Способ нанесения защитного поверхностного слоя на буровые долота
METHOD FOR APPLYING A PROTECTIVE SURFACE LAYER TO DRILL BITS

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к изготовлению буровых долот с упрочненной поверхностью.
Известен композиционный состав порошкообразного материала для восстановления деталей бетоносмесителя (патент RU №2201994, МПК С23С 04/04, опубл. 10.04.2003 Бюл. №10), состоящий из смеси порошка на основе железа и порошка на основе никеля, причем порошок на основе железа содержит, мас.%:
Углерод
4,1-4,4,
Хром
30-33,
Кремний
3,5-4,0,
Марганец
2,0-2,5,
Никель
4,0-4,5,
Алюминий
3,5-4,5,
Железо
остальное,
а порошок на основе никеля содержит, мас.%:
Углерод
0,6-1,0,
Хром
16-17,
Кремний
3,4-4,6,
Бор
2,5-4,0,
Железо
не более 4,
Никель
остальное,
при этом процентный состав порошков в смеси на основе железа и никеля составляет соответственно 70-75% и 30-25%.
Этот композиционный состав наносят способом, включающим предварительный прогрев поверхности детали до 110°С,нагрев при напылении частиц порошка до температуры, при которой происходит экзотермическая реакция, сопровождающаяся дополнительным выделением тепла и повышением температуры, нанесение покрытия производят в два этапа, сначала - на основе железа, а потом - на основе никеля, упомянутых выше, после чего покрытие нагревают до появления на оплавляемых участках блестящей поверхности.
Недостатками данного способа являются сложность реализации из-за необходимости нанесения покрытия в два этапа с последующим нагревом до появления на оплавляемых участках блестящей поверхности, и не высокая адгезия к металлу детали, так как наносится покрытие при температуре самой детали до 110°С, что недостаточно для работы в скважинных условиях с большим количеством ударных нагрузок о вскрываемую породу различного состава.
Известен также способ восстановления изношенного слоя на рабочих поверхностях зубьев чугунных зубчатых колес (патент RU №2481936, МПК В23Р 6/00, С23С 10/38, опубл. 20.05.2013 Бюл. №14), включающий нанесение на рабочую поверхность зубьев износостойкого покрытия толщиной, равной толщине изношенного слоя, которая не превышает допуск размеров на профиль зуба, причем поверхности зубчатых колес, не подвергающихся восстановлению, предварительно покрывают защитным слоем меди толщиной 5-10 мкм, износостойкое покрытие наносят путем термодиффузионного насыщения при температуре 1000-1050°С из порошковой смеси, содержащей ванадий, хром или марганец в виде ферросплавов, инертный наполнитель и активатор процесса диффузии, при этом упомянутое насыщение ванадием проводят в течение 4-6 ч с получением восстанавливаемого слоя толщиной 40-50 мкм, а насыщение хромом или марганцем - в течение 10-12 ч с получением восстанавливаемого слоя толщиной 50-60 мкм.
Недостатками данного способа являются сложность реализации и длительность процесса нанесения из-за необходимости нанесения покрытия в три этапа: сначала защитный адгезионный слой, потом - износостойкое покрытие в два этапа, причем насыщение ванадием проводят в течение 4-6 ч с, а насыщение хромом или марганцем - в течение 10-12 ч.
н
o
2
Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления алмазных буровых долот (патент RU №2377111, МПК B23P 15/00, E21B 10/46, опубл. 27.12.2009 Бюл. №36), включающий токарную и фрезерную обработку составных частей корпуса, каналов для подвода промывочной жидкости к лопастям, режущим кромкам породоразрушающих и армирующих вставок с поликристаллическими алмазами (PDC), обработку гнезд под них, плотную установку в эти гнезда графитовых пробок, предварительный нагрев корпуса до температуры t, приблизительно равной 500°С, наплавку пространств между пробками с набегающей и сбегающей сторон лопастей износостойким сплавом типа вольфрамокобальтового, удаление графитовых пробок после наплавки и остывания, установку вместо них вставок с поликристаллическими алмазами (PDC), запаивание вставок при температуре, не превышающей 650°С, проведение низкого отпуска при температуре t, приблизительно равной 280°С, после чего всю рабочую поверхность бурового долота очищают, подтравливают и наносят на нее электрохимическим методом высокоизносостойкое композиционное кластерное покрытие на основе хрома с микрочастицами алмаза толщиной до 0,8 мм, микротвердостью до 1200 кг/мм с коэффициентом трения менее 0,08.
Недостатками данного способа являются узкая область применения из-за возможности использования только с алмазными поликристаллическими вставками, сложность реализации и длительность процесса нанесения из-за необходимости нанесения покрытия в два этапа: сначала наплавлением до фиксации вставок, потом - электрохимическим методом высокоизносостойкое композиционное кластерное покрытие поде фиксации вставок.
Технической задачей предполагаемого изобретения является создание простого и технологического способа нанесения защитного поверхностного слоя на буровые долота, позволяющего получить защитный слой за одну операцию наплавлением как минимум без ухудшения рабочих характеристик долота.
Техническая задача решается способом нанесения защитного поверхностного слоя на буровые долота, включающим предварительный нагрев корпуса бурового долота, наплавку пространств на набегающие и сбегающие стороны лопастей бурового долота износостойкого сплава и охлаждение бурового долота.
