地質勘探鉆頭失效機理研究

黃奕芳

廣州地質勘察基礎工程公司 廣東廣州 510075

地質勘探鉆頭失效機理研究

黃奕芳

廣州地質勘察基礎工程公司 廣東廣州 510075

隨著我國石油等資源勘探工作的不斷深入，我國地質勘探環境也越來越惡劣，鉆頭失效情況越來越多。本文介紹了地質勘探鉆頭失效的形式，分析了鉆頭失效的主要機理，旨在促進地質勘探工作的進一步發展。

失效形式；失效機理；鉆頭本體；硬質合金齒

目前地質勘探鉆頭沖擊破巖主要是利用鉆頭軸向沖擊和鉆頭回轉刮削兩種作用，這兩種作用造成鉆頭不僅要承受高頻的沖擊應力，還要承受巖石的剪切反力，受力情況極為復雜。另外在實際工程工作中，地質勘探工作環境惡劣，鉆頭失效情況十分嚴重，已經影響到了地質勘探工作的效率，因此研究地質勘探鉆頭失效機理具有極其重要的意義。

一、地質勘探鉆頭失效形式

地質勘探鉆頭失效部位主要是勘探鉆頭本體以及鉆頭硬質合金齒。地質勘探鉆頭本體失效是指鉆頭花鍵和鉆頭沖擊端面失效，花鍵失效主要形式是花鍵側面塑性變形之后受壓剝落，而鉆頭沖擊端面主要失效形式是斷面金屬沖擊疲勞。鉆頭硬質合金齒失效形式主要是合金齒磨損、斷裂以及脫落等。

二、地質勘探鉆頭本體失效機理分析

（一）勘探鉆頭花鍵部位失效機理。鉆頭花鍵是鉆頭沖擊巖石進行地質勘探的軌道，將鉆頭與沖擊器連接成一個整體。對鉆頭工作時的花鍵進行受力分析，可知花鍵側面在鉆頭沖擊過程中既會受到由于變化的剪切反力造成的脈動壓應力，還會受到脈動壓應力帶來的摩擦等，容易造成花鍵失效。通常來說鉆頭花鍵失效主要有兩方面原因，第一鉆頭花鍵本身的硬度較低，通常花鍵材料與鉆頭母體材料形同，但在脈動壓應力下花鍵側面容易產生塑性變形；第二鉆頭花鍵配合間隙不均勻，花鍵與沖擊器之間需要保持一定的間隙配合才能保證鉆頭正常的往復運動，但由于金屬加工、運輸以及安裝等原因，鉆頭花鍵齒與沖擊器之間的配合間隙不夠均勻，花間配合間隙大小不一，若是花鍵配合間隙過于小，則此配合花鍵齒上應力過于集中，容易導致花鍵失效，若是花間配合間隙過大，則花鍵在鉆頭回轉時將受到很大的沖擊應力從而產生塑性變形。

（二）鉆頭沖擊端面部位失效機理。在實際工程中，鉆頭沖擊端面部位失效主要是端面受活塞撞擊導致金屬沖擊疲勞。由于活塞與鉆頭沖擊端面不能全面接觸，其作用力方向不一定與鉆頭軸線重合，在大量的沖擊作用下必然會產生偏心撞擊，使沖擊端面產生塑性變形。在沖擊端面多次塑性變形后端面會出現裂紋，裂紋向內傾斜，并由內部折向沖擊表面，這樣裂紋上部分的材料脫落形成麻點，大量的麻點形成麻坑，麻坑進一步擴展造成部分淺層脫落，脫落部位被活塞沖擊打平，再次產生裂紋，如此反復，直到沖擊端面脫落達到2毫米以上時，活塞已經不能夠有效傳遞能量，鉆頭沖擊端面失效。另外若在沖擊端面產生塑性變形后，活塞多次沖擊作用在沖擊端面上，可能會使裂紋源出現在端面最大切應力處，進一步沖擊使得裂紋擴展到表面形成凹坑，裂紋垂直于端面時會造成大塊深層脫落，裂紋平行于端面時則出現端面淺層脫落，這兩種情況都會造成沖擊端面失效。

