PDC 鉆頭切削齒失效分析

張富曉，黃志強，周　已

（西南石油大學a．化學化工學院；b．機電工程學院，成都610500）①

PDC 鉆頭切削齒失效分析

張富曉a，黃志強b，周已b

（西南石油大學a．化學化工學院；b．機電工程學院，成都610500）①

對PDC鉆頭失效切削齒進行宏、微觀形貌觀察，研究其失效原因和失效機理，并提出相應改善措施。結果表明：PDC鉆頭切削齒的主要失效形式為齒的斷裂、磨損和脫落；切削齒失效的主要原因是由于沖擊刮削破巖對切削齒造成的損傷和切削齒材料本身的性能較差、兩相結合強度不高。可從材料配方、結構設計及制造等方面進行改進。

PDC鉆頭；切削齒；失效分析

基于PDC鉆頭破巖效率高、鉆速快、進尺多、壽命長等優點，其在石油鉆井工業中發揮著重要作用，估計占全部鉆井進尺的80%以上［1］。70%以上的PDC鉆頭失效是因PDC切削齒損壞而造成的［2-3］。聚晶金剛石復合片（Polycrystalline Dimond Compact簡稱PDC）作為PDC鉆頭切削齒，是最主要的切削單元，其性能在很大程度上決定了PDC鉆頭的鉆進效果和使用壽命［4］。因此，有必要對PDC切削齒開展失效分析，研究其失效原因、失效機理以及影響因素；為進一步提高PDC切削齒的耐磨性、抗沖擊韌性等綜合性能提供參考。

聚晶金剛石復合片是由金剛石微粉（0．5～2．5 mm）與WC-Co硬質合金底層（5～20 mm）在高溫、超高壓（1 300～1 500℃，5～7 GPa）條件下燒結而成的一種復合超硬晶體材料［5］，如圖1所示。

圖1　PDC鉆頭切削齒

1　失效鉆頭的選取與工況分析

對油田現場收集的失效鉆頭進行失效部位取樣和統計，并根據國際IADC鉆頭磨損分級標準進行分級［6］，如圖2～5所示。結果表明：PDC鉆頭的失效形式主要表現為切削齒的磨損和斷裂，并伴有少量的金剛石層脫落和掉齒現象。磨損主要發生在冠頂部位的切削齒上，斷裂和脫落主要發生在冠部邊緣的切削齒上。

圖2　切削齒磨損

圖3　切削齒斷裂

圖4　崩齒

圖5　PDC鉆頭切削齒不同失效形式

2　失效的主要形式及機理

2．1 齒的斷裂

切削齒的斷裂通常發生在冠部最大直徑的外側切削齒上，因為該部位切削齒直接接觸巖石，受到的沖擊最大。切削齒的斷裂會導致其余切削齒受力不均，加速鉆頭失效，是一種危害較嚴重的失效形式。

2．1．1 沖擊剝落

PDC切削齒的剝落是由于受到交變的切向沖擊壓縮和法向拉伸應力作用，達到一定程度后，萌生裂紋形成微碎片，最終導致PDC金剛石層和硬質合金層的破碎和局部剝落，如圖6所示。在鉆進硬地層時，粘滑振動使鉆頭受不規則的較大瞬間沖擊，在短時間內承受超負荷而導致切削齒發生剝落、折斷甚至碎裂［7］。

圖6　PDC切削齒沖擊剝落形貌

金剛石層的沖擊剝落主要表現為金剛石片近似地沿切削方向形成微尺度的片狀剝落，多個大小不一的片狀剝落坑聯通形成金剛石層大面積的沖擊剝落。較大的沖擊力使材料剝落表面產生不均勻的局部滑移，隨著加載循環次數的增加，滑移帶不斷加寬，當加寬至一定程度時，由于位錯的塞積和交錯，便會出現擠出脊和侵入溝，于是此處就產生應力集中，再經過一定循環后產生顯微裂紋［8］，裂紋一般起源于金剛石剝落斷口面上，繼而向縱深發展導致新的微片狀剝落，如圖7所示。

