PDC鉆頭齒的破巖機理和性能測試方法研究現狀

李彥操

（中石化勝利油田分公司,工程技術管理中心,山東 東營 257000）

自2000年起，隨著科研人員對PDC鉆頭齒破巖機理的深化理解和超硬材料科學與生產工藝的不斷進步，PDC鉆頭在石油和天然氣鉆井工程中的應用逐漸普及。如今，PDC鉆頭在油氣鉆井領域占據了超過80%的市場份額，貢獻了90%以上的全球鉆井進尺，幾乎成為全球高端鉆頭市場的主導力量[1]。PDC鉆頭齒的技術進步極大地推動了油氣鉆井工程的效益增長，然而，其有限的耐磨性、熱穩定性和抗沖擊性仍是制約PDC鉆頭齒更廣泛應用的因素。因此，研究PDC鉆頭齒本身的材料特性及其破巖機理，存在著廣闊的創新空間和潛力巨大的工業應用前景。

破巖機理的研究主旨在于揭示PDC鉆頭齒的幾何參數、鉆頭幾何參數和鉆井參數等對巖石破碎規律的影響，從而優化PDC鉆頭齒的結構設計，提高PDC鉆頭齒與PDC鉆頭的破巖效率。另一方面，性能測試研究的目標主要是評估PDC鉆頭齒的關鍵性能，尤其是耐磨性、熱穩定性和抗沖擊性，為優化PDC鉆頭齒和PDC鉆頭的個性化設計提供科學依據。

許多國內外學者對PDC鉆頭齒的破巖機理和性能測試進行了深入的研究，并制造了各式各樣的實驗設備，設計了多種實驗方法，其研究成果有效地推動了PDC鉆頭齒破巖效率的提升。

1 直線切削實驗

直線切削實驗始于美國科羅拉多礦業學院。20世紀70年代，科羅拉多礦業學院設計并建造了1臺直線破巖模擬實驗臺，能夠對所有機械破巖刀具進行切削實驗[2]。直線破巖作為旋轉破巖的簡化方式，已經在地下工程、礦業工程、石油鉆井中得到了廣泛應用[3-4]。由于其避免了切削過程的復雜性，被認為是揭示巖石切削機理最直接的方法[5]。但是直線切削實驗裝置簡單，測試距離過短，且將PDC鉆頭齒的井下破巖過程過度簡化，只能用于具有明顯區別特征參數的簡單定性分析，如錐形齒與圓形齒破巖機理的差異分析等。而且，直線切削實驗無法用于測試PDC鉆頭齒的耐磨性與熱穩定性。

目前常用的直線切削實驗裝置主要包括以下幾種：鉆銑車床改裝的直線切削實驗裝置、牛頭刨床改裝的實驗裝置、立式銑床改裝直線破巖實驗裝置、刮切破碎實驗裝置、線性巖石切削實驗裝置、刻劃測試裝置。

1.1 鉆銑車床改裝的直線切削實驗裝置

經過特殊改造的鉆銑床形成了如圖1所示的PDC鉆頭齒直線破巖實驗裝置[6]。該裝置由車床、巖樣固定設備、錐形PDC鉆頭齒夾具、測力計、數據采集系統、巖樣和錐形PDC鉆頭齒等組成。

圖1 單齒破巖實驗裝置[6]Fig.1 Single cutter rock-breaking experimental device[6]

在實驗過程中，首先將表面平整的巖石樣本固定在工作臺上，并通過夾具設定錐形PDC鉆頭齒的后傾角。通過車床的壓力裝置設定垂直方向上的壓力，使PDC鉆頭齒吃入巖石。隨著電機驅動，鉆銑床的工作臺和巖石樣本進行勻速直線運動，使得PDC鉆頭齒切削巖石并形成溝槽。切削過程中，PDC鉆頭齒所承受的水平切削力會通過測力計中的傳感器進行實時測量，而相關數據則由數據采集系統記錄、顯示和儲存，同時切削深度由百分表測量。值得注意的是，當前實驗并未提出“巖石樣本表面平整”的量化標準，相關文獻中也極少明確這個標準。建議在未來的實驗中，為減小人為誤差，應通過機械加工來制作實驗巖石樣本，同時巖石樣本的平整度偏差應不超過實驗最小切削深度的10%。

在圖1的實驗裝置上，鄒德永等[6]選擇了2種不同錐頂角的錐形齒進行玄武巖切削實驗，錐形齒的破巖效果通過相同垂直壓力下的切削深度和水平切削力進行綜合評價。結果顯示：在相同后傾角和切削深度條件下，錐頂角較小的錐形齒需要的水平切削力較小，更易破碎巖石。同樣在這個實驗裝置上，孫源秀等[7]進行了錐形齒和圓形齒切削不同巖性巖石的對比實驗，實驗結果表明：在相同的鉆壓下，一旦鉆壓超過某一定值，錐形齒在石灰巖和玄武巖上的切削深度逐漸超過圓形齒的切削深度；且在高鉆壓環境下，相較于圓形齒，錐形齒更適合切削硬質巖石。

圖1所示的直線切削實驗裝置占用空間小，操作便捷，實驗成本較低，優勢明顯。短距離的直線切削破巖至少可達成3個實驗目標：（1）研究不同PDC鉆頭齒幾何結構對破巖效率的影響；（2）研究鉆壓、后傾角、切削速度、切削深度等切削參數對PDC鉆頭齒破巖效率的影響；（3）研究不同巖性巖石對PDC鉆頭齒切削效率的影響。然而，此實驗裝置僅能實現短距離的直線切削，且切削過程不連續，無法完成PDC鉆頭齒的耐磨性和熱穩定性測試。此外，實驗中的直線切削運動軌跡與PDC鉆頭齒在井下實際作業時的連續螺旋運動軌跡有較大差異。

