PDC切削齒優選評價方法及應用研究

張素慧

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

PDC切削齒是鉆頭最主要的切削單元，其性能在很大程度上決定了鉆頭的鉆進效果和使用壽命[1]。因此，加強對PDC切削齒的優選評價和合理使用，對礦用鉆頭的生產試制和提高鉆頭壽命具有指導意義。相關文獻概述了PDC切削齒發展狀況及趨勢[2-4]、不同廠家PDC的鉆鑿特性[5-7]、地層應用情況[8-9]以及切削齒的后傾角、溫度、線速度和鉆壓對磨損量的影響規律[10]。目前，通過檢測得到的耐磨性、抗沖擊韌性等參數只是PDC切削齒在單個性能方面的體現，而實際鉆進并不是單一的地層[9]。由此本文從PDC切削齒性能評價角度出發，對PDC選型進行綜合評估。

1 試驗材料與方法

選用6種礦用1308型PDC切削齒(編號1#-6#表示)，每種3片共計18片進行試驗。由于PDC切削齒需要釬焊在鉆頭體上，試驗前先將PDC加熱到750℃。磨耗比、磨削時間按照《聚晶金剛石磨耗比測定方法》測試[11]。吸收功采用落錘式沖擊試驗機測試。

2 試驗結果與討論

2.1 PDC切削齒性能測試結果

六種PDC切削齒的熱磨耗比如圖1，其結果用3片的平均值表示。根據標準MT/T 786-2011規定[12]，4#和3#PDC切削齒磨耗比大于30萬為高磨耗比片。5#、6#、1#、2#磨耗比值介于9～28.5萬之間，為低磨耗比片。

圖1 PDC的磨耗比Fig.1 The abrasion ratio of PDC

PDC切削齒磨削砂輪的時間變化曲線如圖2(a)，1#-6#磨削總時間(單位：s)分別為：277、159、209、205、231、227，其中2#、4#、3#切削齒磨削時間短磨削速度快。圖2(b)為圖2(a)的線性擬合曲線，用y=kx+b表示，式中y為磨削效率，k為平穩性系數。k越大，說明PDC切削齒在初期磨削較快，隨著磨削量的增加磨削時間變長，進尺變慢，磨削效率降低；k越小曲線越平穩。圖2(b)中5#、2#、4#切削齒k值較小平穩性好，可用于避免來回起下鉆更換鉆頭的地層。

圖2 PDC磨削砂輪的時間變化曲線Fig.2 Time variation curve of PDC grinding wheel

抗沖擊韌性的結果如圖3。其中2#吸收功數值最大，平均為900J且數據的離散性較小，說明抗沖擊韌性較高，可用于破碎地層、軟硬夾層等不均質地層。其次為1#和5#，吸收功次之且數據存在一定的離散性。最后為4#和6#吸收功離散性較大。

圖3 PDC的抗沖擊韌性Fig.3 The impact toughness of PDC

2.2 PDC切削齒優選評價方法

上述試驗結果是PDC切削齒在單個性能方面的體現，而實際鉆進中通常并不是單一的地層[9]，由此引入優化設計理念優選出綜合性能較好的PDC切削齒。采用評價與決策方法確定評價指標為：磨耗比、磨削時間、平穩性、抗沖擊韌性。加權評價法[13-14]是將評價對象中的各項指標依照重要程度，給予不同的權重。加權系數通過判別表計算法根據目標的重要程度進行計算，原則是：兩目標同等重要各2分；A比B重要，A給3分B給1分；A比B重要的多，A給4分，B給0分。加權系數計算公式見式(3)(4)。

(3)

(4)

式中gi為第i個評價目標的加權系數，ki為第i個評價目標的總分，n為評價目標數，PDC切削齒的總評分W采用(5)式計算。

(5)

由此評價指標的加權系數如表1。PDC切削齒各項技術指標根據2.1中測試結果采用十分制評分標準獲得如表2。PDC切削齒總評分如下表3。

表1 技術指標的權重表Table 1 Weight table of technical indicators

表2 技術指標評分表Table 2 The score sheet of technical indexes

表3 指標加權評分表Table 3 The weightedscore sheet of indexes

表3中的結果表明，綜合性能較好的PDC切削齒為2#和4#，其總評分大于8分。其次5#，其總評分大于7分。最后為1#、3#和6#。因此，在不均質、軟硬交替地層中鉆進時，優先選用綜合性能好的2#和4#切削齒，制造礦用鉆頭時，也可將2#和4#用于PDC鉆頭外片。

3 PDC鉆頭現場試驗

為了驗證上述PDC切削齒優選評價方法并指導生產應用，采用2#、5#、6#不同分值段的PDC切削齒制作6只Φ113弧角鉆頭并進行現場試驗。試驗地點為潘二煤礦11123底抽巷進行瓦斯抽采鉆孔施工。試驗采用西安院ZDY3200S鉆機，Φ63.5的螺旋鉆桿。鉆孔傾角20°～60°，設計孔深40～150m。地層開孔段有2m左右灰巖相對較硬，其余為泥巖砂巖相對較軟。鉆進工藝：P=5～7MPa，N=100～130r/min，靜壓水。

共試驗6只鉆頭，分別焊接了2#、5#和6#PDC切削齒。表4為鉆頭的鉆進情況表，圖4(a)(b)(c)分別為焊接了2#、5#和6#PDC切削齒的鉆頭鉆進后的照片。采用2#PDC切削齒制作的弧角鉆頭累計進尺最大，平均為1992m，鉆頭壽命最長。圖4(a)中復合片未出現崩片情況，出現了一定程度的磨損，屬于正常的鉆進磨損。對照上述試驗結果PDC切削齒抗沖擊韌性好，吸收功較大且穩定性好，磨耗比值稍低，但總體表現出較好的綜合性能。采用5#PDC切削齒制作的鉆頭累計進尺次之，平均為1470m。圖4(b)中出現了2個復合片崩片，導致鉆頭鉆進效率降低。對照上述試驗結果，5#PDC切削齒磨耗比較大，抗沖擊韌性也相對較高，但存在一定的離散性，綜合性能次之。采用6# PDC切削齒制作的鉆頭累計進尺最低，平均1016m，圖4(c)中復合片崩刃較多，導致鉆頭鉆進效率下降，造成鉆頭提前失效。分析原因主要是其吸收功差異較大，穩定性表現一般，綜合性能評分比前兩種PDC切削齒低。

表4 鉆頭鉆進數據表Table 4 The drilling data sheet of drill bit

圖4 鉆頭使用后的照片Fig.4 The photos of used drill bits

4 結語

本文從影響PDC切削齒性能的幾個主要參數出發，通過試驗得出6種PDC切削齒受熱后的磨耗比、磨削時間、平穩性和吸收功。同時引入評價與決策方法，采用判別表計算法對各項指標賦予不同的權重，根據測試結果對指標進行評分，優選出綜合性能較好的PDC切削齒，并選用不同分值段的PDC切削齒制作了Φ113弧角鉆頭進行現場試驗。總評分較高的PDC切削齒在現場試驗中表現出較好的綜合性能，鉆頭累計進尺大壽命長且PDC切削齒不容易崩刃。該方法為提高PDC切削齒的選型、鉆頭的生產試制及其在不均質地層的應用提供了依據。