張紹和，謝曉紅，方海江，李智峰

(1. 中南大學(xué) 地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 中南大學(xué) 教育部有色金屬成礦預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083；3. 河南四方達(dá)超硬材料股份有限公司，河南 鄭州，450016)

PDC鉆頭出露量和線速度對(duì)復(fù)合片磨損規(guī)律的影響

張紹和1,2，謝曉紅1，方海江3，李智峰1

(1. 中南大學(xué) 地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 中南大學(xué) 教育部有色金屬成礦預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083；3. 河南四方達(dá)超硬材料股份有限公司，河南 鄭州，450016)

針對(duì)如何減小復(fù)合片鉆頭在鉆進(jìn)巖層時(shí)復(fù)合片的磨損，在理論分析的基礎(chǔ)上，利用復(fù)合片在立車(chē)車(chē)床上磨削巖樣的方法模擬PDC鉆頭切削巖石，據(jù)PDC鉆頭的出露量和線速度對(duì)復(fù)合片磨損規(guī)律的影響進(jìn)行研究。根據(jù)有關(guān)磨損理論，提出以復(fù)合片的絕對(duì)磨損作為切削具磨損的衡量指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)設(shè)定5組不同的出露量以及5組不同線速度，并在正壓力和摩擦路程不變的情況下，分別測(cè)得復(fù)合片的體積磨耗。研究結(jié)果表明：不同斜鑲角的切削齒都存在一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的最佳出露量，如斜鑲角為15°的復(fù)合片鉆頭，其切削齒的最佳出露量為2 mm，出露量太大或太小都會(huì)使復(fù)合片體積磨耗增大；其次，復(fù)合片的體積磨耗在鉆進(jìn)時(shí)與線速度呈正比。

PDC鉆頭；出露量；線速度；磨損規(guī)律

20世紀(jì)80年代，人們研制出一種以人造聚晶金剛石為切削齒的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭(Polycrystalline diamond compact bit, 簡(jiǎn)稱PDC鉆頭)。該鉆頭能顯著提高鉆井效率，而且使用壽命長(zhǎng)，已得到廣泛應(yīng)用[1?3]。PDC鉆頭是依靠焊接在鉆頭體上的復(fù)合片切削齒切削?剪切破碎地層的。根據(jù)巖石的研磨性，在用機(jī)械方法破碎巖石的過(guò)程中，巖石與鉆頭之間產(chǎn)生連續(xù)或間斷接觸和摩擦。鉆頭在破碎巖石的同時(shí)，其自身也受到巖石的磨損而逐漸變鈍。復(fù)合片的磨損增加了鉆頭的消耗，降低了巖石破碎的效率，增加了提鉆和下鉆作業(yè)時(shí)間，致使鉆井效率大大降低[4]。如何減小復(fù)合片磨損，國(guó)內(nèi)外研究者從PDC鉆頭剖面形狀、后傾角、切削齒尺寸以及布齒密度這4方面進(jìn)行研究。然而，人們對(duì)將切削角與出露量相結(jié)合以及改變線速度的研究很少。在此，本文作者在理論分析的基礎(chǔ)上，采用復(fù)合片在車(chē)床上磨損碎巖方式模擬 PDC鉆頭切削巖石的方法，通過(guò)改變出露量及線速度，進(jìn)一步對(duì)復(fù)合片的磨損規(guī)律進(jìn)行探討，以便對(duì)復(fù)合片鉆頭的使用和改進(jìn)提供有效的理論依據(jù)。研究復(fù)合片的磨損問(wèn)題常用的有2類(lèi)衡量指標(biāo)：一是絕對(duì)磨損，即沿復(fù)合片高度的磨損，也稱總磨損；二是相對(duì)磨損，包括單位時(shí)間的磨損和單位進(jìn)尺的磨損[5]。

1 試驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

立車(chē)實(shí)驗(yàn)需要的實(shí)驗(yàn)器材包括車(chē)削具、車(chē)削對(duì)象、測(cè)量工具以及變速器。車(chē)削具有復(fù)合片、卡具、立式車(chē)床、水泵。車(chē)削對(duì)象為自制混凝土。測(cè)量工具有掃描數(shù)字顯微鏡、高度劃線尺和機(jī)械制圖軟件Pro/E。