1.2 牛頭刨床改裝的實驗裝置

牛頭刨床經過改裝后，形成如圖2所示的PDC鉆頭齒直線破巖實驗裝置[8]。該裝置由牛頭刨床、巖樣夾持裝置、載荷傳感器（切向和軸向）數據采集系統和PDC鉆頭齒等部分組成。

圖2 單齒切削實驗裝置示意圖[8]Fig.2 Schematic diagram of single cutter cutting experimental device[8]

實驗操作過程如下：首先，將表面平整的巖樣固定在夾持裝置上；接著，調整刨床刀架以設定PDC鉆頭齒的切削深度，然后鎖緊刀架以固定切削深度；啟動刨床后，刨床滑枕將驅動PDC鉆頭齒進行直線運動。在切削過程中，位于巖石與夾持裝置之間的傳感器能實時測量巖樣在x方向和y方向受到的力，如圖2所示。根據作用力相互作用的原理，能得到PDC鉆頭齒的受力數據。

孫源秀等[8]在圖2所示的實驗裝置上進行了不同錐頂弧面曲率的錐形齒切削實驗，并以軸向力和切向力為衡量指標。實驗結果表明：在相同切削深度條件下，錐形齒所受的軸向力和切向力隨著錐頂弧面曲率的減小而線性增大。這意味著，錐形齒越尖銳，所需的軸向力和切向力越小，從而更容易吃入巖石。

姜鑫等[9]利用圖2所示的實驗裝置進行了PDC鉆頭齒沖擊巖石實驗。實驗過程中，刨床滑枕帶動PDC鉆頭齒以設定的速度沖擊巖樣，以模擬實際鉆進中PDC鉆頭齒的沖擊過程。實驗結果顯示：沖擊過程中的PDC鉆頭齒同時受到x方向和y方向的沖擊力，而這2種沖擊力都會隨著PDC鉆頭齒切削速度的增大而線性增大。基于這些結果，建立了沖擊載荷的預測模型。

圖2所示的實驗裝置具有結構簡單、操作方便、實驗成本低等優點。與圖1鉆銑車床改裝的直線實驗裝置相比，該實驗裝置擁有x和y2個方向的傳感器，能夠實時測量這2個方向的受力。此外，除了直線切削運動，該實驗裝置還能測試PDC鉆頭齒與巖石接觸時的沖擊表現。然而，圖2所示的實驗裝置存在一定的局限性。其無法施加壓力，只能以設定的切削深度從巖石的一端劃向另一端，無法同時完成向下壓入巖石并沿直線水平切削巖石的運動。同時，該實驗裝置的傳感器對于PDC鉆頭齒受力的響應是通過巖石傳遞完成的，因而只能適用于受力變形小的堅硬巖石，對于較軟且塑性大的巖石則不能準確反應切削齒的受力。

1.3 立式銑床改裝的直線破巖實驗裝置

如圖3所示，由立式鉆銑車床改裝的直線破巖實驗裝置[10]主要由立式銑床、機床工作臺、臺虎鉗、巖樣、PDC鉆頭齒、夾具、刀座、應變儀以及動態采集裝置組成。

圖3 立式銑床改裝切削實驗裝置示意圖[10]Fig.3 Schematic diagram of cutting test device based on vertical milling machine[10]

實驗操作過程如下：首先，通過臺虎鉗將巖石固定在工作臺上；然后，調整旋轉刀架夾具以設定PDC鉆頭齒的切削角度。工作臺的垂直移動可以改變切削深度，而通過改變工作臺水平方向的移動速度可進一步改變切削巖石的速度。在切削過程中，動態應變采集裝置通過應變儀來測量水平方向的切削力。

XIONG等[10]在圖3所示的裝置上進行了錐形齒和圓形齒切削花崗巖實驗。實驗完成后，利用掃描電鏡觀察了巖石表面切削斷面的微觀形貌，并將其與實驗前在相同巖樣上進行的巴西劈裂實驗得到的拉應力斷面微觀形貌以及剪切實驗得到的剪應力斷面微觀形貌進行了對比。實驗結果顯示：錐形齒切削后巖石的斷面形狀與巴西劈裂實驗得到的拉應力斷面微觀形貌相似，而圓形齒切削后的巖石斷面與剪應力斷面微觀形貌相似。因此，提出了一個新的觀點：與傳統圓形齒的剪切破巖機理不同，當錐形齒切削巖石時，巖石可能由于內部產生了超過其自身抗拉強度的拉應力而破碎。

CHENG等[11]利用高速攝像機記錄了在圖3所示裝置上進行的巖石切削實驗過程。實驗結果表明，PDC鉆頭齒并未按照設定的切削速度進行勻速切削。在PDC鉆頭齒前方的巖石被壓縮成粉末的過程中，PDC的運動速度相對較慢；而在剪切巖石以至裂紋擴展至自由面的過程中，PDC的運動速度則較快，且前者幾乎主導了整個切削過程。

圖3所示的實驗裝置具有結構簡單、操作方便等優點，能夠完成不同切削角度、不同切削齒類型、不同切削速度和不同巖性巖石的切削實驗。然而，該實驗設備的切削力測量是借助應變片實現的，在切削速度較高時，應變片對切削力的動態響應比動態壓電式傳感器的響應要弱。

1.4 刮切破碎實驗裝置

圖4展示了一種由牛頭刨床改裝的刮切破碎實驗裝置[12]，主要包括牛頭刨床實驗機、三向力傳感器、PDC復合片（含齒座）以及數據采集系統等。與圖2所示的刨床改裝不同，該實驗裝置的三向力傳感器被固定在刀架上，而PDC鉆頭齒則通過齒座固定在傳感器下方。

圖4 刮切破碎實驗裝置示意圖[12]Fig.4 Schematic diagram of scraping and crushing experimental device[12]

在進行實驗時，首先將巖樣放置在巖石夾持工具上，通過調整巖樣位置，確保其刮切面與刨床工作臺平行。隨后，將切削齒與三向力傳感器固定在刨床刀架上，并調整刀架位置，使切削齒的切削深度達到實驗設定的值。在對信號采集系統進行通道清零并開始采樣后，通過實驗機對巖樣進行直線刮切。

