一种石油钻具高熵合金耐磨带及其制备方法

技术领域

本发明属于耐磨带技术领域，涉及一种石油钻具高熵合金耐磨带及其制备方法。

背景技术

在钻井过程中，钻柱在井眼中与套管内壁发生接触产生摩擦，使得扭矩和摩擦增加，而钻杆接头对套管的磨损影响最大，因为钻杆接头的直径比钻杆本体大20％～30％，很容易与套管内壁接触并磨损套管。当接触力足够大时，润滑膜的润滑作用完全消失，钻杆接头与套管内壁直接接触产生了干摩擦。在摩擦过程中，钻杆接头的磨损非常严重，偶然的碰撞就可能使钻杆接头产生断裂；同时，钻杆接头的磨损也使得套管壁厚减薄，抗挤能力随之降低。若对此估计不足，有可能因此导致钻井事故或油气井的早期报废，给油田造成巨大的损失。

有研究结果表明，钻柱不居中使钻杆接头在钻井施工中与套管内壁相互摩擦是造成套管磨损的主要原因，而钻柱不居中又是钻探过程中不可避免的。因此，如何降低钻杆与套管之间的摩擦接触或摩擦系数是套管磨损，是亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明一种石油钻具高熵合金耐磨带及其制备方法，从而有效的降低了钻杆与套管之间的摩擦接触或摩擦系数，降低了耐磨带对套管的损伤。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种石油钻具高熵合金耐磨带的制备方法，包括，

S1，将Ni，Mo，Ta和W的原料按照一定的质量比混合后，进行熔炼，得到合金块；

S2，对合金块体进行雾化制粉，得到NiMoTaW高熵合金金属粉末；

S3，将NiMoTaW高熵合金金属粉末采用激光熔覆的方法对钻具进行耐磨带的敷设，制备得到石油钻具高熵合金耐磨带；

优选的，所述Ni，Mo，Ta和W的质量百分比为Ni：15wt％-20wt％；Mo：25wt％-35wt％；Ta：15wt％-20wt％和W：25wt％-35wt％。

优选的，S1的具体为：将Ni，Mo，Ta，W的原料按照一定的质量比混合进行熔炼，当所有材料均变为液相后对进行搅拌一段时间后，进行降温冷却，得到合金块，再对合金块颠倒后重新熔炼，反复多次重复上述熔炼过程；

优选的，熔炼时需要在真空或者高纯氩气气氛下进行，熔炼温度为3000℃，搅拌时间为5分钟，熔炼过程至少重复5遍；

优选的，S2中的雾化制粉的方法采用气雾化或水雾化的方法。

优选的，若以气雾化制粉，先在真空或者高纯氩气环境下将熔炼的合金块重新融化得到熔融的金属液体，使用40MPa以上的高纯氩气对熔融的金属液体进行喷雾制粉，得到NiMoTaW高熵合金金属粉末，其中，融化温度为2500℃。

优选的，S2中对制得的NiMoTaW高熵合金金属粉末进行筛选，选用粒度为50-200μm的粉末作为制备钻具耐磨带的原料。

优选的，所述NiMoTaW高熵合金金属粉末也可通过高能球磨的方法进行制备，具体为：

将Ni，Mo，Ta和W的金属单质粉末混合均匀后，进行高能球磨，对球磨结束的粉末进行筛选，选用粒度为50-200μm的粉末作为制备钻具耐磨带的原料；其中，高能球磨参数如下：球料比1：7-1：10，金属球的质量是原料混合粉末的7-10倍，转速为200-300rpm，球磨时间为1h-2h，。

优选的，S2中激光熔覆时，使用功率大于20000W的激光器，且光斑小于5mm。

一种石油钻具高熵合金耐磨带，由上述制备方法制得。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种石油钻具高熵合金耐磨带及制备方法，以NiMoTaW高熵合金为原料，用激光熔覆的方法制备既具有耐磨性又具备减磨性的钻具耐磨带，其原理是利用NiMoTaW高熵合金流动性差的特性，制备出具有孔隙NiMoTaW高熵合金耐磨带，该方法同时保证了耐磨带的耐磨性与减磨性，在提高钻具使用寿命的同时减少了对套管的损伤；同时该方法是利用NiMoTaW合金本身具备高硬度，耐磨性强，但是因为其流动性差，通过激光熔覆的方法可以制备出有孔隙的耐磨带，一方面材料本身有高硬度具备耐磨性，另一方面，由于孔隙的存在，会降低耐磨带对于套管的损伤。

