本发明专利技术涉及一种用于金刚石钻头胎体材料冲蚀磨损的试验装置及测量的方法，本发明专利技术的装置采用了泥浆闭路循环系统通过双喷嘴向两试样喷射泥浆；采用原位三电极法，在试验容器内安装的三电极，分别是工作电极、参考电极和对电极，三电极都与由PC机控制的电化学工作站连接；本装置试验可模拟实际工况下金刚石钻头胎体材料的冲蚀磨损，性能稳定、重复性好；本发明专利技术还提出了应用本装置对冲蚀磨损进行测量的方法，可测量出胎体材料电化学腐蚀、纯机械冲刷及其相互作用产生的质量损失，测量方法简单，易操作，可应用于金刚石钻头制造，石油钻井，复合材料制造等行业，定量评价材料在冲蚀磨损作用下的各种性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于金刚石钻头胎体材料冲蚀磨损试验装置及测量方法。
技术介绍
目前，世界各国石油资源日渐枯竭，这就需要钻井公司更经济、更有效地进行石油开发。作为钻井作业中最重要的工具—钻头，其工作性能直接影响到钻井作业的质量、成本和效率。PDC钻头是用人造聚晶金刚石切削块嵌于钻头胎体而成的一种新型切削型钻头，以其锋利和高耐磨性逐渐取代石油钻井中份额较大的牙轮钻头，占据主导地位。PDC钻头在实际钻探工程失效形式主要有冲蚀、磨损、掉齿等三种，除了PDC本身的质量之外，冲蚀通过对胎体材料的破坏从而影响PDC钻头功能和寿命。为了提高和延长PDC钻头功能和寿命，使钻井工作效率提高和钻井成本降低，需要开发一种用于金刚石钻头胎体材料冲蚀磨损的试验装置，及提出一种对金刚石钻头胎体材料进行冲蚀磨损的测量方法，以便更好地定性地对PDC钻头胎体材料的冲蚀磨损开展研究，深入了解和分析PDC钻头胎体材料在钻井液等多相介质冲蚀作用下的冲蚀磨损机理，能够为PDC钻头设计制造的改进和钻进过程的优化提供理论依据和试验借鉴。 冲蚀磨损是指材料受到小而松散的流动粒子冲击，材料表面出现破坏的一种磨损现象。也就是说流体、气体、固体颗粒或多相介质以一定的速度和角度对材料表面进行冲刷或打击所造成的材料表面流失的现象。 国内外科学技术人员研制了许多不同类型的冲蚀磨损试验装置，这些装置主要用于材料的纯机械冲刷研究，没有对其电化学腐蚀进行考虑，特别是在钻探领域中，对热压法制造的金刚石钻头胎体材料的冲蚀磨损研究基本没有涉及到。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种结构简单、试验重复性好和性能稳定的用于金刚石钻头胎体材料冲蚀磨损试验装置，作为模拟实际工况下金刚石钻头胎体材料的冲蚀磨损的装置； 本专利技术的目的之二在于提出一种操作方便的对金刚石钻头胎体材料进行冲蚀磨损测量的方法。 为了达到本专利技术的第一个目的，提供一种用于金刚石钻头胎体材料冲蚀磨损的试验装置，包括有试验容器、试样、试样夹、固定座、喷头、管道和流量计，还有钢支架、泥浆池、泥浆、加热棒、温控仪、变频调速器、砂浆泵，钢支架设有中间支架，试验容器安放在钢支架上层，泥浆池放置在钢支架下层，试验容器上方安装有悬挂板，试验容器内安装有与温控仪相连接的加热棒、试样悬挂架和三个电极，悬挂架通过长螺钉悬挂在悬挂板上，悬挂架上安装有固定座，固定座与试样夹固定在一起，试样夹上镶嵌有试样，试样分为未保护试样和阴极保护试样，两试样上方通过管道安装有两个对应的喷头；试验容器内的三电极是工作电极、参考电极和对电极，三电极与由PC机控制的电化学工作站连接；泥浆池安装有阀门，泥浆通过变频调速器、砂浆泵、管道循环输送到喷头向两试样喷射泥浆。 本专利技术的试验装置，所述的钢支架是试验容器和泥浆池的承载体，钢支架为四方形，底部设有滚轮，中间设有方形或圆形支架支撑试验容器的圆锥部分。钢支架的尺寸应根据试验容器和泥浆池的大小进行设计。 本专利技术的试验装置，所述的试验容器上半部采用圆柱形结构，下半部为圆锥形结构，采用耐腐蚀高强度的材料制作。这是因为试验容器设计的容积首先必须保证冲蚀液能够按照试验的要求不断的对试验样本进行不间断的冲蚀，再次根据泵的流量和输送管的内径进行计算，保证容积中的冲蚀液保持动态平衡。采用上半部圆柱形、下半部为圆锥形结构的试验容器，便于泥浆液的输送和清洗，采用耐腐蚀高强度的材料制作可耐受冲蚀泥浆的腐蚀和冲刷。 本专利技术的试验装置，所述的试样夹外围设有四个通孔，中间为圆形阶梯孔，侧面有一个螺纹孔。试样夹外围的四个通孔用于将其自身固定在固定座上，中间圆形阶梯孔用于镶嵌入圆形试样，使其在上下方向得到固定，侧面的螺纹孔使其在左右方向得到固定，这样试样可以牢固地镶嵌在试样座上，保证冲蚀试验过程中不会移位。