楊迎新等[12]在圖4所示的刮切破巖實驗臺上，對表面平整的巖樣以及帶有不同寬度、高度的“巖脊”巖樣進行了單齒切削實驗。實驗結果顯示：在相同切削深度條件下，PDC鉆頭齒在具有“巖脊”的巖樣上破巖所需的軸向力和切向力更小，同時產生的塊狀巖屑更大。實驗數據顯示：在破碎比功最小時，巖脊的寬度為17.5 mm，高度為20.0 mm，這為環脊式PDC鉆頭的高效破巖結構設計提供了依據。

圖4的實驗裝置除了具備刨床改裝實驗臺的特性外，其切削力傳感器與PDC鉆頭齒直接相連的設計使得切削過程中對PDC鉆頭齒切削力的測量更為靈敏。然而，該設備缺乏向下加壓的裝置，因此只能從巖樣一端開始進行直線切削，無法實現從巖石表面開始切削并逐漸深入巖石至一定深度的切削實驗。

1.5 線性巖石切削實驗裝置

圖5為線性切削實驗臺結構圖，是通過改裝數控銑床來實現的[5,13]。主要組件包括1個可調整切削傾角的刀具架、PDC鉆頭齒、巖石樣品、固定鉗、高速攝像機、三向切削力傳感器、單向加速度計以及數據采集系統等。圖6為線性切削實驗臺的內部及外部。在實驗過程中，PDC鉆頭齒被固定在銑削中心主軸的刀具夾上，而巖石樣品則被固定在與三向切削力傳感器相連的固定鉗中，如圖6a所示。2個加速度計被分別安裝在固定鉗和刀具架上，其測量方向與切削方向一致。如圖6b所示：使用分辨率為1 280 × 1 024像素，幀率達4 000幀/s的高速攝像機對巖屑形成過程進行可視化記錄。

圖5 線性切削實驗臺結構圖[13]Fig.5 Structural diagram of linear cutting experimental platform[13]

圖6 線性切削實驗臺[5]Fig.6 Linear cutting experimental bench[5]

CHE等[5]使用圖6的實驗裝置進行巖石切削實驗，并利用高速攝像機對PDC鉆頭齒的破巖機理進行了深入分析。實驗結果揭示：當后傾角保持不變時，PDC鉆頭齒所受的軸向力與水平方向的切削力之間存在正比關系。

這套實驗設備的結構相對復雜，采用了更高測量精度的壓電式力傳感器。此外，通過使用高速攝像機，能夠捕捉到巖屑形成過程的高清圖像，這為理解PDC鉆頭齒的破巖機理提供了方便。

1.6 刻劃測試裝置

刻劃測試是一種利用刻劃刀以一定的截面積和速率沿巖石表面切削（刻劃）出1條溝槽，來獲取巖石抗壓強度等力學特性參數的技術。刻劃設備主要由以下部分構成：刻劃驅動裝置、載荷測量儀、深度測量儀、水平測量儀、刻劃刀、巖石樣品固定裝置以及計算機采集和控制系統[14]。

在計算機控制下，刻劃刀以預設的恒定速率和深度對巖石樣本表面進行刻劃，計算機會實時采集和記錄刻劃刀的位移和受力數據。將這些受力數據代入刻劃測試的理論模型，就可以計算出巖石的抗壓強度。此外，刻劃實驗已被引入石油鉆井領域，主要用于預測PDC鉆頭的巖石可鉆性等級以及研究PDC鉆頭齒的破巖機理。

1.6.1 預測PDC鉆頭鉆削巖石的可鉆性

韓艷濃等[14]針對均質砂巖和非均質泥巖開展了刻劃測試實驗，并對刻劃測試技術的準確性和可靠性進行了驗證及分析。陳軍海等[15]提出了一種求取PDC鉆頭巖石可鉆性級值的方法，在保持巖心整體結構不被破壞的前提下，進行了全尺寸巖心強度的連續刻劃實驗，如圖7所示，并利用刻劃巖石破碎比功的方法來求取PDC鉆頭鉆削巖石的可鉆性級值。結果顯示，該方法得出的結果與巖石可鉆性微鉆實驗結果保持了良好的一致性。

圖7 全尺寸巖心強度連續刻劃[15]Fig.7 Continuous characterization of full-size core strength[15]

2 旋轉切削實驗

單齒旋轉切削破巖實驗的實施，使得可以更接近實際條件模擬PDC鉆頭的鉆進狀態。早期的實驗由于受到實驗場地和裝備的限制，采用的巖石樣本尺寸較小，研究的主要焦點在于探討PDC鉆頭齒的破巖機理。然而，隨著近年來切削測試設備的進步和升級，得以使用更大尺寸的巖石樣本，使PDC鉆頭齒能夠執行長距離（如超過萬米）的連續切削，從而能更深入地評估PDC鉆頭齒的關鍵性能（如耐磨性和熱穩定性等）。

因此，可以根據切削距離的不同，將旋轉切削實驗分為2類：一類是小切削半徑旋轉切削實驗，這類實驗主要集中在解析PDC鉆頭齒的破巖機理上；另一類是長距離連續切削實驗，該類實驗的目標是在類似實際鉆進條件下評估PDC鉆頭齒的核心性能。

2.1 車床改裝的旋轉實驗裝置

圖8展示的PDC鉆頭單齒旋轉破巖實驗裝置是由臥式車床改裝而來的[17]，其主要構成部分包括車床、巖樣卡盤、三軸測力計、定位裝置、鎖緊裝置、數據采集系統、巖樣以及PDC鉆頭齒。

圖8 單齒旋轉破巖實驗裝置[17]Fig.8 Single cutter rotating rock-breaking experimental device[17]

