鉆頭磨損機(jī)理及改進(jìn)技術(shù)研究

嚴(yán)博宇

（大慶鉆探工程公司鉆井四公司，吉林 松原 138000）

旋轉(zhuǎn)鉆井是勘探開發(fā)石油天然氣的最常用技術(shù)，旋轉(zhuǎn)鉆井主要使用的鉆頭是牙輪鉆頭和聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭[1]。牙輪鉆頭通常有一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)錐體，每個(gè)錐體在鉆井過(guò)程中都圍繞自己的軸旋轉(zhuǎn)，而PDC鉆頭的刀頭是固定的，沒(méi)有移動(dòng)部件，跟隨鉆柱的鉆壓和旋轉(zhuǎn)而鉆進(jìn)。鉆頭的磨損是造成鉆井成本增加的主要因素之一，因此可以通過(guò)有效控制和減小鉆頭磨損來(lái)節(jié)約鉆井施工成本。本文首先研究了鉆頭的磨損分析方法，闡明了鉆頭的磨損機(jī)制，以便更好的了解牙輪鉆頭和PDC 鉆頭的失效模式，以期達(dá)到提高鉆頭抗磨性、節(jié)約鉆井時(shí)間和鉆井成本的目的。

1 鉆頭磨損機(jī)理分析

多年來(lái)，石油行業(yè)的科研人員一直通過(guò)不斷的科學(xué)研究和技術(shù)探索來(lái)滿足安全高效鉆探油氣資源的需要。其中一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容就是通過(guò)優(yōu)化鉆頭性能來(lái)最大程度地提高鉆井效率并降低相關(guān)的鉆井成本[2-3]。其中重要的技術(shù)手段之一就是通過(guò)使用最佳的材料和設(shè)計(jì)方法來(lái)改進(jìn)鉆頭的制造工藝。由于石油鉆井行業(yè)中最常使用的鉆頭是牙輪鉆頭和PDC 鉆頭，因此大部分研究都是圍繞著這兩種鉆頭開展的。

牙輪鉆頭誕生至今已經(jīng)有一百多年的歷史了，其制造和設(shè)計(jì)過(guò)程也經(jīng)歷了一系列進(jìn)步。第一只牙輪鉆頭是1908 年制造的，由兩個(gè)錐形銑齒鉆頭組成并采用了金剛石增強(qiáng)材料以及改進(jìn)的軸承和密封件。PDC鉆頭自1970 年被發(fā)明后，其制造技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。目前牙輪鉆頭和PDC 鉆頭廣泛用于鉆孔作業(yè)，具體使用條件取決于所鉆巖層和所需達(dá)到的鉆井目的。

1.1 牙輪鉆頭的磨損機(jī)理

鉆頭磨損被定義為材料的宏觀或微觀缺失及斷裂。Mouritz 和Hutchings 研究了牙輪鉆頭齒所使用材料的磨損率，以及這些材料的磨損機(jī)制。牙輪鉆頭的齒通常為三層構(gòu)造，外層由WC-Co堆焊層組成，第二層由高碳馬氏體鋼制成，第三層是由低碳馬氏體鋼構(gòu)成的齒芯。用鉆頭齒所使用的材料制成小圓柱形作為待測(cè)樣品，使用砂巖等抗磨蝕性巖石和石灰?guī)r等非磨蝕性巖石模擬石油鉆探中最常見(jiàn)的巖層[4-5]。

1.1.1 磨損測(cè)試

將材料試樣在砂巖和石灰?guī)r盤上研磨，總時(shí)間為300s。通過(guò)對(duì)質(zhì)量損失進(jìn)行測(cè)量得知，砂巖試樣上牙輪鉆頭切削齒材料的磨損率是石灰石試樣140 倍。金屬樣品的硬度順序?yàn)椋旱吞间摚几咛间摚糤C-Co 合金。材料的磨損率取決于其硬度（Hm）與磨料硬度（Ha）之比。當(dāng)（Ha/Hm)＜1時(shí)，意味著磨料不易劃傷材料，磨損率極低。然而，當(dāng)(Ha/Hm)＞1.2時(shí)，磨料更能劃傷材料，會(huì)導(dǎo)致高磨損率。測(cè)試中使用的三種材料中低碳鋼的硬度值為460HV、高碳鋼為700HV、WC-Co 合金為1320HV。砂巖的主要成分石英的硬度值為1100HV、巖石碎片為950HV、長(zhǎng)石為875HV，均是較為堅(jiān)硬的物質(zhì)，而石灰?guī)r主要由方解石組成，其硬度為110HV，小于試樣的硬度。試樣對(duì)石灰石的磨損試驗(yàn)表明，其耐磨性隨硬度增加而增加。因此，在鉆遇砂巖地層時(shí)，牙輪鉆頭齒外層的WC-Co 合金由于硬度高而磨損緩慢，但當(dāng)該層損壞后，齒將面臨嚴(yán)重的磨損。