圖7　PDC 切削齒金剛石層沖擊剝落SEM 形貌

硬質合金層沖擊剝落微觀形貌主要表現為粘結相塑性變形和WC顆粒的去除和破碎，微裂紋為沿晶界和晶內延伸的沿晶和穿晶斷裂的混合型［9］。受到沖擊后，粘結相Co與WC硬質顆粒之間產生位錯，引起應力集中，同時在高應變條件下因塑性變形不協調而產生脫粘；這種脫粘造成晶體顆粒之間發生空位進而形成孔隙，它們相互連接形成微裂紋，沿晶內發展形成穿晶斷裂。但當晶界處的應力集中得不到松弛，應力峰值超過晶界強度時就會產生晶界開裂，如圖8～9所示。由圖9可以看到裂紋邊緣有凸起的WC顆粒以及顆粒被磨粒研磨圓滑、晶粒分布不均勻、孔隙和孔洞等特征，說明裂紋主要是沿強度較低的粘結相Co擴展，而凸起的WC顆粒將由于失去粘結相的有效支撐而剝落。從裂紋萌生來看，凡使晶界強化、凈化和細化晶粒的因素，均能抑制晶界裂紋形成，提高材料強度。可通過在硬質合金中添加晶粒長大抑制劑、稀土添加劑和過渡金屬元素等措施來細化晶粒、凈化晶界，達到提高硬質合金斷裂韌性的目的。

圖8　DC切削齒硬質合金層沖擊剝落形貌

圖9　PDC切削齒硬質合金層沖擊剝落SEM　形貌

2．1．2 沖擊疲勞

沖擊疲勞常常在鉆頭工作一定時間之后發生。PDC鉆頭工作時承受機械疲勞與冷熱交變的共同作用，因累積損傷而產生疲勞裂紋，繼而擴展導致疲勞斷裂，如圖10所示。

圖10　PDC切削齒沖擊疲勞形貌

沖擊疲勞斷裂是一種典型的斷裂形式，其典型斷口特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽或條帶，如圖11所示。根據斷口典型特點可將疲勞斷裂分為疲勞源區、疲勞裂紋擴展區和瞬斷區。圖中疲勞源區光亮平滑，因為這里在整個裂紋亞穩擴展過程中斷面不斷摩擦擠壓，且因加工硬化表面硬度也有所提高。疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地，常和缺口、裂紋、蝕坑等缺陷相連，這里的應力集中會引發疲勞裂紋［10］。

圖11　PDC切削齒沖擊疲勞斷口SEM　形貌

疲勞裂紋擴展區是疲勞裂紋亞穩擴展所形成的斷口區域，其典型特征是斷口比較光滑并分布有貝紋線。光滑斷口是疲勞源區域的延續，但其程度隨裂紋向前擴展逐漸減弱。貝紋線是疲勞裂紋擴展區的最大特征，一般認為它是由載荷變動引起的，在鉆井過程中隨著巖石的不斷破碎切削齒的受力情況也在不斷變化。

瞬斷區是裂紋最后失穩快速擴展所形成的斷口區域。在裂紋亞穩擴展階段，隨著應力不斷循環，裂紋尺寸不斷長大，當裂紋尖端的應力集中達到硬質合金的斷裂強度時，則發生瞬時斷裂。

在鉆進過程中適當選取鉆井參數，控制沖擊功和沖擊頻率的大小，減輕粘滑振動對切削齒的沖擊疲勞；改變切削齒形狀和切削齒結合界面形狀來改善切削齒的力學性能；添加納米材料優化切削齒的材料配方，提高PDC切削齒的抗沖擊能力和斷裂韌性，都是防止PDC切削齒出現過早疲勞失效的有效辦法。

2．1．3 崩齒

在沖擊作用下，切削齒內部相鄰的孔洞相連形成微裂紋且不斷擴展和分叉，在剪切力作用下極易發生大面積整體斷裂，即崩齒，是PDC切削齒斷裂最嚴重的一種失效形式，如圖12所示。通常，微裂紋在發展過程中會形成一條或若干條主裂紋，沿著主裂紋的延伸出現許多分支裂紋。在外力作用下，分支裂紋不斷地擴展延伸變粗變深。若裂紋延伸至切削齒兩相結合界面，則會影響金剛石層和硬質合金層之間的粘結性能，出現金剛石層崩裂剝落現象；若裂紋出現在硬質合金齒柱側面或者齒根部位，加上齒根部承受剪切作用大，則易導致切削齒的整體斷裂。崩齒產生的碎齒滯留在井底，在鉆進時就會對新齒產生破壞。同時在操作過程中出現頓鉆、溜鉆等送鉆不均勻時，整個鉆壓就加到先與地層接觸的切削齒上，導致這些切削齒受載過大發生碎裂或折斷。因此，提高切削齒本身內部質量；保持穩定的鉆壓鉆速；及時打撈井底碎齒和雜物等，均是減小切削齒發生折斷或碎裂的有利措施。

圖12　PDC切削齒崩齒斷口形貌

2．2 齒的磨損

磨損是切削齒最常見的一種失效形式，占切削齒失效的50%左右。鉆頭在鉆壓和轉矩的作用下以剪切的方式切削巖層，切削齒直接與地層作用，產生磨損大大降低破巖效率，當切削齒磨損嚴重時，就會開始磨損鉆頭刀翼和胎體部分，造成整個PDC鉆頭的損壞直至報廢。

