PDC鉆頭單齒重疊切削特性試驗研究

劉 忠，胡信陽，李 勁，趙 航，胡 偉，楊嘉祥

(1.中國石油大學(北京)，北京 102249;2.中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102206;3.中國石油大學(北京) 克拉瑪依校區，新疆 克拉瑪依 834000)

PDC鉆頭在油田鉆井中的應用占比不斷增大，各國都在研究和提升PDC鉆頭的使用壽命與工作效率。鉆頭技術研究主要是趨于鉆齒和混合鉆頭技術的創新[1]，提升其工作效率主要在于提升鉆頭的破巖效率。鉆頭切削齒是破巖的關鍵，以前探究PDC單齒切削的試驗主要集中于切削未受損巖石。但是，伍開松等人在“國家自然基金項目單次沖擊加卸載后巖石全程動態本構特性及應用研究”中提出[2]，PDC齒在切削破巖上部巖石的同時,也會對尚未破除的巖體造成損傷,因此會影響PDC齒之后切削同一軌道時的切削性能。目前，大多數科研人員關于PDC齒破巖研究都默認是巖石在沒有遭到損傷的情形下進行的。在實際鉆井中，PDC齒的切削過程多是切削已受損的巖石，因此探究PDC齒重疊切削對其切削力、破巖比功的變化規律，會對PDC鉆頭在實際生產應用中產生重要的作用。

國內外有關PDC齒的重疊切削研究較少，廖飛龍[2-3]等根據西南石油大學鉆頭實驗室開展的PDC單齒重疊切削破巖試驗,得到了常規齒多次重疊切削巖石的損傷規律；D.H.Zeuch[4]等人使用PDC切削齒對浸染了染料的巖石進行切削，并觀察研究了巖石表面的損傷；梁爾國和翟應虎[5-6]等人共同探究的PDC齒重疊切削,主要研究切削面積和接觸弧長對切削齒受力的相互作用和影響情況。

本文根據PDC齒在實際切削時出現切削已受損巖石的特點，考慮已受損巖石中的殘余應力和裂隙對PDC齒破巖的影響，進行常規PDC齒與錐形PDC齒的重疊切削試驗，并將二者試驗結果加以對比，分析切削力與破巖比功的變化特點。另外，改變PDC齒單次重疊切削深度，探究切削深度變化對重疊切削性能的影響，以期充實PDC齒作用下的巖石破碎理論內容，為后期PDC鉆頭的布齒設計提供依據。

1 試驗研究

本文采用自行設計的PDC齒直線切削試驗臺進行試驗研究，通過單齒重疊切削試驗，探究PDC齒切削已受損巖石的性能特點。該試驗可通過力傳感器觀測單齒在切削過程中三向力的變化，然后對測試得到的數據進行處理與分析，得出在巖石損傷后的PDC齒破巖特點與PDC齒多次重疊切削破巖規律。

1.1 試驗裝置

PDC齒直線切削試驗臺是由切削平臺與數據采集控制系統2大部分組成，如圖1所示。切削平臺包括巖石夾緊裝置、PDC齒裝夾裝置、PDC齒角度調節機構、力感應器和深度調節裝置。數據采集控制系統主要由力傳感器、信號放大器、數據采集卡、可視化系統與直流穩壓電源等組成，電源穩定電壓為24 V，信號的采集頻率為1 kHz。該試驗裝置可完成PDC單齒切削過程中切削力信號的采集、轉換和存儲。巖石用夾具固定沿x軸負方向勻速運動，PDC齒所受切向力(Fc)方向為x軸負方向，所受軸向力(Fn)方向為z軸方向。

圖1 PDC齒直線切削試驗臺原理

1.2 試驗材料

鉆頭單齒重疊切削試驗的切削材料為PDC齒，由聚晶金剛石層和碳化鎢合金層組成。聚晶金剛石層主導進行切削破巖，自身硬度極高，但材質比較脆。碳化鎢基體會對聚晶金剛石層起到支撐保護作用。PDC齒形狀多為圓片狀、錐形、凹形等。此次試驗采用常規圓片狀PDC齒與錐形PDC齒進行對比試驗。

