強(qiáng)研磨性硬巖PDC鉆頭 磨損機(jī)理及磨損分布規(guī)律研究

王 濱，李 軍，鄒德永，楊宏偉，黃 濤

(1.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

0 引 言

常規(guī)PDC鉆頭在鉆進(jìn)火成巖(玄武巖、花崗巖等)這類強(qiáng)研磨性硬巖時，磨損情況復(fù)雜，失效形式多樣，破巖效率和使用壽命嚴(yán)重降低。為拓寬PDC鉆頭適用范圍，國內(nèi)外學(xué)者在新型PDC齒研發(fā)、鉆頭個性化設(shè)計、優(yōu)化布齒方式等方面做了大量的工作[1-14]，但在PDC鉆頭微觀磨損機(jī)理及磨損分布規(guī)律等方面的研究仍存在不足，一定程度上制約了PDC鉆頭結(jié)構(gòu)的有效優(yōu)化及綜合性能的快速提升。針對該問題，對火成巖中PDC鉆頭磨損形式、磨損機(jī)理和磨損分布規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并提出了鉆頭優(yōu)化建議。

1 火成巖PDC鉆頭磨損形式與機(jī)理研究

采用ST-500A電子顯微鏡對青海、華北等油田火成巖地層中使用的25支PDC鉆頭切削齒磨損情況進(jìn)行觀測研究。鉆進(jìn)火成巖時PDC齒磨損形式復(fù)雜多樣，根據(jù)磨損機(jī)理可分為2種：PDC齒磨料磨損和PDC齒沖擊損壞。

1.1 PDC齒磨料磨損

磨料磨損主要發(fā)生在使磨粒不斷碎化的工件表面上，鉆進(jìn)強(qiáng)研磨性硬巖時，PDC齒發(fā)生磨料磨損的表現(xiàn)形式可分為3種：磨料研磨磨損、磨料沖擊磨損和磨料射流磨損。

(1) 磨料研磨磨損。磨料研磨磨損主要發(fā)生在PDC齒的WC層(硬質(zhì)合金層)上。PDC切削齒切削巖石時，產(chǎn)生巖屑、石英及聚晶金剛石顆粒等磨料粒子，WC層的硬度比磨料粒子硬度低，表面會受到這些粒子不同方向的磨蝕作用，形成犁溝(主犁溝和發(fā)散犁溝)，犁溝的兩側(cè)伴隨有硬質(zhì)合金的塑性變形堆積。巖屑等磨料顆粒在磨削WC層同時，也被WC層不斷壓碎，接觸應(yīng)力不斷增加，逐漸像一個“硬核”一樣“鑲嵌”于WC層中，脫落后則在其表面留下多個凹坑，最終使得WC層表面高低不平。

(2) 磨料沖擊磨損。磨料沖擊磨損主要發(fā)生在PDC齒的PCD層(聚晶金剛石層)上。切削齒PCD層相對于巖屑、石英等磨料粒子硬度更高，當(dāng)磨料粒子在PCD層表面相對運(yùn)動時，磨料粒子對其磨蝕作用并不明顯，但會在PCD層表面誘發(fā)彈塑性裂紋。這主要是由于磨料粒子對PCD層產(chǎn)生的沖擊載荷會以彈性波的形式由表層向心部傳播，當(dāng)遇到界面后發(fā)生反彈，彈性波每往返一次，PCD層中的聚晶金剛石顆粒就受到一次壓縮及拉伸作用，且重復(fù)頻率越高，破壞性越強(qiáng)，最終誘發(fā)疲勞裂紋并導(dǎo)致切削齒崩碎。

(3) 磨料射流磨損。磨料射流磨損主要發(fā)生在PDC齒的WC層上。鉆進(jìn)強(qiáng)研磨性硬巖時，鉆頭會被含有強(qiáng)研磨性顆粒(巖屑、石英等)的流體所包裹，形成“砂包”[14]，這些研磨性顆粒也會以不同角度高速沖擊切削齒PCD層和WC層，由于PCD層硬度大，研磨顆粒對其主要以磨料沖擊磨損為主，而WC層由于硬度小，塑性更強(qiáng)，研磨顆粒會直接嵌入其中，形成一個深度較深、邊緣平整的凹坑，小角度入射的巖屑粒子則在撞擊后反彈回液流中，在硬質(zhì)合金表面只留下較淺、較小的擦痕，擦痕周圍無明顯硬質(zhì)合金的塑性變形。