2．2．1 磨料磨損

磨料磨損發生于使磨粒不斷碎化的零件表面上。切削破巖時，磨粒夾在PDC切削齒和巖石的兩個接觸面中，當最大接觸應力超過磨粒的抗壓強度極限，延性組分發生塑性變形及疲勞，硬組分碾碎破裂，對切削齒表面產生磨損。切削齒的磨損主要集中冠頂部位的切削齒上，金剛石層和硬質合金基托均在摩擦過程中形成磨損平面，如圖13～16所示。

圖13　PDC切削齒磨損示意

圖14　PDC切削齒磨粒磨損表面形貌

圖15　硬質合金層磨粒磨損

圖16　金剛石層磨粒磨損

切削開始時，鉆頭突然受到高速轉動帶來的沖擊，且進齒時擠入巖石也需要較大的作用力，此時切削齒更多地是受到沖擊力的作用，隨后切削齒逐漸進入穩定的磨損階段。當金剛石層刃口出現磨損后，切削齒與巖石之間的接觸方式由線接觸變為面接觸。這樣就使得切削齒與巖石的摩擦力加大，導致切削力逐漸增大，可以認為這個階段更多的是磨削作用。磨削過程中，由于硬質合金硬度低于金剛石，從圖14中可看出率先遭磨損的是硬質合金基托，這樣臨近硬質合金基托的金剛石就失去了硬質合金的有效支撐，形成金剛石“唇”邊。不斷切削，唇邊承受沖擊力，由此產生拉應力使裂紋萌生、擴展、最終唇邊斷裂；硬質合金基托又重新有效地接觸巖石，形成磨粒磨損過程的循環，整個過程如圖13所示。

當遇到巖性較軟顆粒較細的均勻巖層時，磨粒在接觸應力作用下沿摩擦表面產生相對運動，硬質合金層表面材料沿硬粒子運動方向有位錯運動，硬質合金顆粒呈現出與切削方向一致的摩擦趨勢和磨料損失，是一種高應力的碾碎性磨料磨損，如圖15所示；金剛石層則出現了與切削方向一致的微觀劃痕，如圖16所示。

一般情況下，材料的硬度越高其耐磨性越好，可通過添加納米材料改進粉末配方，優化制備工藝，提高PDC切削齒材料的硬度和耐磨性。

2．2．2 沖蝕磨損

鉆井時鉆頭噴嘴引導射流以極高的速度沖到井底，協助切削齒完成破巖和清巖。當鉆井液到達井底后，它便攜帶有許多小巖屑，形成固液兩相流體，其中小巖屑成為一種磨料，一定的速度和角度對切削齒進行沖蝕，材料變為磨屑而流失。當固液兩相流參與鉆頭底面處逆向流動時，遇到切削齒阻擋便形成繞流和渦旋，沖蝕作用增強。如圖17所示，被沖蝕切削齒材料表面形成魚鱗狀的沖蝕坑，多個大小不一的沖蝕坑聯通成為多條短程溝槽，形成一定角度的折面、凹面，使得沖蝕作用不斷積累形成較大的唇片隆起，溝槽逐漸加深，加速材料流失。由圖可見，被沖蝕硬質合金的粘結相Co并沒有很好地包覆和填充在WC的晶界和空隙中，整個硬質合金疏松多孔，說明切削齒材料本身的耐磨性和抗沖蝕性等綜合性能較低。

綜上可知，磨粒的形狀尺寸、入射角度、速度溫度、環境介質以及被沖蝕材料本身的組織性能等都對沖蝕磨損產生影響［11-12］。可通過合理設計鉆頭噴嘴角度和位置，改變沖擊角，盡量避免粒子垂直入射；減小入射粒子和介質的速度；在保持良好設計條件時，盡可能提高切削齒材料的抗沖蝕能力等措施來減輕沖蝕磨損的程度。

圖17　PDC切削齒沖蝕磨損SEM形貌

2．3 齒的脫落

切削齒的脫落包括金剛石層脫落和切削齒的整體脫落，占切削齒失效的25%左右。切削齒的脫落會直接導致鉆頭刀翼因失去刃口而破毀，直接影響整個PDC鉆頭的鉆進效率和使用壽命。