1.1.2 劃痕測(cè)試

該測(cè)試旨在模擬硬質(zhì)礦物顆粒在鉆頭上滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磨損情況。該測(cè)試是在拋光的鉆頭材料上滑動(dòng)鋒利的金剛石觸針來(lái)進(jìn)行的。攻角（θc）定義為測(cè)針切割面與試樣表面之間的夾角，在磨損過(guò)程中選擇不同攻角。本次實(shí)驗(yàn)選擇的攻角范圍為6°～86°。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）檢查樣品的劃痕表面。用金剛石觸針對(duì)低碳鋼和高碳鋼試樣進(jìn)行劃痕。在微銑中，材料被移到磨損槽的側(cè)面，并且材料不會(huì)從表面上去除，而在切削過(guò)程中，在槽的末端會(huì)形成切屑，并且材料會(huì)從表面上去除。結(jié)果表明，當(dāng)θc＜36°進(jìn)行劃痕試驗(yàn)時(shí)，銑的過(guò)程占主導(dǎo)地位，而當(dāng)36°≤θc≤86°時(shí)，銑和切削過(guò)程都發(fā)生。86°以上的磨損主要是由切削引起的。Osburn的研究結(jié)果證明巖石硬度對(duì)碳化鎢鉆頭的磨損有強(qiáng)烈影響，在高溫下磨損更為嚴(yán)重（熱磨損），導(dǎo)致鉆頭熱疲勞，因此在牙輪鉆頭制造過(guò)程中，WC晶粒必須具有完美的結(jié)構(gòu)，以便獲得最大的抗斷裂性。牙輪鉆頭的主要失效模式如下：沖擊壓裂、熱疲勞、磨損和由于過(guò)載引起的機(jī)械疲勞。

1.2 PDC鉆頭的磨損機(jī)理

相對(duì)而言，PDC 鉆頭比傳統(tǒng)牙輪鉆頭的工作效率更高。在正常鉆進(jìn)條件下，PDC 鉆頭50%以上的鉆進(jìn)能量被刀具磨損所消耗。因此，為了更好地提高鉆頭效率，應(yīng)對(duì)鉆頭與巖石之間的相互磨損作用進(jìn)行深入研究。Dunn 認(rèn)為PDC 鉆頭失效的主要原因是由于燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力誘發(fā)裂紋，并在整個(gè)金剛石臺(tái)面和基材中傳播。PDC 鉆頭通常會(huì)遇到如下問(wèn)題：①金剛石層碎裂；②螺柱斷裂；③磨粒磨損；④液壓性能差；⑤清潔效率不足；⑤在鉆頭上施加大鉆壓時(shí)鉆頭的偏離；⑥由于碳化鎢螺柱的粘合不良而劃傷刀具的復(fù)合層；⑦熱失效。PDC 鉆頭的主要失效原因是由于摩擦熱和巖石的高磨蝕性。根據(jù)磨損機(jī)制的類型可將PDC 鉆頭劃分為四種主要失效模式：平滑磨損、微碎裂、嚴(yán)重破裂（剝落）和分層。其中平滑磨損主要發(fā)生于由于機(jī)械和熱負(fù)荷而被拋光的單個(gè)金剛石晶體，該類型的磨損相對(duì)較輕，因?yàn)槟p并不嚴(yán)重。沿PDC 刀具或刀片的金剛石臺(tái)面邊緣發(fā)生微碎裂的主要原因是熱疲勞、機(jī)械疲勞和鉆頭切削力的作用。嚴(yán)重破裂（剝落）是導(dǎo)致PDC 刀具損壞并縮短鉆頭壽命的最嚴(yán)重故障類型，這種故障通常發(fā)生在高硬度的地層中，由鉆頭與井筒底部的沖擊載荷造成；金剛石和WC層的分層主要是因?yàn)閮蓚€(gè)層之間熱膨脹系數(shù)的不匹配。根據(jù)所產(chǎn)生裂縫的尺寸、形狀、大小和分布，可以將壓裂分為四類：微壓裂、中壓裂、大壓裂和極限壓裂。在微壓裂中，裂縫非常薄，只有幾微米的厚度。對(duì)于這一類別，裂縫與金剛石臺(tái)面平行，并且單個(gè)裂縫平面的寬度和長(zhǎng)度不超過(guò)3mm。在中壓裂，裂縫的厚度大于0.1mm，長(zhǎng)度和寬度約為5mm和8mm，裂縫平行于金剛石臺(tái)面，不延伸到WC基體。在大壓裂（剝落）中，裂縫很厚并延伸到WC 層中，長(zhǎng)度約為8mm，寬度可達(dá)12mm，這種類型的故障很嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致金剛石臺(tái)面的大部分損失。極限壓裂是最有害的，將剝落一半以上的金剛石臺(tái)面和大部分WC層。PDC刀具故障的主要類別為：①金剛石和基體層界面附近的分層；②金剛石和臺(tái)面基體的塑性變形；③切割邊緣的崩刃；④金剛石臺(tái)面崩刃和金剛石晶粒的脫落；⑤磨粒磨損；⑥熱疲勞。