1.1.1 復(fù)合片的選定及其性能

實(shí)驗(yàn)選擇的復(fù)合片型號(hào)為MT1304VN(MT系列煤田及礦山用金剛石復(fù)合片)，其耐磨性好，磨耗比高，能有效地提高鉆頭壽命和切削速度，主要用于加強(qiáng)型錨桿鉆頭、取芯鉆頭和無(wú)芯鉆頭等大鉆頭，適用于較硬的地層[6]。MT1304VN應(yīng)用較廣泛，具有代表性。

1.1.2 巖樣的制備及其性能

實(shí)驗(yàn)中，用于車(chē)削的巖樣[7]是用52.5級(jí)水泥、細(xì)砂、中砂、粗砂和水制成的混凝土空心圓柱，模型規(guī)格(內(nèi)徑×外徑×高)為500 mm×1 600 mm×500 mm。制成后在常溫下養(yǎng)護(hù)7 d，于28 d后方可投入使用。硬度中等，可鉆性7級(jí)。

1.1.3 卡具的設(shè)計(jì)

為了避免在焊接復(fù)合片過(guò)程中，由于釬劑的流動(dòng)性致使復(fù)合片的角度和出露量出現(xiàn)偏差，將卡具設(shè)計(jì)成與底座成同一整體，即在焊接復(fù)合片的位置做一凹槽，每個(gè)凹槽的角度和出露量是固定的。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

(1) 實(shí)驗(yàn)中切削齒斜鑲角為15°，側(cè)偏角為0°。

(2) 實(shí)驗(yàn)中切削齒出露量分別為1.58，2.00，2.40，3.00和3.34 mm。

(3) 實(shí)驗(yàn)中切削齒線速度分別為175.49，184.74，193.96，203.20 和 212.43 m/min。

(4) 假設(shè)復(fù)合片的宏觀斷口比較平整，且對(duì)稱性較好。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

要準(zhǔn)確比較不同參數(shù)對(duì)復(fù)合片磨損規(guī)律的影響，要求嚴(yán)格控制立車(chē)實(shí)驗(yàn)的參數(shù)及變量。實(shí)驗(yàn)在如圖 1所示的立車(chē)臺(tái)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：復(fù)合片680 ℃焊接，按斜鑲角 15°固定在卡具上，用高度劃線尺測(cè)量其出露量，車(chē)削范圍是從內(nèi)徑500 mm到外徑1 600 mm，主軸轉(zhuǎn)速為53.3 r/min(可通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)改變平均線速度)，每轉(zhuǎn)進(jìn)刀量為2.81 mm，縱向進(jìn)刀量是每次 0.6 mm，車(chē)削材料是自制混凝土，車(chē)削路程長(zhǎng)為12.89 km。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch of rock cutting test

實(shí)驗(yàn)的操作流程如下。

(1) 復(fù)合片焊接到卡具凹槽內(nèi)。將復(fù)合片燒至溫度為680 ℃，且焊接溫度必須小于700 ℃[8](通過(guò)紅外測(cè)溫儀測(cè)量)，焊接時(shí)使用銀焊條，氣焊(乙炔焰)。

(2) 用高度劃線尺測(cè)量出露量，并記錄。

(3) 石塊安裝到轉(zhuǎn)盤(pán)上。

(4) 將焊上了復(fù)合片的卡具固定在車(chē)床刀架上，加冷卻水，并進(jìn)行相對(duì)位置的調(diào)整及扶正。

(5) 在操作臺(tái)，通過(guò)按鈕手動(dòng)控制其進(jìn)刀量 0.6 mm。通過(guò)變速器設(shè)置線速度，啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)。

(6) 在車(chē)削過(guò)程中，每車(chē)削一層進(jìn)刀0.6 mm，共車(chē)削20層。刀架的徑向進(jìn)刀速度為150 mm/min。