1.6.2 PDC鉆頭齒破巖機理研究

刻劃實驗設備設計允許設置特定的切削深度和切削速度，因此通過更換刻劃夾具，可探究不同類型PDC鉆頭齒的破巖機理。CRANE等[16]利用圖7的實驗設備對斧形齒和傳統圓形齒進行了刻劃實驗研究，研究結果顯示：在相同的實驗條件下，斧形齒的切向力和軸向力比傳統圓形齒的要小。更進一步發現：隨著巖石無側限抗壓強度增加，斧形齒的切向力和軸向力相對于傳統圓形齒的降低程度持續增大。

刻劃實驗相比之前的局部小區域取樣，改成了長距離大區域測試，這樣更好地考慮了巖石非均質性對巖石強度的影響，可以獲取巖石強度剖面。且在實驗過程中，巖心整體結構得以保留，提高了巖樣的利用率。然而，此類實驗要求巖石在塑性破壞模式下刻劃，因此其刻劃深度相對較小。

圖8的實驗裝置所使用的巖樣為圓柱體，其尺寸為?220 mm × 150 mm。為了能精確控制切削開始點的深度，通常在巖樣的半徑方向上預先加工1條深切槽[18]。PDC鉆頭齒被固定在鋼質刀柄上，而刀柄則連接到三軸測力計上，從而通過數據采集系統實時記錄PDC鉆頭齒的切向力和軸向力。定位裝置可在徑向和軸向2個方向上調整PDC鉆頭齒的位置，并利用鎖緊裝置將切削齒的位置固定。在鎖定位置后，PDC鉆頭齒通過機床的旋轉在巖石端面上切削出預設深度的弧槽。

鄒德永等[19]利用圖8的實驗裝置進行了PDC鉆頭齒單齒受力實驗。實驗結果表明，PDC鉆頭齒的切削力和正壓力都與切削面積和接觸弧長的乘積具有顯著線性關聯。梁爾國等[20]也在此實驗裝置上研究了PDC鉆頭齒在重疊切削狀態下的受力情況，結果發現：在相同切削面積下，PDC鉆頭齒的受力隨接觸弧長的增大而增大。

旋轉切削方式更接近實際的鉆井工作環境。圖8的設備優點是包括小尺寸的巖樣鉆削需求容易滿足，然而，由于巖樣尺寸較短，需要頻繁更換巖樣，無法進行長距離的連續穩定切削，因此無法測試PDC鉆頭齒的耐磨性和熱穩定性。

2.2 鉆銑床改裝的旋轉實驗裝置

圖9展示了一種改裝自鉆銑床的微PDC鉆頭巖石耐磨性實驗裝置[21]，其主要構成包括加壓旋轉組件、增壓組件、壓力測定傳感器、切削深度控制組件、測定組件、微PDC鉆頭和巖樣。在常壓條件下，鉆銑床能以一定的鉆壓和恒定轉速驅動微PDC鉆頭旋轉切削巖石，同時以固定的水平速度移動巖樣。

圖9 微PDC鉆頭巖石耐磨性實驗裝置[21]Fig.9 Experimental device for rock wear-resistance of micro PDC drill bits[21]

2003年，鄒德永等[21]使用圖9的實驗裝置進行了PDC微鉆頭巖石耐磨性實驗。選擇的PDC鉆頭齒直徑為13 mm，后傾角為20°，側轉角為13°，旋轉半徑為10 mm。實驗測定了不同巖性巖石的研磨性系數，并基于摩擦磨損原理推導出了PDC鉆頭齒磨損壽命的預測模型。然而，圖9所示的實驗裝置的旋轉切削半徑過小，與實際工況存在較大偏差。同時，受限于其行進軌跡、轉速等鉆進參數，此實驗裝置無法對PDC鉆頭齒的耐磨性和熱穩定性進行有效測試。

2.3 國內磨耗比實驗裝置

PDC鉆頭齒的耐磨性測試在全球范圍內尚未形成統一標準。在21世紀初，我國的生產廠家曾使用《人造金剛石燒結體磨耗比測定方法》（JB/T 3235-1999）（以下簡稱“磨耗比”）來測試PDC鉆頭齒的耐磨性[22]。圖10為磨耗比測定儀示意圖，其主要由卡具、燒結體試樣（包含鉆頭齒等）、固緊夾座、被動缸活塞、砝碼、砝碼托盤、主動缸活塞、液壓油管以及擺動工作臺等組成[23]。

圖10 磨耗比測定儀局部示意圖[23]Fig.10 Partial schematic diagram of wear ratio tester[23]

PDC鉆頭齒在規定條件下研磨綠碳化硅標準砂輪，砂輪的磨損質量Ms與PDC鉆頭齒的磨耗質量Mj的比值即為該其磨耗比E。

然而，趙云良等[23]提出，采用磨耗比來測試PDC鉆頭齒的耐磨性存在3個關鍵的缺陷：（1）磨耗比測試的軌跡和環境與PDC鉆頭齒在實際鉆井中的工況有顯著差異；（2）被切削的綠碳化硅砂輪材料與實際鉆井環境中遇到的巖石巖性相差甚遠；（3）測試后，PDC鉆頭齒的磨損量微小，由此產生的稱量誤差使測試結果的可信度受到質疑。

另外，自2010年以來，以錐形齒、屋脊齒等異形齒為代表的鉆頭在石油與天然氣鉆井工程中得到了廣泛應用[24]。而磨耗比測量方法無法準確反映這些異形齒幾何結構的變化對其耐磨性影響。因此，當前的PDC鉆頭齒及鉆頭生產商已經不再使用磨耗比來測試和評價PDC鉆頭齒的耐磨性能。

2.4 VTL實驗裝置

立式轉塔車床（vertical turret lathe，VTL）已主要用于測試PDC鉆頭齒的耐磨性和熱穩定性，其實驗結果與現場應用的反饋具有良好的一致性。盡管VTL并未被確立為PDC鉆頭齒的國際標準測試設備，但已被諸如斯倫貝謝[25]、貝克休斯[26]、國民油井[27]、哈里伯頓[28]等國際知名油服公司廣泛采用。現如今，VTL已經成為評估PDC鉆頭齒性能以及進行新鉆頭性能測試研發的關鍵設備。

