其組織形貌，并進行硬度和密度的測量。結(jié)果表明：試制的WC- 6Co 硬質(zhì)合金噴嘴組織均勻，斷口平整光滑，WC 晶粒細小，平均晶粒尺寸約1.5 μm;其硬度為HRA90.7，密度為14.79 g/cm3，接近國外同類產(chǎn)品，有廣泛應用推廣價值。

　　石油鉆井中常使用高壓磨料射流技術(shù)開采深部油藏、邊緣油藏。高壓磨料射流是以高壓水射流為載體，加入一定數(shù)量的磨料微粒，這樣可大大增加射流的沖擊力和對巖層的磨削速度，是石油開采技術(shù)中最有應用前景的一種高壓射流。噴嘴是高壓磨料射流成套設(shè)備中一關(guān)鍵零件，是形成射流工況的直接元件。石油鉆井通常是在高圍壓環(huán)境，工況惡劣。噴嘴在使用時，由于受到高速磨粒的沖擊使得噴嘴磨損十分嚴重，其壽命通常只有幾十個小時甚至更低，導致石油鉆井提換噴嘴頻率升高，進而影響鉆井成本。為保證磨料射流的鉆孔效率，通常一個鉆頭上同時分布多個噴嘴。但只要其中一個噴嘴失效，將導致射流壓力驟降，影響整個鉆井作業(yè)。所以每個噴嘴的壽命應盡可能長且一致，這就要求噴嘴材料組織均勻、性能穩(wěn)定。

　　噴嘴內(nèi)由于固液兩相流與內(nèi)壁之間復雜的相互作用，其失效原因難以用單一的磨損機理進行闡述，但多數(shù)人認為沖蝕磨損是一種主要機制。根據(jù)壓痕理論，材料硬度遠大于材料韌性對噴嘴抗沖蝕性能的貢獻。文獻也證實在足夠高斷裂韌性的前提下，提高噴嘴材料的硬度能大幅減少沖蝕磨損。硬質(zhì)合金由于硬度高且具有一定的韌性，被廣泛用于制備耐磨噴嘴類零件。

　　細化晶粒是提高材料強度和韌性的一種常用手段。納米材料研究的發(fā)展，使得超細晶粒硬質(zhì)合金的制備成為該領(lǐng)域的研究熱點。文獻表明，減少WC- Co 硬質(zhì)合金中WC 晶粒尺寸可在不降低韌性的情況下進一步提高硬度。因此，組織均勻的細晶硬質(zhì)合金可望進一步提高噴嘴的壽命。本文探索用WC- Co 納米復合粉為原料制備一種用于石油鉆井的磨料射流噴嘴，并與國外及市售的同類產(chǎn)品進行對比。

　　結(jié)論

　　(1) 以自制含有晶粒長大抑制劑的WC- 6Co納米復合粉為原料，在1380℃，1 h 的真空燒結(jié)條件下試制了用于石油鉆井的磨料射流噴嘴，其密度為14.79 g/cm3，硬度為HRA90.7。

　　(2) 試制噴嘴的斷口組織均勻、細小，致密度較高，且WC 晶粒斷面光滑。初步顯示試制的噴嘴材料性能優(yōu)于國內(nèi)市售，接近國外同類產(chǎn)品。