I. Состав материала ядра
1Твердая фаза: карбид вольфрама (WC)
- Пропорциональный диапазон: 70-95%
- Ключевые свойства: обладает сверхвысокой твердостью и износостойкостью, с твердостью Викерса ≥ 1400 HV.
- Влияние размера зерна:
- Грубое зерно (38μm): высокая прочность и устойчивость к ударам, подходящая для формирований с гравием или твердыми межслоями.
- Мелкое/ультрамелкое зерно (0,2μm): Улучшенная твердость и износостойкость, идеально подходит для высокоабразивных образований, таких как кварцевый песчаник.
2Фаза связующего: кобальт (Co) или никель (Ni)
- Пропорциональный диапазон: 5-30%, действующий как "металлический клей" для связывания частиц карбида вольфрама и обеспечения прочности.
- Типы и характеристики:
- На основе кобальта (обычный выбор):
- Преимущества: высокая прочность при высоких температурах, хорошая теплопроводность и превосходные механические свойства.
- Применение: большинство обычных и высокотемпературных формаций (кобальт остается стабильным ниже 400 °C).
- На основе никеля (особые требования):
- Преимущества: повышенная коррозионная стойкость (устойчивость к H2S, CO2 и высокосоленым буровым жидкостям).
- Применение: кислотные газовые месторождения, морские платформы и другие коррозионные среды.
- На основе кобальта (обычный выбор):
3. Добавки (оптимизация на микроуровне)
- Карбид хрома (Cr3C2): Улучшает окислительную стойкость и уменьшает потерю фазы связующего при высоких температурах.
- Танталокарбид (TaC)/ниобиокарбид (NbC): ингибирует рост зерна и повышает твердость при высоких температурах.
II. Причины выбора твердого металла из карбида вольфрама
| Производительность | Описание преимуществ |
|---|---|
| Отпор на износ | Твердость вторая только после алмаза, устойчивая к эрозии абразивными частицами, такими как кварцевый песок (скорость износа более чем в 10 раз ниже, чем у стали). |
| Устойчивость к ударам | Твердость кобальтово-никелевой фазы связующего предотвращает фрагментацию от вибраций внизу отверстия и отскакивания бита (особенно грубозернистых + высокококобальтовых препаратов). |
| Стабильность при высоких температурах | Сохраняет работоспособность при температуре дна отверстия от 300 до 500 °C (сплавы на основе кобальта имеют температурный предел ~ 500 °C). |
| Устойчивость к коррозии | Сплавы на основе никеля устойчивы к коррозии от серной буровой жидкости, увеличивая срок службы в кислой среде. |
| Экономическая эффективность | Гораздо более низкая стоимость, чем у алмазного/кубического нитрида бора, с сроком службы в 20−50 раз больше, чем у стальных сопла, что обеспечивает оптимальные общие преимущества. |
III. Сравнение с другими материалами
| Тип материала | Недостатки | Сценарии применения |
|---|---|---|
| Диамант (PCD/PDC) | Высокая ломкость, слабая устойчивость к ударам; чрезвычайно дорогостоящий (~ 100 раз дороже карбида вольфрама). | Редко используется для соприкосновений; иногда в экстремально абразивных экспериментальных условиях. |
| Кубический нитрид бора (PCBN) | Хорошая температурная стойкость, но низкая прочность; дорого. | Сверхглубокие высокотемпературные твердые образования (не основные). |
| Керамика (Al2O3/Si3N4) | Высокая твердость, но значительная ломкость; слабая термостойкость. | На стадии лабораторной проверки, еще не коммерчески масштабирована. |
| Сталь высокой прочности | Недостаточная износостойкость, короткий срок службы. | Низкокачественные биты или временные альтернативы. |
IV. Направления технического развития
1Оптимизация материалов
- Нанокристаллический карбид вольфрама: размер зерна < 200 нм, твердость увеличена на 20% без ущерба для прочности (например, серия Sandvik Hyperion TM).
- Функционально-разрядная структура: высокая твердость мелкозернистый WC на поверхности сопла, высокая твердость грубозернистый + высокий кобальтовый ядро, балансирующий износ и сопротивление переломам.
2Укрепление поверхности
- Диамантное покрытие (CVD): 2μ5μм пленка увеличивает твердость поверхности до > 6000 HV, продлевая срок службы на 3μ5x (30% увеличение стоимости).
- Лазерное покрытие: слои WC-Co, отложенные на уязвимые участки сопла для повышения локальной износостойкости.
3. Адитивное производство
- 3D-печатный карбид вольфрама: позволяет интегрировать сложные каналы потока (например, структуры Вентури) для повышения гидравлической эффективности.
V. Ключевые факторы выбора материала
| Условия эксплуатации | Рекомендация по материалам |
|---|---|
| Высокоабразивные образования | Тонко-/ультратонкозернистый ТС + средне-низкий кобальт (6 ∼8%) |
| Проекции, подверженные ударам/вибрациям | Грубозернистый WC + высокое содержание кобальта (1013%) или классифицированная структура |
| Кислотные среды (H2S/CO2) | Связывающее вещество на основе никеля + добавка Cr3C2 |
| Сверхглубокие скважины (> 150°C) | Сплав на основе кобальта + добавки TaC/NbC (избегайте никеля для слабой высокотемпературной прочности) |
| Проект, связанный с затратами | Стандартный среднезернистый WC + 9% кобальта |
Заключение
- Доминирующее положение на рынке: Твердый металл из карбида вольфрама (WC-Co/WC-Ni) является абсолютным основным, на который приходится > 95% мировых рынков сосудов с бурильными концами.
- Основные показатели эффективности: адаптируемость к различным проблемам формирования с помощью корректировки размера зерен WC, соотношения кобальта/никеля и добавок.
- Незаменимость: остается оптимальным решением для сбалансирования износостойкости, прочности и стоимости, причем передовые технологии (нанокристаллизация, покрытия) еще больше расширяют границы его применения.