磨損齒PDC鉆頭的切削性能試驗

張春亮　王錦成　柯曉華　馮梟　楊迎新　任海濤　黃子軒

關鍵詞 切削載荷；單齒切削；鉆進特性；機械比能；機械鉆速

中圖分類號 TQ164； TG74； TG58； TE921 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）01-0035-08

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0084

收稿日期 2022-06-06 修回日期 2022-08-15

石油天然氣、地熱以及深地礦產的勘探開發必須依賴鉆井技術，而破巖是鉆井的關鍵，鉆頭是最直接的破巖工具。研究表明：鉆頭費用雖然僅占鉆井成本的3%～5%，但其對鉆井成本的影響卻可高達70%。PDC鉆頭作為石油鉆井的破巖工具，在油氣鉆井總進尺中的比例，已由19 世紀80 年代的5%，增長至90% 以上[1-2] 。但PDC 鉆頭在深部難鉆地層中的鉆進效果并不理想，其中的一個重要原因是切削齒的快速磨損，造成切削齒比壓降低，不能有效吃入地層，破巖效率降低。事實上，PDC 鉆頭在鉆井過程中，切削齒長期在磨損狀態下工作，其切削載荷直接影響著鉆頭的切削性能和使用壽命。

PDC 齒的主要磨損方式有磨料研磨磨損和熱磨損[3]，其磨損形態如圖1 所示。而一旦鉆頭上某顆齒發生過度磨損而喪失切削能力，便會加重鄰齒的工作負擔，如此反復循環造成鉆頭性能下降，甚至完全失效。國內外學者對PDC 齒磨損的研究主要有：梁爾國等[4]通過模擬切削齒的不同切削斷面形狀、磨損狀態、重疊切削狀態，利用切削齒對多種巖石樣本進行切削試驗，研究了切削面積、接觸弧長、切削齒后傾角、巖石抗鉆強度、切削齒磨損高度等因素對PDC 切削齒受力的影響規律，建立了切削齒的綜合受力模型；朱光輝等[5]通過在刨床上使用選定的切削齒切削武勝砂巖，分析了不同前傾角和磨損程度下切削齒所受三向載荷的變化， 以及磨損程度與切削過程中溫升的關系； 王濱等[6] 采用電子顯微鏡對火成巖切削后的PDC 鉆頭切削齒磨損形式、磨損機理和磨損分布規律進行了系統研究，并提出了鉆頭優化建議；IMAN 等[7] 通過使用鋒利切削齒和磨損切削齒分別對砂巖和石灰巖進行單齒切削，研究了不同切削深度下磨損齒底部磨損平面與巖石平面夾角對切削過程中磨損平面?巖石界面間的摩擦力影響。

PDC 鉆頭齒的磨損將影響其鉆進效率和破巖能力，對其磨損趨勢和磨損后的鉆進特性進行研究有助于深化對PDC 鉆頭磨損時破巖規律的認識。對PDC 鉆頭磨損的相關研究主要有：馬亞超等[8] 基于磨料磨損理論、微積分基本理論、迭代算法構建了PDC 鉆頭切削齒體積磨損量和線磨損量之間的函數關系，以及切削齒隱式線磨損模型，提出了PDC 鉆頭動態磨損趨勢預測方法；郭健等[9] 運用空間幾何和數值計算理論， 對PDC 鉆頭的結構和受力重新進行分析，推導了PDC 鉆頭磨損時的受力方程。綜合考慮鉆頭冠部形狀、切削齒的布置、切削齒的工作角、切削齒的形狀及尺寸、切削齒相互作用的影響，提出了磨損過程中切削齒的切削面積、切削體積、切削弧長等切削參數與磨損程度的關系的數值計算方法。目前，針對PDC 鉆頭磨損破巖特性開展的研究尚不夠深入、系統。因此，迫切需要開展PDC 鉆頭磨損狀態下的力學和破巖特性分析。

1 PDC 齒切削試驗

1.1 試驗裝置

試驗利用西南石油大學的切削破巖試驗系統，系統包含切削裝置、高倍相機、切削載荷測量及熱成像系統等，如圖2 所示。該系統試驗過程中切削速度穩定，剛性足，能夠滿足本次試驗研究工作。試驗測試時，首先將巖石固定在切削試驗機的夾持裝置中，將磨損齒固定在刀架上，刀架上安裝有3 向力傳感器，切削過程中通過有線傳輸的方式將測量信號傳輸給動態應變儀進行載荷監測[10-11]。