1.2 PDC齒沖擊損壞

PDC鉆頭冠部切削齒均會發(fā)生不同程度的沖擊損壞，主要表現(xiàn)為切削齒的沖擊斷裂、PCD層碎裂及PCD層與WC層脫層。

(1) 沖擊斷裂。PDC齒沖擊斷裂是鉆頭在非理想狀態(tài)下破巖時的最常見的損壞方式。PDC切削齒發(fā)生沖擊斷裂時的磨損端面和磨料磨損時的端面有所不同(圖1)，磨料磨損時，WC層在巖石切削方向上會出現(xiàn)平行且光滑的劃痕及犁溝，PCD層則有輕微的碎裂出現(xiàn)(圖1a)；沖擊斷裂時，WC層出現(xiàn)平行巖石切削方向的劃痕及犁溝的同時，還會出現(xiàn)與巖石切削方向垂直的鋸齒狀斷裂溝槽，PCD層出現(xiàn)大面積的片狀或塊狀剝離，表面高低不平(圖1b，圖中藍(lán)色箭頭表示巖石切削方向，黃色虛線表示溝槽走向)。

PDC齒沖擊斷裂的發(fā)生機(jī)理為：當(dāng)切削齒開始切削火成巖時，最先與巖石發(fā)生點(diǎn)-線接觸，單位面積沖擊力較大，PDC齒很快出現(xiàn)刃口；隨著刃口的出現(xiàn)，WC層也開始接觸巖石，由于PCD層的強(qiáng)度大，且有WC層作緩沖，其抵抗正向沖擊(扭轉(zhuǎn)沖擊)的能力優(yōu)于抵抗切向沖擊(縱向沖擊)的能力，因此，PCD層首先發(fā)生平行于齒面方向的剪切裂紋，并逐漸形成大面積片狀剝離；PCD層發(fā)生片狀剝離后，其厚度變薄，抵抗正向沖擊的能力減弱，對WC層的保護(hù)作用下降，一方面巖石中的石英、燧石等硬質(zhì)顆粒在扭轉(zhuǎn)沖擊力作用下可直接擊穿較薄的PCD層表面，在WC層表面形成平行于巖石切削方向的溝槽，另一方面WC層也開始在較強(qiáng)的縱向沖擊剪切作用下發(fā)生斷裂，形成垂直于巖石切削方向的鋸齒狀斷裂溝槽；WC層的斷裂缺失反過來又減弱了PCD層抵抗沖擊的能力，最終二者相互促進(jìn)，形成PDC切削齒的大規(guī)模沖擊斷裂。

圖1 PDC切削齒發(fā)生磨料磨損和沖擊斷裂時的磨損端面

(2) PCD層碎裂。PCD層碎裂如圖2紅圈所示，主要表現(xiàn)為PCD層表面在垂直于巖石切削方向上出現(xiàn)片狀剝落，和切削齒斷裂時相比，剝落面積更小，且剝落端面比較平整，高低起伏不大，有一個“斷崖”狀的終止端。PCD層碎裂發(fā)生的機(jī)理為：PDC齒在硬巖中吃入深度較小(小于1 mm)，鉆頭易進(jìn)入渦動狀態(tài)[15]，發(fā)生反向切削巖石，此時PCD層所受到的扭轉(zhuǎn)沖擊不能通過WC層進(jìn)行緩沖分散，而是在其內(nèi)部形成拉壓應(yīng)力循環(huán)變化，最終誘發(fā)疲勞裂紋，此時聚晶金剛石會以“斷崖”終止端線為旋轉(zhuǎn)軸從PCD母體上分離出去，形成PCD層的碎裂。