进一步，需使用NiMoTaW高熵合金粉末作为原料，同时需要控制激光熔覆的工艺参数来实现以上目的，NiMoTaW高熵合金需要的化学成分需要控制在以下比例才能达到控制其流动性的目的。

进一步，本发明制备耐磨带时必须使用高功率的激光器(大于20000W)。一方面因为NiMoTaW合金熔点高，需要保证熔池完全融化；另一方面只有使用高功率激光器才可以保证凝固的过程中有气孔的存在。使用该方法制得的耐磨带如下图所示。

进一步，本发明制备耐磨带同时具备耐磨性及减磨性，耐磨性来源于高熵合金本身的高硬度，减磨性来自于调控合金成分控制冷却速度，加之工艺配合，制备出带有孔隙的不致密的合金。

附图说明

图1为石油钻具高熵合金耐磨带的示意图；

图2为耐磨带的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

钻杆接头耐磨带是以凸起的形式熔合在钻杆接头表面，用以代替钻杆接头来和套管摩擦的材料，对钻杆接头起到了保护作用。耐磨带的工况条件比较复杂，性能要求比较苛刻,应当具有良好的综合抗磨性能。所谓综合抗磨性能，是指具有较高耐磨性的同时还必须具有适度的减磨性。最佳的耐磨性与减磨性之间存在一定的匹配关系，以保护钻杆接头和套管免遭强烈的磨损。

本发明技术是以NiMoTaW高熵合金为原料，用激光熔覆的方法制备既具有耐磨性又具备减磨性的钻具耐磨带。其原理是利用NiMoTaW高熵合金流动性差的特性，制备出具有孔隙NiMoTaW高熵合金耐磨带。为实现以上目的，需使用NiMoTaW高熵合金粉末作为原料，同时需要控制激光熔覆的工艺参数来实现以上目的。NiMoTaW高熵合金需要的化学成分需要控制在以下比例才能达到控制其流动性的目的。该成分为：Ni：15wt.％-20wt.％；Mo：25wt.％-35wt.％；Ta：15wt.％-20wt.％；W：25wt.％-35wt.％。

高熵合金粉末可以通过熔炼后雾化制粉的方法得到或者使用高能球磨的方法得到。雾化制粉的方法如下：(1)熔炼原料。首先按照以上比例对高熵合金原料进行称重，对配置好的合金进行熔炼，熔炼时需要在真空或者高纯氩气气氛下进行，熔炼温度为3000℃，当所有材料均已变为液相后对其进行电磁搅拌，并保持五分钟。时间到后即可降温冷却，该过程为熔炼一遍，第二遍需要将块体颠倒后重新熔炼。整个过程需要对合金熔炼5遍以上保证均匀性；(2)雾化制粉。对熔炼得到的合金块体进行雾化制粉，制粉可以采取气雾化或者水雾化的方法。以气雾化为例，首先在真空或者高纯氩气环境下将熔炼的合金块重新融化，温度为2500℃，使用40MPa以上的高纯氩气对熔融的金属液体进行喷雾制粉。对制得的NiMoTaW高熵合金金属粉末进行筛选，选用粒度为50-200μm的粉末作为原料。除了使用雾化制粉的方法，也可以使用高能球磨的方法进行原料粉末的制备。原料粉末的比例依然如上述，区别在于球磨的方法使用的是上述四种金属的单质粉末，对粉末进行称重后将其混合均匀并进行高能球磨。球磨参数如下：球料比1：7-1：10。即金属球的质量是原料粉末的7-10倍。转速为200-300rpm，球磨时间为1h-2h。对球磨结束的粉末进行筛选，选用粒度为50-200μm的粉末作为原料。