1.2 試驗樣品

實際鉆進過程中，切削齒的磨損平面通常與底部刮痕相平行，因此試驗用磨損切削齒以此為依據進行設計、加工。PDC 齒磨損的關鍵結構參數包括前傾角、齒徑、磨損高度、鈍化類型等。試驗選用砂巖、灰巖、花崗巖作為切削對象，分析磨損切削齒破巖的力學行為，試驗用齒和巖樣分別如圖3、圖4 所示。試驗用巖石的主要力學性質參數見表1。

1.3 試驗內容

磨損齒切削破巖過程中的切削載荷受諸多因素的影響。其中主要因素包括磨損高度、前傾角、切削齒徑、鈍化類型、切削深度、巖石種類等。試驗過程中為獲取各因素對切削載荷的影響規律，將其設置為單一變量。其中鈍化類型中Y 代表圓角磨損，Z 代表大倒角磨損，C 代表常規磨損。具體試驗內容見表2。

1.4 試驗過程

切削過程中，巖屑形態和刮痕是分析PDC 磨損齒切削性能的重要依據。圖5 為切削齒切削破巖過程及巖石刮痕。從圖5 可知：磨損狀態下的片狀巖屑居多，導致這種現象的原因是磨損齒齒刃由圓形變成了直線的寬刃，造成巖石剪切破裂面發生了改變；同時對比刮痕發現，磨損齒刮痕較新齒更寬。

1.5 切削載荷分析

圖6 為不同切削參數下的切向力。從圖6a 可知：在相同切削深度條件下（砂巖， γ=15°， l=15 mm， h2=1.2mm，C），切削齒的切向力和波動程度均隨磨損高度的增加呈遞增趨勢。磨損高度為1.2 mm 時的磨損齒在切削過程中所受切向力最大，但當切削齒的磨損高度達到1.5 mm 時，切向力有所降低。這是因為當切削齒的磨損高度達到一定程度后，磨損平面快速增加，侵入能力大幅度降低，切削齒在切削巖石過程中出現起跳現象，造成實際侵入深度小于預設深度。

從圖6b 可知：切削齒的前傾角是鉆頭設計過程中的重要結構參數，直接影響鉆頭的攻擊性和使用壽命。在前傾角為10°時，切削齒的切向力最大，前傾角為15°和20°時所受切向力平均值基本相同；前傾角為10°時，切削齒的切向力波動程度要明顯比另外2 種前傾角的PDC 齒的劇烈。

圖7 為不同前傾角時磨損齒的磨損平面面積。從圖7 可看出：在相同磨損高度下，前傾角在10°時的磨損平面面積明顯高于15°和20°切削齒的。磨損平面的大幅增加造成破巖過程中的摩擦阻力增加，也加劇了切向力的波動。因此在磨損齒條件下，磨損平面對切向力的影響高于前傾角的影響。

從圖6c 可知：在相同切削條件下（h₁=0.6 mm，砂巖，γ=15°，h₂=1.2 mm，C），切向力隨著磨損齒直徑的增加呈增大趨勢。在相同切削深度條件下，隨著齒徑的增加，切削齒工作面與齒前巖石以及磨損平面與刮痕底部巖石的接觸面積增加，這是造成切向力增加的主要原因。從圖6d 可知：在試驗條件（h₁=0.6 mm，砂巖，γ=15°， l=15 mm， C），隨著切削深度的增加，切向力逐漸增加，且隨著切削深度的增大，切向力波動更加劇烈。在小切深條件下，巖石的體積破碎效果差，巖石的粉碎程度高，切向力波動較小。從圖6e 可知：在相同的切削條件下（h₁=0.3 mm，γ=15°，l=17 mm，h₂=1.2 mm），磨損齒的切向力隨著巖石抗壓強度增加而變大。通過觀察可以發現，切向力的波動程度也隨巖石抗壓強度的增大而變大。