1.2.1 PDC鉆頭的測(cè)試

通過(guò)對(duì)PDC 鉆頭進(jìn)行不同工況下的測(cè)試，以評(píng)估它們?cè)趶?fù)雜的鉆井條件下的性能和適用性。測(cè)試分為破壞性測(cè)試和非破壞性測(cè)試。

1.2.1.1 破壞性測(cè)試

在破壞性測(cè)試中，鉆頭的刀具將被破壞，無(wú)法重復(fù)使用。該測(cè)試的目的是通過(guò)模擬真實(shí)的井下條件，來(lái)評(píng)估刀具在這些條件下的性能。破壞性測(cè)試又可分為磨損測(cè)試和沖擊測(cè)試。

磨損測(cè)試是指刀具在巖石上的耐磨損能力，耐磨性主要取決于巖石中礦物質(zhì)的硬度。通常使用花崗巖或硬砂巖等高磨蝕性巖石作為測(cè)試對(duì)象。磨損試驗(yàn)在立式轉(zhuǎn)塔車床（VTL）上開展。刀具被固定在VTL 上，巖石樣品放置在刀具下方。刀具以一定深度（通常小于1mm）處壓入巖樣，巖樣以固定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并以螺旋模式從巖石外圓周橫向移動(dòng)到軸心。使用計(jì)算機(jī)程序來(lái)控制VTL 的滑動(dòng)速度。在干式VTL 測(cè)試中，刀具沒(méi)有冷卻介質(zhì)，因此大部分摩擦熱進(jìn)入刀具，加速了金剛石向石墨的轉(zhuǎn)變過(guò)程。該測(cè)試可以評(píng)估PDC刀具在高溫下的穩(wěn)定性以及刀具的耐磨性。由于鈷的存在，PDC刀具的金剛石層在接近700℃時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為石墨，當(dāng)溫度升高時(shí)，金剛石向石墨的轉(zhuǎn)變會(huì)加速。濕式VTL測(cè)試（使用空氣或水）可以評(píng)估刀具在中等溫度下的使用壽命。在這種情況下，發(fā)生的磨損主要取決于巖石的磨蝕性，并可以通過(guò)刀具的重量損失來(lái)衡量其磨損情況。VTL測(cè)試的另一個(gè)目標(biāo)是研究金剛石顆粒在與花崗巖或硬砂巖等硬質(zhì)巖樣摩擦?xí)r對(duì)其微碎裂和氣泡的抵抗力。

沖擊測(cè)試是測(cè)試刀具從給定高度并在15°～25°變化的傾斜角下受到的沖擊情況。在20～100J 的沖擊能量下測(cè)試的22 個(gè)刀具的結(jié)果顯示：只有6 個(gè)刀具在測(cè)試中沒(méi)有受到損害，為0%散裂，其余刀具均有60%～80%散裂，平均整體散裂度為68%。而在鉆井領(lǐng)域，刀具可接受的散裂強(qiáng)度需要低于30%。因此，沖擊測(cè)試可用于評(píng)估刀具的質(zhì)量。