常規PDC齒與錐形PDC齒外形如圖2所示。常規PDC齒的直徑為13.4 mm。錐形PDC齒直徑為13.4 mm，錐頂角為90°，錐頂半徑為2 mm，錐頂高度6.47 mm。單齒重疊切削試驗的待切削材料為白砂巖，試驗巖樣按照GB/T23561-2009標準加工。巖樣尺寸為100 mm×100 mm×70 mm，密度為2 714 kg/m3，單軸抗壓強度32 MPa，泊松比0.3，彈性模量26 GPa。

圖2 試驗用PDC單齒外形

1.3 試驗方法

由于試驗條件限制，該試驗采用的是單齒直線切削巖石的方式。根據試驗臺PDC齒單次切削的結果，選擇常規齒與錐形PDC齒受力最小的切削角度，以滿足最小切削力進行試驗。常規PDC齒的工作參數設定為后傾角5°，錐形PDC齒前傾角15°，與郭玉龍和何仁清[7-8]等人的研究結果一致。重疊切削4次之后，單齒的破巖比功基本無明顯變化，與廖飛龍[2]等人的重疊切削研究結果相同。因此，本文試驗在每1條切削軌道上只進行4次重疊切削，后一次切削長度均短于前一次切削長度。另外，改變PDC齒單次重疊切削深度，分別進行單次0.3、0.4、0.5、0.6 mm不同切削深度的重疊切削試驗。PDC齒重疊切削痕跡如圖3所示。

圖3 PDC齒重疊切削痕跡

試驗過程中，通過夾持裝置固定PDC齒，保證試驗過程中PDC齒的工作角度不變，通過深度調節裝置改變PDC齒的切削深度。巖石夾緊裝置固定巖樣，以5 mm/s的切削速度進行切削破巖。一次切削結束后，再通過深度調節裝置將PDC齒向下移動相同的切削深度，進行下一次切削。

1.4 試驗步驟

1) 將PDC齒安裝并調整好工作角度。

2) 打開調試數據采集系統，調整設備儀器。

3) 將待切削巖樣裝入巖石夾緊裝置并夾緊。

4) 將PDC齒對刀，確定切削深度，將齒退到切削初始位置。

5) 啟動切削試驗臺，在切削齒即將接觸巖石時，點擊數據采集按鈕，開始收集切削數據。

6) 待切削完成后，關閉切削試驗臺停止切削，將刀桿提升懸空，以免返程過程中破壞巖石。

7) 當PDC齒回歸初始位置時，收集巖屑并稱重，測量切削長度，完成一次切削任務。然后，調整PDC齒高度，保證切削深度與前一次一致，重復前一周期操作，直至完成重疊切削。

2 試驗結果及分析

2.1 數據處理方法

PDC齒切削巖石時主要受到切向力(Fc)與軸向力(Fn)的作用。由于在切削過程中軸向力與切削方向垂直，因此只有切向力做功，計算切削齒破巖比功只考慮切向力的影響。破巖比功是用來衡量切削齒的破巖效率，其計算公式為：

式中：EMS為破巖比功；L為切削長度；V為巖屑體積。

破巖比功數值越大，表示切削齒破巖效率越低。另外，在實際切削過程中軸向力與切向力并不是一個恒定不變的值，而是一直在波動變化，因此需要算出平均值，方便進行下一步的分析處理，如圖4所示。

圖4 PDC齒切削力與平均切削力

2.2 切削力變化

當常規PDC齒以5°后傾角進行重疊切削時，不同切削深度下重疊切削對常規齒受力的影響如圖5所示。

從圖5可以看出，在重疊切削試驗過程中，常規PDC齒所受切削力總體呈上升趨勢，隨著切削深度的增大,切削齒受到的切削力也在增大；隨著切削深度的增大，第1次切削至第4次切削的平均切向力增大幅值依次為94%、91%、68%、66%，平均軸向力增大幅值依次為38%、37%、35%、36%。