切削齒的鈍化類型主要包括圓角磨損、大倒角磨損和常規磨損。在切削條件下（ h₁=0.3 mm， 砂巖，γ=15°， l=15 mm， h₂=1.2 mm），圓角磨損齒的切向力大于常規磨損。觀察不同鈍化類型的切削齒刮痕發現，圓角磨損后的切削其齒所形成的刮痕底部相對粗糙，劃動鈍搓現象明顯，刮痕對比如圖8 所示。另一方面，圓角磨損后齒的切向力波動幅度明顯高于常規磨損的。PDC 齒在常規磨損后仍具有自銳現象，使得其吃入地層的能力仍強于圓角磨損后的切削齒。而圓角磨損后的PDC 齒，因其切削刃被磨圓，比壓大幅度降低，造成侵入地層的能力降低，刮痕上產生的硬擠壓現象明顯，如圖9 所示。

2 磨損PDC 鉆頭鉆進試驗

鉆進試驗是評價磨損鉆頭綜合性能指標的重要技術手段。為模擬鉆頭切削齒不同磨損程度對鉆頭性能的影響，參考PDC 鉆頭磨損等級，設計4 只試驗鉆頭，分別為新鉆頭、輕度磨損（磨損高度為1.5 mm）、中度磨損（磨損高度為3.0 mm） 以及重度磨損鉆頭（磨損高度為4.5 mm） 并分別用B、D、F、H 表示。圖10 為鉆頭磨損示意圖。在不同鉆井參數下開展磨損PDC 鉆頭鉆進硬砂巖的試驗測試，獲取不同時間下磨損PDC鉆頭的鉆壓、扭矩、機械鉆速以及鉆頭振動的變化特性，為鉆頭的合理使用以及為形成PDC 鉆頭井下工況評價方法提供基礎。

2.1 鉆進試驗裝置

磨損PDC 鉆頭的鉆進試驗在西南石油大學的鉆頭試驗系統上開展，圖11 為鉆進試驗裝置。為方便測量鉆頭的受力以及振動，試驗過程中由下部轉盤的反向旋轉代替鉆頭的旋轉。鉆頭試驗架可以實現如下參數的調節，鉆壓為0～300 kN，轉速為0～200 r/min，工具空間≤7.5 m，鉆進行程為600 mm，排量為30 L/s，泵壓為10 MPa。

2.2 試驗結果及分析

2.2.1 井底模式分析

井底模式是分析磨損PDC 鉆頭破巖特性的主要依據之一。圖12 為井底刮痕對比，新鉆頭在巖石上形成了一簇同心圓狀的刮切痕跡，而磨損鉆頭僅在心部區域的刮痕較為明顯。整體上看，新鉆頭能夠形成凹凸不平的非光滑井底模式，而鉆頭發生磨損后，巖石表面較為平整。凹凸不平的井底形態利于切削齒的吃入，巖石應力明顯集中，利于破巖效率的提高，而光滑的井底模式吃入能力和破巖效果較差。

2.2.2 磨損高度對機械鉆速和扭矩的影響

不同磨損高度的鉆頭在硬砂巖中鉆進時機械鉆速與鉆壓的關系，如圖13 所示。新鉆頭和磨損鉆頭的機械鉆速均隨著鉆壓的增加而增加，且新鉆頭的機械鉆速對鉆壓的變化最為敏感。從圖13 中還可以看出：隨著磨損高度的增加，機械鉆速減小，當磨損高度大于3.0 mm 時，機械鉆速顯著降低，且隨著鉆壓的增加，機械鉆速增加不明顯。

鉆井過程中鉆頭的扭矩通過鉆柱的扭曲來傳遞，當鉆頭的扭矩達到巖石破碎所需的能量時，巖石被破碎，鉆頭開始運動。假設鉆井過程是一個連續過程，取某個微小時間段對鉆柱鉆頭組合進行受力分析，建立軸向和周向上的運動微分方程[12-13]：

不同磨損高度的鉆頭在硬砂巖中鉆進時扭矩與鉆壓的關系如圖14 所示。圖14 中：隨著鉆壓的增加，各類鉆頭的扭矩增加，而磨損鉆頭的扭矩與磨損高度的變化關系不明顯。鉆井工程中，當機械鉆速降低時，通常通過增加鉆壓來獲取更大的機械鉆速，但當鉆壓增大而機械鉆速變化不明顯時，就可判斷鉆頭發生了嚴重的磨損。

