高溫地?zé)峋垒嗐@頭的研制與應(yīng)用

任海濤 田海萍 于洪波 周春曉 楊迎新

劉 強(qiáng) 5 宋東東 2 陳 煉 2 陳 鑫 2

1.西南石油大學(xué)地?zé)崮苎芯恐行?2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院3.中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司 4.西南石油大學(xué)工程學(xué)院 5.中石化江鉆石油機(jī)械有限公司

0 引言

在地?zé)徙@井環(huán)境下，深部地層溫度普遍較高，以東非大裂谷地?zé)豳Y源鉆探為例，在3 650 m井深處實(shí)測(cè)溫度可以超過(guò)350 ℃[1-6]，所使用的三牙輪鉆頭切削齒脫落現(xiàn)象十分普遍[7-9]。這也導(dǎo)致了鉆頭使用壽命和鉆進(jìn)效率普遍較低[10-13]。高溫環(huán)境下金屬部件會(huì)產(chǎn)生材料的高溫蠕變現(xiàn)象，當(dāng)變形量超過(guò)一定范圍時(shí)，就表現(xiàn)為牙輪殼體固齒強(qiáng)度降低[14-18]。對(duì)鉆頭切削齒過(guò)盈裝配的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，較短的裝配距離能夠獲得更合理的應(yīng)力分布[19-23]。此外，高溫環(huán)境下所造成的齒孔塑性變形，經(jīng)過(guò)變載的不斷作用，將會(huì)使孔壁無(wú)法維持對(duì)切削齒的緊固狀態(tài)，從而導(dǎo)致切削齒脫落[24-25]。齒孔周向和徑向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力是導(dǎo)致齒孔產(chǎn)生裂紋的重要因素[19]。

為了解決高溫地?zé)峋@井過(guò)程中的鉆頭掉齒問(wèn)題，針對(duì)三牙輪鉆頭布齒結(jié)構(gòu)中切削齒直徑、鑲齒過(guò)盈量等關(guān)鍵參數(shù)，基于實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，探討了高溫環(huán)境下固齒強(qiáng)度的影響因素及其規(guī)律；研制了適用于地?zé)峋男滦腿垒嗐@頭，并在東非大裂谷OLKARIA區(qū)塊（肯尼亞）地?zé)峋@井中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 高溫環(huán)境下鉆頭固齒強(qiáng)度研究方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

切削齒鑲齒過(guò)程及固齒強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)在液壓式萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置包括壓力傳感器、位移傳感器、實(shí)驗(yàn)試件（牙輪基體）、壓頭、切削齒等。軸向加載工作原理如圖1所示，實(shí)驗(yàn)壓頭固定在與液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)相連接的壓力傳感器上。切削齒與實(shí)驗(yàn)試件（牙輪基體）放在工作臺(tái)平面上，壓頭與切削齒軸線始終保持同軸，通過(guò)液壓缸的上移來(lái)實(shí)現(xiàn)壓頭對(duì)切削齒的壓入、壓出。同時(shí)，通過(guò)壓力傳感器、位移傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力與位移的采集與測(cè)量，實(shí)驗(yàn)規(guī)劃如表1所示。其中牙輪基體、切削齒材料分別為20CrMo、YG16C。

圖1 軸向加載工作原理圖

表1 軸向加載實(shí)驗(yàn)規(guī)劃表

實(shí)驗(yàn)考慮3種因素，分別為切削齒直徑、過(guò)盈量和環(huán)境溫度，其中切削齒直徑選用三牙輪鉆頭常用的3種：?16 mm、?14 mm、?12 mm；過(guò)盈量參考油氣鉆井用三牙輪鉆頭鑲齒過(guò)盈量（0.074～0.076 mm）的基礎(chǔ)上，另外加工滿足0.091～0.095 mm和0.111～0.113 mm配合要求的齒孔試件，作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)方案；環(huán)境溫度則根據(jù)典型鉆井環(huán)境，分別設(shè)定為：20 ℃（常溫）、120 ℃（油氣井深井井底溫度）、180℃（高溫地?zé)峋诇囟龋?40 ℃（超高溫地?zé)峋诇囟龋?種。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程

實(shí)驗(yàn)中包括同一組實(shí)驗(yàn)的切削齒壓入、壓出兩個(gè)相反的操作過(guò)程，從中獲得切削齒鑲裝過(guò)程中的鑲齒力和牙輪基體對(duì)切削齒的固齒力。

常溫下沿切削齒軸向加載過(guò)程中，待切削齒進(jìn)入齒孔指定深度后緩慢卸載至零，如圖2-a所示。對(duì)壓入后的切削齒反面施加軸向壓力，以實(shí)現(xiàn)切削齒的壓出過(guò)程，如圖2-b所示。切削齒壓出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，壓力逐漸克服切削齒與齒孔之間的摩擦力，待壓力曲線平穩(wěn)時(shí)，則認(rèn)為所施加壓力達(dá)到了切削齒與齒孔的最大靜摩擦力，此時(shí)所施加的最大壓力即為切削齒的最大固齒力。當(dāng)壓力超過(guò)切削齒最大固齒力時(shí)，切削齒開(kāi)始發(fā)生移動(dòng)，即認(rèn)為齒孔對(duì)切削齒的固齒力已遭到破壞，繼續(xù)加載直至切削齒位移達(dá)到1 mm時(shí)結(jié)束加壓，完成一次實(shí)驗(yàn)，如圖3、4所示。