得到原料粉末后，即可进行激光熔覆对钻具进行耐磨带的敷设。激光熔覆系统包括激光光路系统，送粉系统，包括一个鼓轮式送粉器，粉末由载粉气体从铜管直接送到熔池。其具体过程如下：使用同步式敷设，即粉末融化与送粉同步，需要注意的是，使用本发明制备耐磨带时必须使用高功率的激光器(大于20000W)。一方面因为NiMoTaW合金熔点高，需要保证熔池完全融化；另一方面只有使用高功率激光器才可以保证凝固的过程中有气孔的存在。使用该方法制得的耐磨带如下图1所示。

本发明的主要特征在于；

(1)使用NiMoTaW高熵合金粉末作为原料，其质量比应当控制在Ni：15wt.％-20wt.％；Mo：25wt.％-35wt.％；Ta：15wt.％-20wt.％；W：25wt.％-35wt.％。

(2)激光熔覆时应当使用高功率的激光器同时光斑小于5mm。

(3)制备得到的耐磨带应是不致密的，具有孔隙的。如下图2所示：

(4)该耐磨带同时具备耐磨性及减磨性。耐磨性来源于高熵合金本身的高硬度。减磨性来自于调控合金成分控制冷却速度，加之工艺配合，制备出带有孔隙的不致密的合金。

以下详细说明均是实施例的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的实例性实施方式。

实施例1

使用Ni、Mo、Ta、W四种单质粉末通过球磨的方法制备高熵合金。四种粉末的质量比分别为17％、30％、20％、33％。按照上述比例称取总量为300g的粉末进行高能球磨。球重为3000g，转速为250rpm，球磨10min暂停10min，合计时间2h。球磨结束后对得到的粉末进行筛选，选取粒径为50-200μm的粉末作为原料。对钻具首先进行预处理，对需要敷设的表面进行预处理，使用240#、400#、800#砂纸对需要敷设的表面进行打磨。打磨结束后使用同步式20000W的CO2激光熔覆设备进行作业。激光器距熔池距离为300mm，光束直径3mm，送粉量为20g/min，工件移动速度为2mm/s，依次进行敷设，即可完成耐磨带的加工。

实施例2

使用Ni、Mo、Ta、W四种单质粉末通过球磨的方法制备高熵合金。四种粉末的质量比分别为15％、35％、15％、35％。按照上述比例称取总量为250g的粉末进行高能球磨。球重为3000g，转速为250rpm，球磨15min暂停10min，合计时间1.5h。球磨结束后对得到的粉末进行筛选，选取粒径为50-200μm的粉末作为原料。对钻具首先进行预处理，对需要敷设的表面进行预处理，使用240#、400#、800#砂纸对需要敷设的表面进行打磨。打磨结束后使用同步式25000W的CO2激光熔覆设备进行作业。激光器距熔池距离为300mm，光束直径2mm，送粉量为20g/min，工件移动速度为2mm/s，依次进行敷设，即可完成耐磨带的加工。

实施例3

使用雾化制粉的方法进行粉末制备。四种金属原料的质量比分别为15％、35％、15％、35％。首先制备高熵合金块体，对四种金属进行熔炼，在真空为10

实施例4

使用Ni、Mo、Ta、W四种单质粉末通过球磨的方法制备高熵合金。四种粉末的质量比分别为20％、25％、20％、35％。按照上述比例称取总量为300g的粉末进行高能球磨。球重为2100g，转速为300rpm，球磨10min暂停10min，合计时间1.5h。球磨结束后对得到的粉末进行筛选，选取粒径为50-200μm的粉末作为原料。对钻具首先进行预处理，对需要敷设的表面进行预处理，使用240#、400#、800#砂纸对需要敷设的表面进行打磨。打磨结束后使用同步式20000W的CO2激光熔覆设备进行作业。激光器距熔池距离为300mm，光束直径3mm，送粉量为20g/min，工件移动速度为2mm/s，依次进行敷设，即可完成耐磨带的加工。

实施例5

使用雾化制粉的方法进行粉末制备。四种金属原料的质量比分别为18％、34％、18％、30％。首先制备高熵合金块体，对四种金属进行熔炼，在真空为10

实施例5

使用雾化制粉的方法进行粉末制备。四种金属原料的质量比分别为20％、35％、20％、25％。首先制备高熵合金块体，对四种金属进行熔炼，在真空为10

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。