动力钻具用PDC止推轴承的粘接工艺研究

赵毅，纪博，李玉海，王春华，郑瑞强

（大庆油田钻井工程技术研究院，黑龙江大庆 163413）＊

PDC 止推轴承广泛应用于井下动力钻具中［1－3］，它具有强度高、寿命长的优点。每对PDC止推轴承由上环与下环组成，每只轴承环分为硬质合金环与PDC复合片2部分。由于PDC复合片表面硬度大，采用常规钎焊技术制造PDC 止推轴承，PDC复合片接触面之间的平面度较低且加工难度大。另外，焊接工艺会降低止推轴承环的硬度。所以，钎焊制造法不仅成本高而且还达不到技术要求。本文对PDC止推轴承的制造方法进行了研究，提出了粘压工艺。本文重点介绍了工装结构、粘接工艺的步骤和现场试验结果。

1 工装结构

1.1 总体结构

为了满足止推轴承环PDC 复合片接触面之间的平面度要求，采用高压粘接工艺制造PDC止推轴承。为了实现压制，参阅相关资料，采用800kN 油压千斤顶为工装提供压力。该千斤顶底座侧方有M16螺纹孔，可方便外接压力表。工装的总体结构如图1。外框为钢结构，底板与顶板均为加工有台肩的45mm 厚钢板。顶板中插入内套，底板与顶板同时插入两侧厚度为20mm的立板内，缝隙处采用焊接连接。内套与丝杠之间为矩形螺纹传动，丝杠用来调节工件与千金顶之间的距离。在千斤顶底部M16螺纹孔相对应一侧的立板上开孔，同时在千斤顶侧方连接量程为100 MPa的压力表。待粘接的PDC复合片置于扶正装置内。工装的外形尺寸为280mm×250 mm ×710 mm，占用空间小，使用方便。

图1 PDC止推轴承粘接工装总体结构示意

1.2 扶正装置组成

为了保证粘接过程的可靠性与安全性，设计扶正装置，如图2。下部垫环主要起支撑作用，内部的台肩结构有利于粘合剂从止推轴承环的小孔挤出，防止粘合剂从复合片边缘溢出；上部垫环为硬质合金环，具有较高的硬度和表面平面度，能够保证PDC复合片接触面之间的平面度；外筒的作用主要是扶正以及保证制造过程的安全性；压板主要用于传递压力。

图2 扶正装置组成

2 粘接工艺

2.1 清洗

针对止推轴承环与PDC 复合片之间的连接问题，采用胶粘工艺进行处理。为使胶结面干净无油渍，对止推轴承环进行清洗，分5个步骤：

1）将止推轴承环（上环、下环）分别放入沸水中清洗20min，水中放有纯碱。

2）在微波清洗机中放入不锈钢托盘，托盘内加入清水，水面要求没过止推轴承环。

3）将止推轴承环从沸水中取出后放入微波清洗器中的托盘内清洗20min。

4）在微波清洗器的托盘内加入酒精，继续清洗20min。

5）清洗后取出止推轴承环待用。

利用同样的方法对PDC复合片进行清洗，清洗后用镊子把PDC复合片装在干净的塑料盒内保存，防止被再次污染。

2.2 止推轴承环与PDC复合片的粘接

2.2.1 配制粘接剂

根据井下工况的要求，粘接剂选用BJZ－10型粘接堵漏密封剂，即“铁腻子”。配制BJZ－10型粘接堵漏密封剂的操作人员要求带上绝缘防尘口罩和医用手套；然后，在电子天平上垫一张工业用擦拭纸后对天平进行清零；根据表1中数据，按实际需要选取一组数据（这里选取第3组），分别取出物料后在电子天平上称重；最后再将称好的物料搅拌均匀。

表1 粘接剂成分及配比

2.2.2 轴承的粘接

将止推轴承环（上环或者下环）平放在下部垫环上，取适量配好的粘接剂放入止推轴承环的PDC复合片孔座内。利用镊子夹取1颗PDC复合片，在其圆柱面上涂抹厌氧胶后将其放入止推轴承环上的PDC复合片孔座内。当止推轴承环上所有PDC 复合片的孔座被PDC 复合片填满后，用擦拭纸将PDC复合片表面的厌氧胶擦拭干净。

2.2.3 压制

1）将粘接好的PDC 止推轴承放入扶正装置的下部垫环内。

2）按图2顺序组装好扶正装置，并按图1位置对中安放于工装上。

3）缓慢加压至60 MPa，保压60min，如图3所示。

4）取下轴承，利用壁纸刀清洁PDC止推轴承的表面。制造的PDC止推轴承如图4所示。

图3 加压曲线

图4 PDC止推轴承产品

3 试验结果

将PDC止推轴承装入井下动力钻具后在试验井中进行试验。动力钻具运转数小时后无任何异常状况。起钻后拆开动力钻具，将PDC止推轴承取出并清洗后发现其PDC 复合片连接牢固且表面光亮如镜，但个别PDC 复合片的边缘有磨损现象，如图5所示。磨损的原因是PDC 复合片边缘倒角不够，应适当增大倒角尺寸。由此可知，制造的PDC 止推轴承基本能够满足现场工况的要求。

图5 经试验后的PDC止推轴承

4 结论

1）设计了工装，采用粘压工艺制造PDC 止推轴承，操作简单、成本低。

2）试验证明，加压粘接的PDC止推轴承能够满足井下动力钻具及井底工况的要求。

3）焊接加工的PDC止推轴承，其平面度很难达到设计要求，且制造成本高，建议推广粘接工艺。

［1］成海，郑卫建，夏彬，等.国内外涡轮钻具钻井技术及其发展趋势［J］.石油矿场机械，2008，37（4）：28－31.

［2］姜义忠.现代涡轮钻具结构性能的改进［J］.石油矿场机械，1991，20（2）：11－16.

［3］谢金稳，周德军，贾文杰.涡轮钻具滚动止推轴承材料及其工艺的建议［J］.石油矿场机械，1999，28（5）：43－46.