圖2 PDC齒PCD層碎裂

(3) PCD層與WC層脫層。當(dāng)PCD層與WC層的黏結(jié)遭到破壞時會發(fā)生二者脫層分離的現(xiàn)象(圖3)。PCD層與WC層分離的機(jī)理[16-17]為：鉆頭以磨削方式破碎巖石時，摩擦?xí)赑DC齒與巖石的接觸部位產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，致使切削齒產(chǎn)生熱龜裂，鉆井液沖刷冷卻后，由于PCD層與WC層彈性模量相差較大，二者收縮不同步，出現(xiàn)較大的殘余應(yīng)力，加速裂紋擴(kuò)展，冷熱交替作用使得金剛石極易從WC層基體上脫落，加速鉆頭失效。同時，由于兩者的彈性模量不匹配，沖擊頻率有所不同， PCD層受到的沖擊不能完全由WC層吸收，當(dāng)鉆遇硬地層時，也易促使裂紋的形成，加速PCD層與WC層的分離。

圖3 PDC齒PCD層與WC層脫層

2 PDC鉆頭磨損分布規(guī)律研究

為更深入研究火成巖地層中PDC鉆頭磨損情況，采用ST-500A電子顯微鏡和V2.2C測量軟件對PDC齒磨料磨損高度和沖擊損壞分布規(guī)律進(jìn)行研究。

2.1 PDC鉆頭磨料磨損高度分布規(guī)律

應(yīng)用V2.2C拍照測量軟件繪制PDC鉆頭切削齒磨料磨損高度隨鉆頭冠部無因次半徑的變化曲線(圖4)。由圖4可知：鉆進(jìn)火成巖時，鉆頭冠頂、外錐處切削齒磨料磨損高度最大，說明這些部位主要通過研磨作用進(jìn)行破巖，承擔(dān)主要破巖任務(wù)；內(nèi)錐處切削齒磨料磨損高度最小，這主要是由于內(nèi)錐部位切削齒旋轉(zhuǎn)半徑小，線速度低，破巖效率也相對較低；鉆頭保徑處附近切削齒磨料磨損高度較小，但由于保徑附近的切削齒往往進(jìn)行了預(yù)切齒處理，即使較小的磨損高度依然對應(yīng)較大的磨損體積，說明保徑齒在破碎強(qiáng)研磨性硬巖過程中與井壁摩擦作用強(qiáng)烈，容易產(chǎn)生負(fù)面作用。

圖4 PDC鉆頭切削齒磨料磨損高度隨鉆頭冠部無因次半徑變化曲線

2.2 PDC鉆頭沖擊損壞分布規(guī)律

PDC鉆頭切削齒沖擊損壞分布規(guī)律如圖5所示。由圖5可知：①鉆進(jìn)強(qiáng)研磨性硬巖時，鉆頭冠頂、外錐處切削齒全部發(fā)生沖擊損壞且損壞情況最為嚴(yán)重，主要為PCD層碎裂，同時伴隨有切削齒的斷裂和PCD層與WC層的分離，說明鉆頭冠頂及外錐切削齒承受了巖石大部分沖擊，如橫向、縱向和扭轉(zhuǎn)沖擊等，破巖條件最為苛刻，單純靠PDC切削齒已經(jīng)無法有效地完成破巖任務(wù)。②PCD層碎裂從鉆頭內(nèi)錐到保徑齒均有出現(xiàn)，且隨著半徑的增大出現(xiàn)次數(shù)越來越多，說明鉆頭在鉆進(jìn)過程中一直存在渦動現(xiàn)象。因此，降低鉆頭渦動應(yīng)作為強(qiáng)研磨性硬巖PDC鉆頭改進(jìn)的一個重要方面。③鉆頭中心處個別PDC齒出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，說明此處切削齒由于線速度較小，剪切破巖效率較低，主要是通過沖擊壓碎作用破碎井眼中部巖石。④保徑處一些PDC齒發(fā)生嚴(yán)重的切削齒斷裂以及PCD層和WC層分離現(xiàn)象，說明保徑齒在鉆進(jìn)過程中與井壁產(chǎn)生了強(qiáng)烈的相互碰撞，同時，強(qiáng)烈的磨料射流作用也會磨蝕切削齒WC層，并最終使得PCD層失去WC層的保護(hù)而斷裂。