2．3．1 金剛石層脫落

聚晶金剛石層脫落表現為金剛石層與硬質合金基托的粘結遭到破壞而造成金剛石層剝離，致使切削齒刃口不復存在而失去切削能力，如圖18所示。

圖18　PDC鉆頭切削齒金剛石層的脫落

聚晶金剛石與硬質合金的彈性模量相差較大，硬質合金的熱膨脹系數約為金剛石的2倍［13］，如表1所示。在鉆井過程中，摩擦生熱產生巨大熱應力，使切削齒易出現熱龜裂；同時，在受到鉆井液的沖刷冷卻過程中兩者收縮不同步，出現較大的殘余應力加速裂紋擴展，如此冷熱交替作用使得金剛石極易從硬質合金基體上脫落，加速鉆頭失效。另外，由于兩者彈性模量的不匹配，兩者沖擊響應頻率不同，金剛石層受的沖擊不能完全由硬質合金基體吸收，當鉆遇硬夾層時沖擊載荷加大，也易形成裂紋加速脫落。

表1　聚晶金剛石和硬質合金的物理性能

由此可見，兩相粘結的牢固程度對切削齒的壽命起著至關重要的作用。可采用系數介于硬質合金和金剛石之間的一種或幾種過渡材料作為兩相粘結材料，提高結合層熱膨脹系數的適配性，使結合層各物質的熱膨脹系數盡量趨于一致，以提高切削齒硬質合金層和金剛石層的粘結性能。

2．3．2 切削齒整體脫落

PDC鉆頭在鉆進復雜地層及硬質巖層時，在高速切削與不斷碰撞過程中PDC鉆頭切削齒失去刀翼上硬質合金胎體的有效支撐，整個切削齒從鉆頭刀翼上掉落下來，即掉齒現象，如圖19所示。

圖19　PDC鉆頭掉齒

掉齒現象的發生使得PDC鉆頭的使用壽命非常低。究其原因，除了鉆頭設計、地層特點和操作因素外，PDC切削齒的焊接質量也是重要因素之一。由于切削齒在刀翼上分布復雜、數量較多，難以實現自動將其鑲焊在鉆頭胎體的預留峰窩中。目前，大多采用手工焊接，焊接溫度無法準確檢測，焊接質量難以保證［14］。而在鉆井過程中一旦有切削齒出現掉落，其余的切削齒就要承受額外的作用力，致使磨損加快最終從刀翼上掉落下來，嚴重影響PDC鉆頭的使用壽命。優選焊接工藝，提高焊接質量是防止鉆頭掉齒的重要措施；研究焊接溫度控制方法，采用新型自動釬焊工藝是提高鉆頭質量的發展方向之一。

3　結論

1） PDC鉆頭切削齒的主要失效形式有：齒的磨損、斷裂和脫落；磨損主要發生在冠頂部位的切削齒上，斷裂和脫落主要發生在冠部邊緣外側的切削齒上。冠頂部位切削齒主要受垂直方向的力，冠部外側的切削齒起主要刮削作用，同時受軸向和切向力作用，受力情況復雜。

2） 切削齒的脫落是最為嚴重的一種失效形式，直接導致PDC鉆頭失去切削能力；其次是切削齒的斷裂，使整個鉆頭受力不均，嚴重影響鉆進效率和使用壽命；磨損是最常見的一種失效形式。因此，應盡量減輕切削齒磨損，防止切削齒斷裂，杜絕切削齒脫落的發生。

3） 切削齒失效的主要原因一方面是由于鉆井過程中的沖擊和刮削破巖對PDC鉆頭切削齒造成的損傷；另一方面是由于切削齒材料本身性能不強，兩相結合性能不高。

4） 針對PDC切削齒的失效，可從材料配方、設計制造及使用方法等方面采取防范措施。一方面可通過改變外部條件，調節鉆井參數保持平穩鉆壓鉆速，避免出現粘滑振動、憋鉆、跳鉆等現象產生瞬間較大沖擊；另一方面從PDC切削齒本身的材料和結構形狀來提高切削齒質量。

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Failure Analysis of PDC Bit Cutter

ZHANG Fuxiaoa，H UANG Zhiqiangb，ZHOU Yib
（a．College of Chemistry and Chemical Engineering；b．College of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

PDC cutter failure to carry out formal was analyzed，and failure causes and failure mechanisms were studied，corresponding improvement measures．The results showed that the main failure mode of PDC cutter for breaking teeth，wear and shedding．The main reason for the failure of cutting teeth on the one hand scraping rock breaking due to impact damage caused by the cutting teeth；the other is due to the performance of the cutting teeth of the material itself is not strong，twophase bonding strength is not high．Measures can be taken from the material formulation，structural design and the use of manufacturing．

PDC bit；cutter；failure analysis

TE921．1

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．09．011

1001-3482（2015）09-0044-06

①2015-03-23

張富曉（1987-），女，四川自貢人，實驗師，碩士，主要從事化工機械研究，E-mail：zhangfx0823＠sina．com。