用于石油钻井磨料射流喷嘴的研制

　　为进一步提高石油钻井磨料射流喷嘴寿命，以自制含有晶粒长大抑制剂的WC- 6Co 纳米复合粉为原料，采用模压及真空烧结试制了一种磨料射流喷嘴，用扫描电镜观察其组织形貌，并进行硬度和密度的测量。结果表明：试制的WC- 6Co 硬质合金喷嘴组织均匀，断口平整光滑，WC 晶粒细小，平均晶粒尺寸约1.5 μm;其硬度为HRA90.7，密度为14.79 g/cm3，接近国外同类产品，有广泛应用推广价值。

　　石油钻井中常使用高压磨料射流技术开采深部油藏、边缘油藏。高压磨料射流是以高压水射流为载体，加入一定数量的磨料微粒，这样可大大增加射流的冲击力和对岩层的磨削速度，是石油开采技术中最有应用前景的一种高压射流。喷嘴是高压磨料射流成套设备中一关键零件，是形成射流工况的直接元件。石油钻井通常是在高围压环境，工况恶劣。喷嘴在使用时，由于受到高速磨粒的冲击使得喷嘴磨损十分严重，其寿命通常只有几十个小时甚至更低，导致石油钻井提换喷嘴频率升高，进而影响钻井成本。为保证磨料射流的钻孔效率，通常一个钻头上同时分布多个喷嘴。但只要其中一个喷嘴失效，将导致射流压力骤降，影响整个钻井作业。所以每个喷嘴的寿命应尽可能长且一致，这就要求喷嘴材料组织均匀、性能稳定。

　　喷嘴内由于固液两相流与内壁之间复杂的相互作用，其失效原因难以用单一的磨损机理进行阐述，但多数人认为冲蚀磨损是一种主要机制。根据压痕理论，材料硬度远大于材料韧性对喷嘴抗冲蚀性能的贡献。文献也证实在足够高断裂韧性的前提下，提高喷嘴材料的硬度能大幅减少冲蚀磨损。硬质合金由于硬度高且具有一定的韧性，被广泛用于制备耐磨喷嘴类零件。

　　细化晶粒是提高材料强度和韧性的一种常用手段。纳米材料研究的发展，使得超细晶粒硬质合金的制备成为该领域的研究热点。文献表明，减少WC- Co 硬质合金中WC 晶粒尺寸可在不降低韧性的情况下进一步提高硬度。因此，组织均匀的细晶硬质合金可望进一步提高喷嘴的寿命。本文探索用WC- Co 纳米复合粉为原料制备一种用于石油钻井的磨料射流喷嘴，并与国外及市售的同类产品进行对比。

　　结论

　　(1) 以自制含有晶粒长大抑制剂的WC- 6Co纳米复合粉为原料，在1380℃，1 h 的真空烧结条件下试制了用于石油钻井的磨料射流喷嘴，其密度为14.79 g/cm3，硬度为HRA90.7。

　　(2) 试制喷嘴的断口组织均匀、细小，致密度较高，且WC 晶粒断面光滑。初步显示试制的喷嘴材料性能优于国内市售，接近国外同类产品。