圖5 PDC鉆頭切削齒沖擊損壞分布規(guī)律散點(diǎn)圖

3 PDC鉆頭優(yōu)化建議

為提升PDC鉆頭在強(qiáng)研磨性硬巖中的綜合性能，基于PDC鉆頭磨損機(jī)理以及磨料磨損高度和沖擊損壞分布規(guī)律的研究，提出如下建議。

(1) 改進(jìn)切削齒性能。鉆進(jìn)強(qiáng)研磨性硬巖需從粉末混拌工藝、熱壓參數(shù)優(yōu)選、PCD層與WC層界面優(yōu)化[2]、齒形優(yōu)化等方面對PDC齒性能進(jìn)行改進(jìn)。

(2) 優(yōu)化鉆頭水力結(jié)構(gòu)。鉆進(jìn)強(qiáng)研磨性硬巖時PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)需進(jìn)行強(qiáng)化，增布水眼數(shù)目，做到一個刀翼至少配置一個水眼，同時還應(yīng)對水眼的直徑、布置角度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以保證充分清潔井底的同時輔助破巖[3]。

(3) 增布輔助切削齒。鉆進(jìn)強(qiáng)研磨性硬巖時單純靠PDC切削齒本身不能有效滿足高效破巖的要求，需增布加強(qiáng)齒進(jìn)行輔助破巖，如金剛石孕鑲塊、錐形及斧形PDC齒等[4-6]。

(4) 提升鉆頭穩(wěn)定性。強(qiáng)研磨性硬巖中，提升PDC鉆頭穩(wěn)定性十分重要，如采用多級力平衡布齒方式，讓所有切削齒的合力中心盡量和鉆頭中心重合，降低鉆頭受到的側(cè)向力[10]；采用非均勻布置刀翼法[8]，打破鉆頭發(fā)生渦動時的固有頻率。

(5) 提高鉆頭對巖石的適應(yīng)性。當(dāng)?shù)貙臃蔷|(zhì)性較強(qiáng)、巖石強(qiáng)度變化較大時，鉆頭發(fā)生沖擊損壞的概率大幅增加，需在PDC齒后排布置“控深結(jié)構(gòu)”，并通過參數(shù)優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)鉆頭對不同性質(zhì)巖石的“等深吃入”，從而最終達(dá)到PDC鉆頭適應(yīng)多種地層的目的[4，9]。

(6) 提高鉆頭破碎巖心柱能力。鉆頭中心布齒空間小，PDC齒切削弧長較大，切削線速度低，導(dǎo)致中心巖柱不能被快速破碎而降低鉆頭破巖效率。因此，應(yīng)對PDC鉆頭中心布齒類型及參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，如：減小中心PDC齒直徑，優(yōu)化布齒參數(shù)，改用錐形PDC齒沖擊壓碎巖心柱，中心布置高壓射流噴嘴輔助破巖等[10-12]。

(7) 強(qiáng)化保徑結(jié)構(gòu)[13-14]。為抑制PDC鉆頭與井壁巖石強(qiáng)烈摩擦產(chǎn)生縮徑及“砂包”沖蝕磨損，進(jìn)而降低渦動及掉齒事故發(fā)生的概率，需對鉆頭的保徑齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，可采用“主動保徑+低摩擦保徑塊被動保徑”的加強(qiáng)型保徑設(shè)計，低摩擦保徑塊可采用孕鑲金剛石的設(shè)計方法，通過優(yōu)選金剛石粒度增強(qiáng)“打滑”特性。

4 結(jié) 論

(1) 火成巖地層中PDC切削齒的失效形式主要為磨料磨損和沖擊損壞。磨料磨損包括磨料研磨磨損、磨料沖擊磨損和磨料射流磨損；沖擊損壞包括切削齒斷裂、PCD層碎裂、PCD層與WC層分離。

(2) 鉆頭冠頂和外錐處絕大部分PDC齒磨損高度大且沖擊損壞嚴(yán)重，并未充分進(jìn)行剪切破巖。保徑齒主要發(fā)生斷裂及PCD層和WC層分離。設(shè)計適用于火成巖的PDC鉆頭時，應(yīng)重點(diǎn)從提高切削齒性能、冠頂及外錐增布輔助齒、提升鉆頭穩(wěn)定性、加強(qiáng)保徑等角度進(jìn)行優(yōu)化。