2.2.3 磨損高度對侵入能力的影響

侵入能力是評價鉆頭鉆進性能的重要指標，一般而言，相同條件下侵入深度越大，破巖效率越高，鉆進性能就越強，反之亦然。圖15 為不同程度磨損鉆頭在硬砂巖中鉆進時切削深度hDOC 與鉆壓的關系。如圖15 所示：鉆進時，不同磨損程度鉆頭的切削深度均隨著鉆壓的增加而增大。鉆頭的磨損程度越低，切削深度越大，這是因為相同條件下磨損程度越高，切削齒磨損平面面積越大，切削齒的比壓越低。當鉆頭磨損程度為重度磨損時，hDOC 顯著下降。在相同鉆壓下，全新鉆頭的hDOC 是重度磨損鉆頭的數倍以上。

其中：R 為鉆頭機械鉆速，m/h；n 為鉆頭鉆速，r/min。

2.2.4 磨損高度對機械比能的影響

機械比能E_s最早由TEAL 提出[14]，是鉆壓和扭矩的函數，單位為 MPa，是指單位時間內用鉆壓和扭矩破碎單位體積巖石所需的能量[15-16]。

鉆井過程中一般用巖石抗壓強度和機械比能的比值量化鉆井效率，在相同鉆井條件下使用不同磨損程度的鉆頭鉆進相同巖石樣本時，可以近似認為鉆進性能與機械比能呈負相關。

圖16 為不同磨損程度鉆頭在不同鉆壓下的機械比能。在相同鉆壓下，磨損程度越高，機械比能越大；隨著鉆壓的增加，不同磨損程度鉆頭的機械比能降低。但當鉆頭磨損程度大于3.0 mm 時，機械比能隨著鉆壓的增加變化不明顯，這一現象在現場鉆井時經常發生。

2.2.5 磨損高度對鉆頭振動特性的影響

鉆頭的振動特性在一定程度上反映了鉆頭的性能，鉆進過程中用加速度表征鉆頭振動特性， 單位為g。圖17 為不同磨損程度鉆頭的振動規律，其中巖石為硬砂巖，鉆壓為20 kN，轉速為50 r/min。磨損鉆頭和新鉆頭的振動規律一致，切向振動最大，軸向振動次之，徑向振動最小。鉆頭磨損程度越大，振動越小，這是因為鉆頭磨損程度越高，侵入地層的能力越差。新鉆頭和輕度磨損鉆頭振動強度接近，而當磨損程度達到中度磨損以后，振動顯著降低。從圖17 中還可看出：不管是何種磨損程度的鉆頭，徑向振動均變化不大，為0.38～0.56 g。

3 結論

通過單齒切削試驗和全尺寸鉆頭破巖試驗對磨損齒PDC 鉆頭切削性能進行研究，得到以下結論：

（1）分析了侵入深度、磨損高度、磨損類型、齒徑、前傾角以及巖性對切削載荷的影響規律。隨著磨損高度的增加，PDC 齒的切削載荷和波動程度均顯著增大，切削齒隨著磨損加劇其受載情況更加惡劣，易發生失效。切削齒在前傾角為10°時，發生磨損后接觸面積增加較快，因此鉆頭設計時，應綜合考慮前傾角和磨損平面對切削齒破巖能力的影響。

（2）與正常磨損齒相比，齒刃“磨圓”后，刮痕凹凸不平程度更高，切削齒與巖石互作用過程中有明顯鈍搓現象，這種破巖方式能量利用率很低，切削性能顯著降低。因此，在鉆進研磨性強的地層時，首選抗研磨性強的切削齒，避免因磨損導致的切削齒攻擊地層能力減弱和齒刃磨圓現象。

（3）全尺寸鉆頭試驗結果表明：相比于新鉆頭，磨損齒鉆頭產生的井底更加光滑，不利于切削齒侵入地層，加之磨損齒比壓低，吃入地層能力進一步減弱。鉆頭發生磨損后，機械鉆速或切削深度快速下降，機械比能增加，當齒磨損高度大于3.0 mm 時，機械鉆速和機械比能對鉆壓的變化不敏感。隨著磨損程度的增加，鉆頭的振動程度減小，且不管何種磨損程度的鉆頭，徑向加速值差異不大。當持續增加鉆壓，鉆進指標不再增加時，可以認為鉆頭發生了嚴重磨損，應起鉆，避免鉆頭進一步失效。