Новым является то, что предварительный нагрев осуществляют до температуры 510 - 550°С, наплавку износостойким сплавом производят при температуре поверхности 495-510°С и добавлением в пламя ацетиленовой горелки порошка, содержащего мас. %:
Углерод
0,6-0,9%,
Кремний
2,5-3,5%,
Бор
3,5-4,0%,
Железо
не более 3%,
Медь
2,1-2,5%,
Молибден
2,4-2,8%,
Хром
30,0-33,0%,
Никель
остальное,
до появления на покрываемых сторонах лопастей равномерной и блестящей обрабатываемой поверхности с последующим охлаждением до комнатной температуры на открытом воздухе.
Новым также является то, что по окончании охлаждения бурового долота производят полировку циркониевой лентой поверхности наплавленного защитного слоя.
На чертеже изображена фотография бурового долота после нанесения защитного слоя.
Способ нанесения защитного поверхностного слоя на буровые долота включает предварительную подготовку порошка для образования защитного покрытия с составом ингредиентов, мас.%:
Углерод (С)
0,6-0,9%,
Кремний (Si)
2,5-3,5%,
Бор (B)
3,5-4,0%,
Железо (Fe)
не более 3%,
Медь (Cu)
2,1-2,5%,
Молибден (Mo)
2,4-2,8%,
Хром (Cr)
30,0-33,0%,
Никель (Ni)
остальное
z
z
a
a
Причем разброс параметров углерода, кремния, бора, меди, молибдена, хрома и никеля связан погрешностью весового оборудования, а наличие железа связано с его попаданием при обработке и дроблении на стальном оборудовании, состоящим в основном из стальных и/или железных деталей, контактирующих с порошком. Как показала практика, наличие железа в порошке до 3% не влияет на качество наносимого покрытия. Производят нагрев корпуса долота до температуры 510-550°С (для исключения изменения кристаллической решетки металла корпуса), после чего корпус быстро перестанавливают на станину для нанесения корпуса, не позволяя ему остыть ниже 495-510°С до нанесения защитного покрытия. Такая температура 495-510°С выявлена эмпирическим путем для получения наиболее качественного наплавку данным порошком по адгезии к поверхности корпуса (полностью исключается отслоение покрытия при работе долота в скважине), твердости (HRC 55-62) и чистоты поверхности (R20-R10 - без обработки с коэффициентом трения μ≤0,1). После чего сразу производят наплавку на набегающие и сбегающие стороны лопастей бурового долота приготовленного порошка. Для этого в пламя ацетиленовой горелки, направленное на выбранную поверхность долота приготовленный порошок, причем обработку поверхности ведут до получения равномерной по всей площади блестящей поверхности, после чего сразу переходят на наплавку следующей поверхности до полного покрытия всех набегающих и сбегающих сторон лопастей бурового долота. Затем корпус оставляют охлаждаться до комнатной температуры на открытом воздухе для снятия внутренних напряжений. Для увеличения срока службы бурового долота при работе в тяжелых условиях (наклонные и/или горизонтальные стволы скважин, или на глубине более 1000 м) за счет уменьшения коэффициентом трения до μ=0,5- 0,3, по окончании охлаждения бурового долота производят полировку циркониевой лентой поверхности наплавленного защитного слоя (до R2,5-R1,25).
Пример конкретного выполнения.
2
2
2
Корпус долота PDC с рабочим наружным диаметром ∅295,3 мм очистили от масла, воска или других посторонних веществ, обработав наружную поверхность стеклянной дробью. После чего корпус поместили в индукционную установку с выставленной температурой термопары на лопасти 550°C. Корпус извлекли из индукционной установки с температурой 524°C (измерили телевизором Testo 882, серийный № 2405013). На технологической станине быстро зафиксировали корпус бурового долота с температурой 508°C, в одно из поверхностей с набегающими и сбегающими сторонами между близлежащими лопастями бурового долота направили пламя ацетиленовой горелки SUPER LET (ООО «Кастолин», г. Москва), образованное подачей кислорода (O, 50-60 psig) и ацетилена (CH, 5-10 psig), с одновременной подачей в пламя этой горелки порошка, содержащего мас.%:
Углерод
0,6-0,9%,
Кремний
2,5-3,5%,
Бор
3,5-4,0%,
Железо
не более 3%,
Медь
2,1-2,5%,
Молибден
2,4-2,8%,
Хром
30,0-33,0%,
Никель
остальное
z
a
Поверхность с набегающими и сбегающими сторонами между близлежащими лопастями бурового долота обрабатывали до получения равномерной и блестящей обрабатываемой поверхности (HRC 58, R20, μ=0,08) защитного слоя. Аналогично нанесли защитный слой на оставшиеся необработанные поверхности между всеми лопастями борового долота. По завершении наплавки защитного слоя произвели охлаждение до комнатной температуры на открытом воздухе. По окончании охлаждения корпуса бурового долота произвели полировку циркониевой лентой поверхности наплавленного защитного слоя до R2,5 и μ=0,4 (см. чертеж).
По сравнению с аналогом время получения защитного слоя сократилось примерно в 3 раза за счет нанесения защитного поверхностного слоя за одну операцию, при сопоставимых характеристиках, а после полировки продолжительность работы долота до извлечения из скважины увеличилась примерно в 1,3 раза.
Предполагаемый способ нанесения защитного поверхностного слоя на буровые долота прост и технологичен, так как позволяет получить защитный слой за одну операцию наплавлением как минимум без ухудшения рабочих характеристик долота.