圖5 不同切削深度下重疊切削對常規PDC齒受力的影響

當錐形PDC齒以15°后傾角進行重疊切削時，不同切削深度下重疊切削對錐形PDC齒受力的影響如圖6所示。

圖6 不同切削深度下重疊切削對錐形PDC齒受力的影響

從圖6可以看出，在重疊切削試驗過程中，不同切削深度下，錐形PDC齒所受切削力總體呈上升趨勢，當單次切削深度增大時，切削齒所受到的切削力也在增大，平均切向力增大幅值依次為44%、38%、40%、36%，平均軸向力增大幅值依次為25%、23%、21%、18%。

相比較而言，錐形PDC齒重疊切削的切削力總體上大于常規齒，因為切削接觸面積是影響切削齒受力的主要因素[9-10]，常規PDC的接觸面是平面，錐形PDC齒是曲面，經計算，在同一切削深度下，錐形PDC齒的切削接觸面積均大于常規PDC齒。

通過SolidWorks繪出2種齒的三維圖形，根據重疊切削的特點繪出切削接觸面積與破巖面積，并進行計算，結果如表1所示。

表1 常規PDC齒與錐形PDC齒的切削接觸面積和破巖面積對比

隨著重疊切削的進行，常規PDC齒的切削力上升的速率要快于錐形PDC齒，因為當切削深度增大時，巖屑會大量堆積在常規PDC齒的切削正前方，加劇破巖的難度。錐形PDC齒切削時，巖屑會飛濺分散在切削軌道兩側，如圖7所示。因此，常規PDC齒的受力上升速率要快于錐形PDC齒。

圖7 2種PDC齒破巖的巖屑堆積情況

2.3 破巖比功變化

未受損的巖石在經過第一次切削破巖之后，會在原切削位置留下微裂紋或殘余應力。卸載之后，巖體內的殘余壓應力便會成為拉應力,而當拉應力超出巖體抗拉強度時便會形成新的裂紋[11-14]，即造成巖石損傷。當常規PDC齒以5°后傾角進行重疊切削時，不同深度下的破巖比功變化如圖8所示。

圖8 不同切削深度下重疊切削對常規PDC齒破巖比功的影響

從圖8可以看出，當切削深度增加時，破巖比功減小，說明常規PDC齒的切削深度越大，破巖效率越高。但是，破巖比功總體下降幅值呈減小趨勢，計算得到各組破巖比功的下降幅度依次為27%、21%、18%、16%。

隨著重疊切削的進行，第2次切削相比第1次切削，常規PDC齒的破巖比功都得到明顯的下降，但在第2次重疊切削之后，各組破巖比功的變化都趨于穩定。

原因在于單次重疊切削深度較淺時，常規PDC齒的每次重疊切削面積增長緩慢，加之前一次切削對巖石造成的內部損傷，導致下一次切削得到的巖屑質量快速增長，因此破巖比功會持續下降。當單次重疊切削深度增大時，重疊切削面積便會加快增長，影響切向力快速上升，導致破巖比功下降幅度減小。隨著重疊切削的進行，巖石內部的損傷會不斷積累，并達到穩定狀態，因此重疊切削次數越多，破巖比功變化就越趨于穩定。

當錐形PDC齒以15°前傾角進行重疊切削時，不同單次切削深度下的破巖比功如圖9所示。

圖9 不同切削深度下重疊切削對錐形PDC齒破巖比功的影響

根據計算得到各組破巖比功的上升幅度依次為1.5%、10%、22%、46%。在圖9中可以看到，與常規PDC齒相同，當切削深度增加時，錐形PDC齒破巖比功減小。不同在于第2次切削相比第1次切削，破巖比功會有所下降，而在整個重疊切削過程中，破巖比功不降反升，且單次重疊切削深度越大，破巖比功上升幅度越大。原因在于，隨著錐形PDC齒切削深度的增加，所受切向力在逐步上升，但同時破除的巖屑質量卻增長緩慢，導致破巖比功無法降低。