三、勘探鉆頭硬質合金齒失效機理分析

（一）硬質合金齒的磨損研究。地質勘探鉆頭一方面利用沖擊回轉力破碎巖石，在這個過程中會出現合金齒與巖石之間的兩體磨粒磨損，另一方面依靠高壓氣流排出巖石巖屑，這時會出現合金齒與巖石、巖屑之間的三體磨粒磨損。在實際工作過程中可以將硬質合金齒的磨損分為四類，一是兩體磨損時出現的合金齒表面刮削磨損，當高速旋轉的合金齒遇到巖石尖銳的棱角時，合金齒圓弧處將受到非常高的壓應力，表面出現壓痕或者是脆斷，當脆斷后的合金齒表面與巖石大角度相遇時則容易出現刮削磨損；二是高應力碾碎磨粒磨損，在鉆頭破碎巖石時，若是硬質合金齒與磨粒之間的最大壓應力超過了磨粒的極限破壞強度，則會將磨粒不斷碾碎，在接觸點處產生集中壓應力，該壓應力反復作用使硬質合金齒出現疲勞破壞，也即出現高應力粘碾碎磨損；三是磨粒在硬質合金齒表面滑滾進而出現推擠、碾壓等磨損；最后一種是三體磨粒磨損時高壓氣流排出巖石巖屑的沖刷磨損，這種磨損不易發現，需要在特殊的合金齒表面形貌下才能發現。

（二）硬質合金齒斷裂研究。在實際工程中，硬質合金齒斷裂進而導致合金齒失效主要有三種：第一種是沖擊剝落，根據相關理論介紹，在應力沖擊波通過硬質合金齒傳遞給巖石時，將出現反射波，反射波會以拉應力波的形式返回到鉆頭處，若是巖石與合金齒接觸不良，拉應力波將加大，合金齒抗拉強度比抗彎強度低很多，再加上合金齒兩側面受到很大的巖石剪切應力，因此硬質合金齒中存在著不平衡的應力場，并且在該應力場作用下，硬質合金齒顆粒將會形成微孔，微孔不斷長大聚合就會形成微裂紋，微裂紋不斷增加則會出現大面積的合金齒斷裂，在宏觀上看來就是硬質合金齒表面出現很多剝落坑以及由很多剝落坑連接形成的溝槽。第二種是沖擊疲勞，在大量變化的沖擊壓力作用下，金屬表面會產生疲勞裂紋，而疲勞裂紋不斷增長會導致合金齒局部剝落。第三種則是沖擊熱疲勞，當鉆頭沖擊回轉時，巖石和合金齒之間摩擦將產生沖擊熱，進而導致硬質合金齒出現沖擊熱疲勞，這種熱疲勞要在足夠的熱應力和大量磨損平面使裂紋充分發展才能夠看到。

（三）硬質合金齒脫落研究。一般來說，硬質合金齒脫落齒數大概占到所有齒數的20%，大多發生在鉆頭邊緣部分，其發生原因主要有：首先是鉆頭本體磨損，這是造成邊緣部分脫齒的重要原因，在鉆頭工作時，鉆桿振動導致鉆頭偏心旋轉，進而造成鉆頭某一位置瞬時應力很大，使得鉆頭本體部位磨損，暴露出合金齒的齒根部位。其次是合金齒的松動問題，地質勘探鉆頭本體材料硬度比較小，在沖擊載荷的不斷作用下，合金齒與鉆頭本體之間可能會產生間隙，尤其是邊緣齒松動更加嚴重，其齒孔可能會出現塑性流動、點蝕以及周邊疲勞裂紋。另外還有高壓氣流攜帶的巖屑等固氣混合流體對鉆頭的沖蝕作用，不斷地磨損鉆頭本體和硬質合金齒和活塞沖擊產生的入射波對合金齒拉伸作用等。

四、總結

總而言之，在地質勘探中鉆頭主要失效部位是鉆頭本體和硬質合金齒，因此要想提高地質勘探鉆頭的使用壽命，就要做好鉆頭花鍵和沖擊端面的保護工作，減少硬質合金齒的磨損問題，延長鉆頭使用時間，促進地質勘探工作的發展。

［1］張富曉.PDC鉆頭切削齒失效分析與耐磨抗沖擊性能試驗研究［D］.西南石油大學，2014.