借鑒美國鉆頭企業的成功經驗，中國石油大學（北京）自行構建了VTL實驗裝置，如圖11所示。圖11的設備主要包括旋轉工作臺、立柱、帶滑軌的橫梁、巖石試樣、三向力傳感器、熱電耦、數控操作系統、數據采集系統、高速攝像機、PDC夾具以及PDC鉆頭齒。

圖11 VTL測試設備[29]Fig.11 VTL test device[29]

實驗過程中，直徑為1 100 mm的巖石試樣被固定在VTL的旋轉工作臺上，在電機的驅動下旋轉。立柱具有水平方向和垂直方向的2個自由度，使PDC鉆頭齒能夠在水平方向上進行線性切削，并在垂直方向上對巖石進行設定深度的吃入。通過數控系統，VTL能夠控制PDC鉆頭齒在水平方向的進給速度和巖石的轉速，從而實現PDC鉆頭齒在巖石表面以設定吃入深度、設定切削速度進行連續切削。三向力傳感器安裝在PDC鉆頭齒的上方，其采集精度可達20 000 Hz。數據采集系統能夠實時收集傳感器信號，并通過計算機進行顯示、存儲和處理。

圖12為高速攝像機拍攝的巖屑狀態。如圖12所示：在實驗過程中，高速攝像機能夠對PDC鉆頭齒的切削破巖過程進行高幀率、高分辨率的圖像捕捉，在最大分辨率為1 024 × 1 024的條件下，其最高幀率可達12 800幀/s。

圖12 高速攝像機拍攝的巖屑狀態Fig.12 Rock debris status captured by high-speed camera

VTL實驗根據有、無冷卻液，又分為干磨實驗和濕磨實驗。

（1）干磨實驗：指在切削過程中不引入冷卻液，以此來測試PDC鉆頭齒在連續切削過程中的熱穩定性。隨著切削距離的延長，由摩擦產生的熱量逐漸聚集，直至超過PDC鉆頭齒的臨界溫度，這將導致PDC鉆頭齒的聚晶金剛石層發生熱損傷。如果在實驗過程中，PDC鉆頭齒的磨損超過了聚晶金剛石層與基體的界面，將其定義為磨損失效，且當達到失效狀態時所切削的距離被定義為失效切削距離。在相同的測試條件下，PDC鉆頭齒的失效切削距離越長，其熱穩定性就越好。

脫鈷深度是影響PDC鉆頭齒熱穩定性的關鍵參數。因此，干磨實驗前需使用X射線測量PDC鉆頭齒的脫鈷深度，如圖13a所示。同時，需利用3D輪廓測量儀測量PDC鉆頭齒的幾何尺寸，如倒角角度、倒角寬度、金剛石層厚度等，如圖13b所示。

圖13 PDC鉆頭齒脫鈷深度及幾何尺寸測量Fig.13 Measurement of cobalt removal depth and geometric dimensions of PDC drill bit cutters

圖14展示了1組典型的VTL干磨實驗結果，其中2號齒的失效切削距離大于1號齒的，這意味著2號齒的熱穩定性優于1號齒的熱穩定性。

圖14 典型的VTL干磨測試結果Fig.14 A typical dry VTL test result

（2）濕磨實驗：是在PDC鉆頭齒切削過程中引入冷卻液，根據實驗目的不同，可選擇冷卻水、水基鉆井液、油基鉆井液等作為冷卻液。濕磨實驗更接近井下的PDC鉆頭齒工作環境，可以消除熱穩定性單一的影響，從而更全面地測試PDC鉆頭齒的耐磨性。

圖15展示了1組典型的濕磨實驗結果。在相同切削參數下，4號齒比3號齒具有更優的耐磨性。PDC鉆頭齒的磨損面積是通過3D輪廓測量儀測量的，如圖16所示。

圖15 典型的VTL濕磨測試結果Fig.15 Typical VTL wet grinding test results

圖16 PDC鉆頭齒的磨損面積測量Fig.16 PDC bit cutter wear area measurement

RAHMANI等[27]對圓形齒和3D齒進行了VTL干磨和濕磨實驗，其實驗裝置和實驗參數基本與圖11的相同。實驗結果表明：改變PDC鉆頭齒的幾何形狀會影響VTL干磨、濕磨的測試結果，但不會改變PDC鉆頭齒本身的耐磨性和熱穩定性，這兩項性能完全取決于PDC鉆頭齒聚晶金剛石層的質量。

PLEMONS等[30]研制了1款新型PDC鉆頭齒，與傳統的1次高溫高壓處理不同，新型復合片經過了2次高溫高壓壓制。新型鉆頭齒的VTL干磨實驗證明，新型PDC鉆頭齒的熱穩定性優于傳統PDC鉆頭齒的。然而，文中并未充分探討2次高溫高壓處理與深度脫鈷處理的優異性，以及2次或多次高溫高壓處理是否能替代傳統的脫鈷處理。

趙東鵬等[31]通過VTL裝置對屋脊齒（也稱“斧形齒”）和同規格的圓形齒進行了耐磨性對比實驗。在相同的20°后傾角條件下，屋脊齒相比圓形齒的耐磨性提高約40%，且切削過程中需施加的載荷更小。然而，該研究并未考慮PDC鉆頭齒幾何形狀（切削齒工作面積）對實驗結果的影響。另外，王濱等[32]利用VTL裝置研究了錐形齒的耐磨性，實驗結果顯示：當錐頂角一定時，其后傾角在12°～17°時，錐形齒的耐磨性最好。