對比2種PDC齒破巖比功變化規律可知，在重疊切削中，常規PDC齒的破巖比功可以有效地降低；而對于錐形PDC齒，破巖比功不僅在同等切削深度下遠大于常規齒，而且因為試驗組中切削深度較淺，錐形PDC齒多是淺層磨削而不能以犁削方式高效破巖[15]，破巖比功無法有效降低。由表1中破巖面積對比可以看出，常規PDC齒在重疊切削試驗中，切削破巖面積大，切削時會對切削軌道周圍造成較大損傷，最終產生的巖屑較多。錐形PDC齒由于切削破巖面積較小，不能有效地對切削軌道附近造成較大損傷，不利于下一次重疊切削的進行，因此切削過程產生的巖屑質量較小。圖10為2種PDC齒破巖的巖石損傷應力分布云圖。

圖10 PDC齒破巖巖石損傷應力分布云圖

另外，常規PDC齒與錐形PDC齒兩者截然不同的重疊切削性能也與這2種齒形的破巖機理有關。常規PDC齒的破巖過程可分為壓入變形階段、裂隙延伸階段與塊體崩裂階段，如圖11所示。

圖11 常規PDC齒破巖過程示意

常規PDC齒破巖時，裂隙首先向切削方向水平延伸，然后再向巖石自由面發展，從而形成塊狀的巖屑，破巖過程中，巖屑開裂部位與巖石內部應力集中區域保持一致。

錐形PDC齒的切削破巖過程可分為壓實變形階段、吃入階段與巖屑碎裂階段，如圖12所示。

圖12 錐形PDC齒破巖過程示意

當錐形PDC齒吃入巖石時，巖石開始碎裂，裂隙逐漸萌生，吃入巖石后，錐形PDC齒以冠頂接觸巖石，在其接觸面法向方向出現拉應力集中，拉應力極值使該出巖石發生損傷并萌生裂隙，最終導致巖塊碎裂。

因為常規齒破巖面積較大，因此對巖石的損傷區域也較大，產生的巖屑多為塊狀，巖屑體積大。相比于常規PDC齒，相同切深下錐形PDC齒由于破巖面積較小，很難對切削軌道范圍以外的巖石造成損傷，產生的巖屑也多為碎屑狀，體積較小。因此，在重疊切削過程中，常規PDC齒能夠對巖石造成較大殘余損傷，降低重疊切削的難度，減小破巖比功。圖13為同等切削深度下2種PDC齒破巖的巖石損傷形貌。圖14為其破碎的巖屑。

圖13 2種PDC齒破巖的巖石損傷形貌

圖14 2種PDC齒破巖的巖屑

3 結論

1) 在PDC齒直線切削試驗臺試驗上對PDC鉆頭的2種單齒進行重疊切削巖石試驗。常規PDC齒、錐形PDC齒所受平均切向力與軸向力隨重疊切削次數的增加而呈上升趨勢，常規PDC齒的切向力、軸向力平均上升幅度分別為79.75%、36.5%，錐形PDC齒的切向力、軸向力平均上升幅度分別為39.5%、21.75%。兩者的切削力都隨切削深度的增加而增加。

2) 在重疊切削試驗中，按照切削深度分別為0.3、0.4、0.5、0.6 mm分組。常規PDC齒的破巖比功總體呈下降趨勢，各組分別下降27%、21%、18%、16%。錐形PDC齒的破巖比功呈上升趨勢，各組分別上升1.5%、10%、22%、46%。切削深度增加時，常規PDC齒的破巖比功下降幅度減小，錐形PDC齒的破巖比功上升幅度增大。

3) 常規PDC齒與錐形PDC齒的破巖機理不同，前者主要以剪切應力破巖，破巖過程中對周圍巖石造成損傷較大，產生的巖屑體積較大。后者主要以拉應力破巖，破巖過程中對周圍巖石造成損傷較小，形成的巖屑體積較小。