固定座按试样夹四个通孔的尺寸也钻有四个通孔，借助通孔将试样夹固定在固定座上，由于冲蚀液具有腐蚀性，试样夹和固定座采用具有耐腐蚀性的材料制成，试样夹和固定座安装在悬挂架上。 本专利技术的试验装置，所述的悬挂架是通过长螺钉固定在悬挂板上，悬挂架在容器内的高低位置可以通过调整长螺钉来确定，也就是可以通过简单的调整长螺钉的长度来确定试样与喷嘴的相对距离。 本专利技术的试验装置，所述的三电极是工作电极、参考电极和对电极。参考电极选用市售氯化银或饱和甘汞电极。 本专利技术的试验装置采用双喷嘴闭路循环系统测量纯机械冲刷作用所产生的质量损失E，喷嘴的设计必须保证冲蚀液对试样的冲蚀效果，及保证喷头畅通不发生堵塞，因此要根据管道中泵的流量来设计。考虑到管道中的泵是在砂水泥浆的环境下工作，故选用砂浆泵。当设定砂浆泵的流量为5m3/h、冲蚀速度选定为5～40m/s，根据公式Q＝3.14×R2×V(式中Q为泵的流量、R为喷头的半径、V为流速)，计算出喷头的最大出口半径为3mm，从强度和安装方面考虑，喷嘴采用高强度，高耐磨性的材料PVC棒加工而成。 本专利技术的试验装置，所述的变频调速器是为满足冲蚀试验能够在不同的速度下对试样进行冲蚀，而在试验电机上配备了变频调速器。由它实现电动机电压和频率的平滑变化，从而达到对转速的无级调节。本专利技术试验电动机的频率为50HZ，通过变频调速器对频率进行调节，可以精确地调节冲蚀速度，而且速度调节范围大。本专利技术冲蚀磨损试验装置选用了高性能矢量变频调速器。 本专利技术的试验装置，所述的流量计是为了精确地测量管道中的流量，从而更好的改变喷嘴的冲蚀速度，由于输送管的内径与喷头的内径不一样，直接对喷头测定流速会有很大的困难，所以采用通过测流量的方法来确定流速，在主要支路上安装一个流量计测量流经主管路的流量，可以计算出喷头出口处的流速。选取了金属管浮子流量计，是适用于测量液体、气体的全金属管浮子流量计。 本专利技术的试验装置，所述的温控仪和加热棒是为了保证试验能模拟在某种工况的温度下进行，如试验在室温到50℃的范围内的某一设定温度条件下进行，使用加热棒对冲蚀泥浆进行加热，通过数显温控仪的温度探测器对加热棒进行控制，使冲蚀泥浆保持恒温。 本专利技术的试验装置，所述的电化学工作站是金属腐蚀电化学测试的一种常用的基本而重要的仪器，电化学工作站也选市售产品。电化学工作站不但可以用于各种电化学测试中，而且还可以用于金属腐蚀、电化学保护、电解和电合成、电镀、金相侵蚀、相分析等研究领域和生产实践中，还可以进行各种电流波形的极化测量。通过电化学工作站可进行电化学腐蚀所产生的质量损失C测量。 本专利技术的试验装置所述的管路，选取PVC输送管和管接头，PVC管价格低廉，能抗泥浆溶液腐蚀，能承受高压。所述的阀门有3个，为了避免冲蚀液对阀门造成堵塞现象，在输送管上采用闸阀门，阀门主要起控制流量的和排放冲蚀液的作用。所述的泥浆池体积为500mm×500mm×500mm。 在石油钻井领域尤其是海洋钻井，胎体材料不仅受到纯机械冲刷，而且还受到具有腐蚀性的钻井液影响，及其交互作用的影响，所以为了更好的模拟实际工况，研究和评价胎体材料的冲蚀磨损，必须同时测量纯机械冲刷作用所产生的质量损失E、电化学腐蚀所产生的质量损失C和它们相互作用产生的质量损失S。即金刚石钻头胎体材料在钻井液中的总质量损失TML＝E+C+S，在这个公式中关键在较难测试的纯机械冲刷质量损失E和相互作用产生的质量本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于金刚石钻头胎体材料冲蚀磨损的试验装置，包括有试验容器、试样、试样夹、固定座、喷头、管道和流量计，其特征在于：还有钢支架、泥浆池、泥浆、加热棒、温控仪、变频调速器、砂浆泵，钢支架设有中间支架，试验容器安放在钢支架上层，泥浆池放置在钢支架下层；试验容器上方安装有悬挂板，试验容器内安装有与温控仪相连接的加热棒、试样悬挂架和三个电极，悬挂架通过长螺钉悬挂在悬挂板上，悬挂架上安装有固定座，固定座与试样夹固定在一起，试样夹上镶嵌有试样，试样分为未保护试样和阴极保护试样，两试样上方通过管道安装有两个对应的喷头；试验容器内的三电极是工作电极、参考电极和对电极，三电极与由ＰＣ机控制的电化学工作站连接；泥浆池安装有阀门，泥浆通过变频调速器、砂浆泵、管道循环输送到喷头向两试样喷射泥浆。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：段隆臣，徐少林，岩雨，谢北萍，陈小松，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：83
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