相較于其他切削實驗裝置，VTL實驗裝置具有以下優點：（1）PDC鉆頭齒直接與巖樣接觸，其磨損結果綜合考慮了破巖過程中的沖擊振動；（2）利用現代數控機床聯合計算機系統，可調整的鉆進參數更多，且參數設定更精確；（3）PDC鉆頭齒的行進距離和磨損量大，從而降低了測量誤差；（4）PDC鉆頭齒在VTL上的切削距離和行進軌跡與現場工況更為相符，從而能更真實地反映PDC鉆頭齒在井下的破巖方式。

2.5 高壓單齒破巖實驗裝置

貝克休斯公司的可視化單齒（visual single point cutter，VSPC）實驗系統被廣泛應用于PDC鉆頭齒的實驗研究中，如圖17所示。該系統包括壓力容器、旋轉巖樣工作臺、巖樣、礦物油、帶有20°后傾角的夾具、三向力傳感器和PDC鉆頭齒[33]。獨特的設計使得該實驗裝置能夠模擬實際鉆探中的圍壓環境對巖石塑性特性的影響，進而考察這些因素對PDC鉆頭齒破巖效果的影響。

圖17 VSPC實驗系統[33]Fig.17 VSPC test system[33]

實驗過程中，PDC鉆頭齒與巖樣都被置于充滿礦物油的壓力容器內，通過調節礦物油的壓力，模擬不同的巖石圍壓環境。在軸向載荷或軸向位移控制下，PDC鉆頭齒被壓入巖石，而巖石則在工作臺的驅動下旋轉，同時由PDC鉆頭齒切削。該裝置配備了2個可視窗口，允許在實驗過程中直接觀察PDC鉆頭齒的正面和側面巖屑形成過程，如圖18所示，巖屑的產生過程被高速攝像機詳細記錄下來[34]。這種可視化的設計使得研究者能夠詳細觀察并記錄在圍壓條件下PDC鉆頭齒的破巖過程，為PDC鉆頭齒破巖機理的深入研究提供了有力的實驗條件。

圖18 PDC鉆頭齒的正面和側面巖屑形成過程[34]Fig.18 Formation process of rock debris on the front and side of PDC drill bit cutter[34]

類似的設備還包括塔爾薩大學的高壓單齒破巖實驗裝置，如圖19所示。該裝置能夠設置的參數較為豐富，主要包括：操作參數（如切削深度、孔隙壓力、巖樣圍壓、井眼壓力和旋轉速率）以及切削齒參數（如切削齒的尺寸、后傾角和側傾角）。實驗中使用的加壓流體介質是性質穩定的礦物油[35-37]。

圖19 單齒高壓測試設備[37]Fig.19 Single cutter high-voltage testing equipment[37]

在圖19的具體實驗中，巖樣被固定在試樣夾上，然后PDC鉆頭齒在向下的垂直力作用下，以設定的后傾角和側轉角壓入巖石，再通過驅動裝置旋轉巖石，使得PDC鉆頭齒在巖石表面切削形成槽。PDC鉆頭齒所受的壓力狀態、轉速和刀具位置等參數由傳感器測量，并通過數據采集系統以400 Hz的采樣頻率進行數據采集。

圖19的高壓單齒破巖實驗裝置彌補了VTL實驗裝置無法模擬圍壓環境的缺點，使實驗條件更接近實際鉆探情況。然而，由于需要模擬圍壓環境，也限制了實驗中的巖石試樣尺寸、PDC鉆頭齒的切削軌跡和行進距離，這是相比VTL裝置存在的缺點。

3 PDC單齒靜壓實驗

PDC單齒靜壓實驗根據測試目的不同可分為2種：

（1）PDC單齒靜壓巖石實驗。在這類實驗中，PDC鉆頭齒在靜載荷作用下被壓入巖樣，主要關注的是巖樣的破壞情況。通過觀察并分析巖樣上產生的巖屑、壓入深度等指標，可以表征PDC鉆頭齒對巖石的切削效果；同時，這也反映出巖石對PDC鉆頭齒切削入侵的抵抗能力。

（2）PDC單齒過載實驗，此類實驗的目標是研究PDC鉆頭齒本身的破壞情況。實驗中，高硬度的材料如硬質合金、工具鋼等被用作靶材，通過該實驗可以評估和表征PDC鉆頭齒材料本身的韌性。

這2種實驗方法互為補充，一方面研究了PDC鉆頭齒在切削巖石過程中的效果，另一方面又考察了PDC鉆頭齒材料自身的性能，為改進和優化PDC鉆頭齒設計提供了重要依據。

3.1 PDC單齒靜壓巖石實驗

圖20為單齒靜壓實驗裝置，該裝置主要包括液壓式實驗機、位移傳感器、壓力傳感器、PDC鉆頭齒以及數據采集系統[12]。在裝置中，PDC鉆頭齒通過齒座固定在壓力傳感器上，而壓力傳感器則與液壓式萬能實驗機相連。同時，位移傳感器和壓力傳感器的信號經由應變儀轉化后傳輸至計算機進行數據采集。

圖20 靜壓實驗裝置示意圖[12]Fig.20 Schematic diagram of a static pressure test device[12]

實驗開始前，首先將巖樣放置于實驗機的平臺中心，并適當調節平臺高度，使得齒尖與巖樣的距離約為1 mm，隨后對信號采集系統進行歸零處理。實驗過程中，通過實驗機對巖樣進行逐步加載，使得PDC鉆頭齒逐漸吃入巖石，直到巖樣發生破裂。這一步完成后，立即卸去壓力載荷，保存采集的數據并收集巖屑。

在圖20的實驗裝置上，楊迎新等[12]對平坦的巖石樣本和帶有“巖脊”的巖石樣本進行了錐形齒的單齒靜壓實驗。實驗結果表明：與平坦的巖石樣本相比，巖脊上產生的裂紋更易于向自由面擴展，從而產生側向破碎，巖屑塊大，所需的破碎比功較小。