1.2.1.2 半破壞性測(cè)試

研究人員開展了WC-Co陶瓷和金剛石等材料的微米和納米壓痕測(cè)試以及微米和納米劃痕測(cè)試，用以測(cè)量刀具的硬度和楊氏模量，上述測(cè)試對(duì)于測(cè)量PDC 刀具的機(jī)械性能和揭示PDC 刀具的主要磨損機(jī)制至關(guān)重要。

Ndlovu等人對(duì)嵌入鈷中的不同碳化鎢進(jìn)行了微米和納米壓痕測(cè)試，用以測(cè)量WC-Co的機(jī)械性能，并將獲得的結(jié)果與晶粒微觀結(jié)構(gòu)的影響聯(lián)系起來(lái)。在微劃痕測(cè)試中研究了硬質(zhì)合金的磨損，并發(fā)現(xiàn)WC晶粒尺寸越小，劃痕寬度和深度越小；因此較細(xì)的WC 晶粒具有更好的抗劃傷性。

Xie研究了不同類型WC-Co陶瓷的抗磨性能，通過(guò)使用微劃痕測(cè)試來(lái)監(jiān)測(cè)此類材料的塑性變形和失效，并將磨損特性與基于材料損失測(cè)量的多種材料相關(guān)聯(lián)。

Sawa對(duì)天然金剛石壓痕進(jìn)行了楊氏模量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)獲得的曲線顯示出高度的彈性恢復(fù)，測(cè)試用天然金剛石的楊氏模量為1090～1217GPa。

Abbas 研究了不同品牌PDC 刀具的磨損情況。使用微米和納米劃痕設(shè)備對(duì)樣品進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，微米和納米劃痕測(cè)試結(jié)果主要取決于測(cè)試材料的幾何形狀，因此可以獲得可量化的磨損情況。此外，納米劃痕測(cè)試還可以顯示測(cè)試后的失效階段。

1.2.2 非破壞性測(cè)試

非破壞性測(cè)試主要用來(lái)檢查刀具內(nèi)部的空隙和缺陷，特別是金剛石與碳化物界面處的問(wèn)題。非破壞性測(cè)試中最常使用的技術(shù)是顯微測(cè)試和CT 掃描。CT 掃描是使用0.2～800MHz 的超聲波來(lái)檢測(cè)金剛石臺(tái)面中的分層和空隙，即可以檢測(cè)到小缺陷，也可以確定它們的大小和位置。聲發(fā)射韌性測(cè)試(AETT)可用于定量評(píng)估PDC刀具在高壓和高溫(HPHT)燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的金剛石—金剛石晶粒之間的沖擊強(qiáng)度。

2 改進(jìn)牙輪鉆頭和PDC鉆頭的新方法

2.1 增強(qiáng)性刀片

Sneddon 介紹了一種新的復(fù)合過(guò)渡層(CTL)技術(shù)可以改善PDC鉆頭的耐磨性。該技術(shù)生產(chǎn)的刀具的過(guò)渡層由相互結(jié)合的PDC片和燒結(jié)的WC-Co顆粒組成。刀具的外層完全是PDC，然后逐漸增加WC-Co的用量，內(nèi)層由100%的WC-Co 組成。復(fù)合PDC-WC-Co 層的制造使刀具呈圓形或彎曲形狀，比傳統(tǒng)刀具具有更高的抗沖擊性。

2.2 金剛石增強(qiáng)刀片

科布等人研發(fā)了金剛石增強(qiáng)刀片(DEI)技術(shù)，其刀片由復(fù)合聚晶金剛石制成，主要用于牙輪鉆頭。該技術(shù)已開展了多次商業(yè)化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，使用金剛石增強(qiáng)刀片可減輕惡劣鉆井條件下的鉆頭磨損。

3 結(jié)論

（1）磨蝕磨損是牙輪鉆頭發(fā)生的主要磨損類型。對(duì)花崗巖或硬砂巖等堅(jiān)硬地層進(jìn)行磨削是牙輪鉆頭磨損的主要原因。

（2）PDC 鉆頭最常見(jiàn)的磨損類型是磨損和沖擊。當(dāng)PDC 鉆頭在高溫環(huán)境中鉆進(jìn)時(shí)，熱降解會(huì)引起磨粒磨損，導(dǎo)致金剛石轉(zhuǎn)化為石墨（石墨化）。

（3）使用先進(jìn)的鉆頭刀具測(cè)試儀器，可以更好地了解牙輪鉆頭和PDC鉆頭在各種鉆孔條件下的耐用性。