圖2 切削齒壓入、壓出過(guò)程受力示意圖

圖3 試件加溫照片

圖4 軸向壓齒過(guò)程照片

2 固齒強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 切削齒壓入時(shí)壓載曲線分析

由實(shí)驗(yàn)采集系統(tǒng)獲得的切削齒直徑為14 mm，在室溫下切削齒壓入、壓出位移與壓載曲線如圖5所示。齒孔高度為8.0 mm，在切削齒壓入過(guò)程中齒孔將發(fā)生彈塑性變形，這一過(guò)程壓載既包括抱緊力（齒孔的彈塑性變形力）又包括齒孔壁對(duì)切削齒的摩擦力；當(dāng)壓入位移達(dá)到6 mm以上時(shí)，切削齒底面接近齒孔低部，抱緊力有所降低但摩擦力仍持續(xù)增加，因此在壓載曲線上表現(xiàn)仍為上升趨勢(shì)；當(dāng)切削齒完全貫穿齒孔后，壓載達(dá)到圖5-a中所示最高點(diǎn)A，此后壓載曲線為卸載過(guò)程。在壓出過(guò)程中，初始階段壓載、位移均呈上升趨勢(shì)，達(dá)到圖5-b中所示最高點(diǎn)B后，為均勻的壓出過(guò)程直至切削齒飛彈出齒孔。

圖5 切削齒壓入、壓出過(guò)程特征曲線圖

2.2 井底高溫對(duì)固齒力的影響分析

以?16 mm切削齒為例，不同的過(guò)盈量區(qū)間范圍內(nèi)固齒力隨環(huán)境溫度升高的變化趨勢(shì)實(shí)測(cè)結(jié)果，如圖6所示。第一區(qū)間（0.074～0.076 mm）范圍內(nèi)固齒力下降約76.7 %，第二區(qū)間（0.091～0.095 mm）范圍內(nèi)固齒力下降約28.6 %，第三區(qū)間（0.111～0.113 mm）范圍內(nèi)固齒力下降約50.9%。可見(jiàn)在過(guò)盈量在第二區(qū)間范圍內(nèi)，固齒力下降趨勢(shì)較為平緩，受環(huán)境溫度的影響較小。

圖6 牙輪鉆頭齒孔固齒力隨環(huán)境溫度變化的實(shí)測(cè)趨勢(shì)圖

過(guò)盈量在第二區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，不同直徑切削齒在常溫與180 ℃下的最大鑲齒力、最大固齒力的關(guān)系曲線如表2所示。常溫下，最大鑲齒力、最大固齒力隨著切削齒直徑的增加而增大，其中?16 mm切削齒的最大固齒力為15.11 kN，相比?12 mm、?14 mm齒徑最大固齒力分別增大了44.3%、4.3%。在180 ℃下，?16 mm的切削齒所需要的最大鑲齒力最大，且最大固齒力也是3種切削齒中最大的（12.89 kN），較常溫降低了17.2%，相比?12 mm、?14 mm齒徑最大固齒力分別增大了638.1%、256.9%。因此，過(guò)盈量在0.091～0.095 mm范圍內(nèi)，選用?16 mm齒徑可以在較高溫度下具有良好的固齒強(qiáng)度。

表2 第二區(qū)間過(guò)盈量的不同直徑切削齒最大鑲齒力、固齒力表

2.3 壓入過(guò)程的接觸力分析

以上分析可知高溫環(huán)境容易導(dǎo)致牙輪鉆頭齒孔固齒力下降，引起切削齒脫落，故通過(guò)采用數(shù)值模擬方法研究溫度對(duì)切削齒固齒強(qiáng)度的影響規(guī)律，如圖7所示。

圖7 0.105 mm過(guò)盈量下切削齒與齒孔的壓入接觸應(yīng)力圖

為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，對(duì)牙輪材料作如下假設(shè)：①切削齒與齒孔相接觸時(shí)，其軸向應(yīng)力為0；②牙輪材料具有小變形特性；③不考慮材料滲碳帶來(lái)的表面硬化。分別對(duì)不同齒徑的切削齒進(jìn)行仿真模擬，為與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，將基體齒孔設(shè)置為通孔，同時(shí)對(duì)不同溫度進(jìn)行仿真時(shí)，通過(guò)添加預(yù)溫度場(chǎng)進(jìn)行整個(gè)模型溫度的加熱，其材料屬性如表3所示。