圖20的實驗裝置具有其獨特的優點，即只在垂直方向向下壓入巖石，因此設備結構簡單、振動小，而且收集巖屑相對方便。然而，由于壓入深度對于實驗結果影響較大，因此該設備對位移傳感器、壓力傳感器、液壓實驗機的最大載荷等的要求較為嚴格。

3.2 PDC單齒過載實驗

PDC單齒過載實驗是將PDC鉆頭齒在預設的角度下，緩慢壓入高硬度的靶材中。在整個壓入過程中，靶材并無水平方向上的移動[27]。逐漸增加對靶材的靜載荷，直到PDC鉆頭齒產生裂紋為止。該實驗的結果能在一定程度上反映PDC鉆頭齒的沖擊韌性。

RAHMANI等[27]對傳統的圓形齒和新型的3D齒進行了過載實驗，實驗結果顯示：與圓形齒相比，3D齒在失效時承受的最大載荷降低了13.6%～17.8%。因而推斷，由于3D齒與靶材的接觸面積相較于圓形齒降低了約16%，因此這2種齒的失效應力應在相同水平。

與動態的落錘沖擊實驗相比，靜態式的PDC單齒過載實驗更有利于分析PDC鉆頭齒的沖擊韌性，并避免脆性材料沖擊實驗的固有離散性。然而，當前的國內外期刊對此類研究的報道較少。另外，此類實驗方法的準確性依賴于裂紋的產生和擴展，但實驗過程中初期裂紋的產生難以捕捉，這限制了該方法的普遍應用。

4 落錘沖擊實驗

落錘沖擊實驗是檢測PDC鉆頭齒抗沖擊性最常用的方法。中國石油大學（北京）的落錘沖擊實驗裝置如圖21所示，主要包括主機架、錘體組件、動力系統、抓脫錘裝置、試樣夾具、安全防護裝置和控制系統等。為了模擬PDC鉆頭齒在實際鉆進過程中所經歷的不同沖擊過程，可以設計特定的沖擊模式，并個性化設定錘頭與PDC鉆頭齒的沖擊接觸關系。

圖21 落錘沖擊實驗裝置Fig.21 Drop hammer impact test device

落錘沖擊實驗并無統一的標準，國際上主要的鉆頭公司都設有自己的測試方法和標準。雖然具體參數各異，但測試原理基本一致。首先，利用可精確控制的提錘裝置將一定質量的錘體提升至預定高度；然后，釋放錘體，使之在重力作用下進行自由落體運動，沖擊試樣的能量由錘頭下表面與試樣上表面間的勢能差決定。

在實驗過程中，將PDC鉆頭齒通過生產工藝焊接到夾具上，如圖22所示，夾具具有預設的傾斜角度。通過控制系統設定一定的能量使錘體下落，模擬該能量下PDC鉆頭齒所受的沖擊；逐漸增加沖擊能量，或在恒定沖擊能量下多次沖擊試樣，直到PDC鉆頭齒達到預定的損壞程度。

圖22 釬焊后的斧形齒Fig.22 Axe shaped cutter after brazing

圖23為斧形齒的落錘沖擊實驗結果。如圖23a所示：當PDC鉆頭齒的聚晶金剛石層表面首次出現微裂紋時，其沖擊能量為6 J。如圖23b所示：當該復合片沖擊損壞面積大于設定閾值時，對應的沖擊能量為38 J。通過比較PDC鉆頭齒在沖擊損壞時的能量等級，可以評估其抗沖擊性能。趙東鵬等[31]在相似的落錘沖擊實驗裝置上，對屋脊齒與同規格圓形齒進行了落錘沖擊實驗，結果表明：在相同的實驗參數下，屋脊齒的抗沖擊性超過圓形齒的。然而，文中未明確指出屋脊齒的夾角、沖擊測試的重復次數等關鍵參數。

圖23 斧形齒的落錘沖擊實驗結果Fig.23 Experimental results of drop hammer impact on axe shaped cutter

落錘沖擊實驗操作簡便，并可迅速評定PDC鉆頭齒的抗沖擊性。然而，由于PDC鉆頭齒的聚晶金剛石層屬于脆性材料，落錘沖擊的實驗結果離散性較大。為確保測試精度，建議對同一批次的PDC鉆頭齒進行大量（超過6次）的重復實驗，并對實驗結果進行可靠性分析。

圖11的VTL裝置也可用于測試PDC鉆頭齒的抗沖擊性。VTL裝置通過計算機語言設定切削過程，能夠模擬旋轉過程中PDC鉆頭齒逐漸吃入巖石的動態過程，從而評估PDC鉆頭齒的抗沖擊性。

5 全尺寸PDC鉆頭實驗

全尺寸PDC鉆頭實驗是在實驗室中模擬井下鉆井環境，利用PDC鉆頭鉆入各類巖石，在不同鉆壓和轉速參數條件下分析PDC鉆頭的鉆進表現（如鉆速、穩定性和井底痕跡等）。全尺寸PDC鉆頭實驗是理論研究與現場實際應用間的重要連接，其為鉆頭的幾何學、動力學和運動學研究，以及巖石的破碎力學研究提供了寶貴的實驗數據支持。此外，此類實驗還可評估PDC鉆頭的性能，為優化鉆頭設計提供科學依據。

圖24展示了中國石油大學（北京）的多功能鉆井模擬實驗裝置[38]。此裝置主要由液壓驅動裝置、液壓源、巖樣及加持裝置、控制臺和泥漿泵等部分構成，適合進行直徑為4～13 英寸（1英寸=2.54 cm)的PDC鉆頭水平鉆進模擬實驗，其最大鉆壓、扭矩和轉速分別為250 kN、10 000 N·m和 160 r/min。該設備配備了完善的實驗數據采集系統，可以實時測量并記錄實驗過程中的鉆壓、扭矩、鉆頭振動偏移量、泵壓、排量、進尺和瞬時機械鉆速等參數。此外，完成實驗后的PDC鉆頭切削軌跡和巖屑也可以用于分析鉆頭的切削效果。該裝置模擬了PDC鉆頭在井下的實際工作環境，可以測試多尺寸定制鉆頭的破巖和井眼清潔性能，為鉆頭的切削結構、水力結構、動平衡和抗沖擊性設計及優化提供依據。