表3 牙輪基體和切削齒材料屬性表

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行提取，?16 mm切削齒在常溫下壓入過(guò)程最大載荷為24.84 kN，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，其誤差為6.1%。在180 ℃環(huán)境下，使用?16 mm齒型和0.095 mm過(guò)盈量進(jìn)行固齒強(qiáng)度有限元分析，獲得最大固齒力為11.75 kN，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，其誤差范圍在10%以內(nèi)。分別選取0.075 mm、0.085 mm、0.095 mm、0.105 mm 4種過(guò)盈量，在齒孔鑲齒狀態(tài)下的齒孔內(nèi)表面距孔口軸線方向上的應(yīng)力分布，如圖8所示。隨著壓入深度的增加，接觸應(yīng)力均程先增加后減小趨勢(shì)，直至達(dá)到相同的穩(wěn)定狀態(tài)；但是過(guò)盈量為0.105 mm時(shí)，接觸應(yīng)力最大接近900 MPa，超過(guò)了牙輪殼體材料的強(qiáng)度極限，這將導(dǎo)致原始裂紋的產(chǎn)生，容易造成疲勞損傷、殼體斷裂等失效現(xiàn)象的發(fā)生。因此，建議鑲齒過(guò)盈量不宜超過(guò)0.105 mm。

圖8 不同過(guò)盈量下隨壓入深度的最大接觸應(yīng)力變化趨勢(shì)圖

3 三牙輪鉆頭研制與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 產(chǎn)品研制

基于前述固齒強(qiáng)度分析結(jié)果，以東非地區(qū)肯尼亞高溫地?zé)峋垒嗐@頭為例，開(kāi)展鉆頭固齒工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，配合結(jié)構(gòu)個(gè)性化設(shè)計(jì)形成新型三牙輪產(chǎn)品。主要優(yōu)化設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：①使用大直徑切削齒并優(yōu)化過(guò)盈量，以提高切削齒固齒強(qiáng)度；②強(qiáng)化牙掌背面的保徑設(shè)計(jì)，采用了耐磨能力強(qiáng)的金剛石復(fù)合齒作保徑元件。所設(shè)計(jì)的?215.9 mm鉆頭如圖9-a所示，主切削齒選用?16.0 mm切削齒，鑲固過(guò)盈量設(shè)計(jì)為0.095 mm。為適應(yīng)高研磨性地層鉆進(jìn)，心部和外錐采用球頭齒，冠頂主切削齒均采用錐形齒；掌背使用金剛石復(fù)合齒加強(qiáng)保徑能力。

圖9 個(gè)性化三牙輪鉆頭試驗(yàn)前后對(duì)比照片

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該型鉆頭在肯尼亞OLKARIA區(qū)塊地?zé)徙@井施工中應(yīng)用，地層巖性為玄武巖及少量微晶花崗巖。鉆井方式采用轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)，泡沫與清水混合建立循環(huán)攜巖。鉆井參數(shù)如表4所示。

表4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)鉆井參數(shù)表

該鉆頭入井深度為2 769 m，取得進(jìn)尺136 m，2 905 m井深時(shí)因扭矩波動(dòng)大而起鉆，鉆頭出井情況如圖9-b所示，與鄰井所用鉆頭鉆進(jìn)情況對(duì)比如表5所示。與未優(yōu)化前相比，三牙輪鉆頭切削齒掉齒明顯減少，該現(xiàn)象表明本文所研究固齒強(qiáng)度優(yōu)化工藝和產(chǎn)品研制具有較好的效果。

表5 個(gè)性化三牙輪鉆頭鉆進(jìn)指標(biāo)表

與鄰井鉆頭相比，該只鉆頭出井后外徑略有磨損，無(wú)掉齒現(xiàn)象發(fā)生，鉆頭整體新度約為75%，具備二次下井條件。由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可知，其平均機(jī)械鉆速6.18 m/h，純鉆時(shí)間22 h，相比鄰井所使用的三牙輪鉆頭進(jìn)尺提高了43.2%，平均機(jī)械鉆速提高了17%，純鉆時(shí)間減少了22.2%，取得了明顯的技術(shù)進(jìn)步。

4 結(jié)論

1）切削齒直徑和鑲齒過(guò)盈量對(duì)固齒強(qiáng)度影響顯著，通過(guò)增大切削齒的直徑，能夠增加切削齒與齒孔表面的接觸面積，通過(guò)優(yōu)化鑲齒過(guò)盈量能夠有效提升齒孔對(duì)切削齒的固齒力，防止切削齒脫落。

2）高溫能夠顯著降低三牙輪鉆頭的固齒強(qiáng)度，同等齒型直徑及固齒過(guò)盈量參數(shù)條件下，在180 ℃環(huán)境下固齒強(qiáng)度下降幅度介于14.7%～83.3%。

3）通過(guò)對(duì)三牙輪鉆頭布齒結(jié)構(gòu)和固齒工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠顯著降低掉齒風(fēng)險(xiǎn)，有助于提高綜合破巖效率，降低鉆井成本；同時(shí)本文的研究成果可為三牙輪鉆頭在青海省、西藏自治區(qū)及海南省等地區(qū)高溫地?zé)徙@井應(yīng)用中提供技術(shù)參考。