圖24 多功能鉆井模擬實驗裝置[38]Fig.24 Multifunctional drilling simulation device[38]

圖25a展示了用于實驗測試的6英寸4刀翼?13 mmPDC復合片鉆頭；而圖25b則顯示了其實驗結束后，PDC鉆頭在巖樣上留下的切削軌跡。

圖25 PDC鉆頭及其切削軌跡Fig.25 PDC drill bit and its cutting trajectory

圖26展示了3H-650A型全尺寸鉆機示意圖[39]。在鄒德永等[39]進行的實驗中，在此實驗裝置上研究了PDC鉆頭鉆進不同巖性巖石的性能。實驗中采用了人造巖石樣本，主要以水泥為主要材料，制備了3種不同的巖石樣本，分別代表極軟、軟和中硬地層。實驗結果顯示：當使用?19 mm和?16 mm鉆頭齒，且其后傾角為15°左右時，PDC鉆頭的破巖效率最高；隨著布齒密度的增加，破巖效率逐漸降低；尤其是在可鉆性為Ⅲ級以下的巖石樣本中，布齒密度的影響尤其顯著。

圖26 3H-650A型鉆機示意圖[39]Fig.26 Schematic diagram of 3H-650A drilling rig[39]

圖27展示了1款全新的全尺寸鉆頭27 XY-2B鉆機[40]。楊順輝[41]利用這款設備，對含有錐形齒和常規圓形齒的混合布齒鉆頭進行了詳盡的鉆進實驗，這一混合型鉆頭成功融合了牙輪鉆頭和PDC鉆頭的優點。實驗結果發現：當施加的鉆壓超過某一特定閾值時，混合型PDC鉆頭的機械鉆速達到最高，為硬地層的高效鉆進提供了新的思路。

圖27 XY-2B鉆機[40]Fig.27 XY-2B drilling rig[40]

此外，全尺寸PDC鉆頭實驗是一種在實驗室環境中，用以評估鉆頭整體性能的有效方法，能夠對PDC鉆頭鉆進不同巖性巖石的可行性進行實證測試。在這種實驗框架下，研究者可根據不同的鉆壓、轉速、扭矩和排量等參數，觀察并分析PDC鉆頭的鉆進表現。此類觀察和分析數據，對于指導和優化PDC鉆頭的設計至關重要。

6 結語及展望

關于PDC鉆頭齒的相關實驗，根據研究目的可將其大致分為2類：一是針對PDC鉆頭齒的破巖機理進行的研究，二是針對PDC鉆頭齒性能的測試研究。破巖機理的研究主要通過直線切削實驗、旋轉切削實驗、單齒靜壓實驗和全尺寸PDC鉆頭實驗來進行，而性能測試研究主要基于VTL實驗、落錘沖擊實驗、單齒靜壓實驗和全尺寸PDC鉆頭實驗來進行。

（1）直線切削實驗是將PDC鉆頭的旋轉鉆進過程進行線性簡化的一種方法。雖然該實驗設備簡單、操作方便且成本低，但其切削過程短暫且不連續，無法全面完成PDC鉆頭齒的耐磨性和熱穩定性測試。此外，切削距離和切削軌跡與PDC鉆頭齒在井下的實際作業情況有較大差異。

（2）旋轉切削破巖實驗更接近PDC鉆頭的實際鉆井條件。根據切削距離的不同，又可以進一步分為小半徑旋轉切削實驗和長距離連續切削實驗。前者主要用于研究PDC鉆頭齒的破巖機理，而后者（尤其是VTL實驗）可以完成PDC鉆頭齒的長距離（萬米以上）連續切削，主要用于測試PDC鉆頭齒的耐磨性和熱穩定性，且實驗結果與現場反饋較為一致。

（3）PDC單齒靜壓實驗可以細分為PDC單齒靜壓巖石實驗和PDC單齒過載實驗2種。前者主要用于研究PDC鉆頭齒的破巖效率，而后者主要研究PDC鉆頭齒自身的沖擊韌性。

（4）落錘沖擊實驗是評估PDC鉆頭齒抗沖擊性的常用方法，其測試結果對于研究PDC鉆頭在軟硬夾層、含礫石巖層等非均質地層的鉆進以及鉆頭在振動情況下所遭受的沖擊損壞具有重要參考價值。

（5）單齒實驗研究只能為PDC鉆頭齒的個性化設計提供參考，但全尺寸PDC鉆頭實驗能夠模擬預測PDC鉆頭在井下的鉆進效果，也可用于研究異形齒幾何參數、鉆頭切削結構、鉆頭水力結構、釬焊工藝等因素對PDC鉆頭性能的影響。雖然全尺寸鉆頭實驗裝置和實驗流程相對復雜，且完全復制其井下工況具有一定的挑戰，但對于指導PDC鉆頭的實際應用具有很大的參考價值。

雖然國內外各大PDC鉆頭齒生產商大部分使用立式轉塔車床和落錘沖擊實驗機測試其耐磨性和抗沖擊性，然而卻存在著對于具體測試參數、巖性、尺寸、沖擊靶材以及沖擊方法的差異。這種缺乏統一性的情況導致各個廠商的測試數據庫無法相互通用，從而在行業內形成了一定的隔閡。因此，建立一套統一的測試參數標準，逐步形成共識，將會極大地減少資源浪費，促進整個領域的協同發展。

同時，目前在異形齒評價方法方面仍然存在一定的挑戰。針對異形齒的特性認識尚不充分，大部分研究還停留在經驗層面。為了更好地理解和評估異形齒的性能，制定一套系統的異形齒評價方法顯得尤為重要。這不僅可以提供更科學的性能評估手段，也能夠為異形齒的設計、生產和應用提供更加可靠的依據。