(7) 車(chē)削完成后，取下復(fù)合片，用掃描數(shù)字顯微鏡測(cè)量復(fù)合片的磨損高度(如圖2所示)。然后，通過(guò)機(jī)械軟件Pro/E測(cè)量復(fù)合片的絕對(duì)磨損體積(以下簡(jiǎn)稱體積磨耗)，這樣，測(cè)得的結(jié)果較準(zhǔn)確。由于每次車(chē)削的巖石體積相同，所以，通過(guò)復(fù)合片體積磨耗的變化規(guī)律反映其碎巖性能，也是科學(xué)的、合理的。

圖2 復(fù)合片絕對(duì)磨損體積示意圖Fig.2 Wear volume of PDC

2 結(jié)果與討論

2.1 切削齒出露量對(duì)復(fù)合片體積磨耗的影響

復(fù)合片切削地層的示意圖見(jiàn)圖 3。出露量直接影響著鉆進(jìn)時(shí)切削齒切入巖石的深度(切入量)和鉆頭唇面與孔底巖面的間隙。也就是說(shuō)，影響著機(jī)械鉆速和鉆頭的單位磨耗2個(gè)重要的鉆進(jìn)指標(biāo)，也影響著冷卻和清粉的條件。

圖3 復(fù)合片切削地層的示意圖Fig.3 Sketch of PDC cutting stratum

對(duì)一致軟和一致硬的地層很容易選擇切削齒的出露量和斜鑲角。然而，松軟地層中出現(xiàn)硬夾層或硬研磨地層是很常見(jiàn)的，因此，設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)，應(yīng)該把切削齒的出露量和斜鑲角度變化相結(jié)合，以最佳組合提高鉆頭鉆進(jìn)變異地層的機(jī)械鉆速，并延長(zhǎng)其使用壽命[9]。以斜鑲角為 15°的切削具為例，改變出露量所得的體積磨耗如圖4所示。

圖4 PDC鉆頭的切削齒出露量和體積磨耗關(guān)系圖Fig.4 Relationship between height of protrusion and wear volume of PDC bit’s cutter

從圖 4可以看出：斜鑲角為 15°的復(fù)合片鉆頭，其切削齒的最佳出露量為2 mm。

出露量太大或太小都會(huì)使復(fù)合片體積磨耗增大。一方面，出露量太小，不利于清粉，鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的巖屑對(duì)復(fù)合片進(jìn)行第2次研磨，使復(fù)合片體積磨耗增大；另一方面，出露量過(guò)大，切入深度容易大于潤(rùn)濕層深度，復(fù)合片進(jìn)行干磨，摩擦因數(shù)增大，體積磨耗也就增大；從受力的角度分析，若出露量過(guò)大，其受到的扭矩也大，復(fù)合片容易發(fā)生崩裂[10]。

復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)地層時(shí)，巖層表面在壓力作用下出現(xiàn)微裂紋，形成預(yù)破碎層。鉆孔中的水通過(guò)微裂紋滲入到巖石內(nèi)部一定深度，形成潤(rùn)濕層。潤(rùn)濕層深度(H)取決于水的滲透速度以及鉆頭水口在水滲入處的停留時(shí)間。

鉆頭切削齒的切入深度(h)一方面受鉆壓的影響，另一方面受出露量的影響。當(dāng)切入深度不同時(shí)，出現(xiàn)以下2種情況：

(1) 當(dāng)h＜H時(shí)，鉆進(jìn)正常，鉆頭和巖石之間的摩擦為濕摩擦，摩擦因數(shù)小，且冷卻效果好；

(2) 當(dāng)h＞H時(shí)，深度超出臨界值，切深超過(guò)潤(rùn)濕層深度，鉆頭和巖石之間的摩擦屬于干摩擦，摩擦因數(shù)大，且冷卻效果也不好。

可見(jiàn)：出露量對(duì)復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)時(shí)的磨損有一定的影響。所以，在生產(chǎn)鉆頭時(shí)，使用最佳出露量這一參數(shù)對(duì)于優(yōu)化鉆頭性能具有重要意義。

2.2 切削齒平均線速度對(duì)復(fù)合片體積磨耗的影響

李樹(shù)勝等[11]認(rèn)為，鉆頭轉(zhuǎn)速對(duì)切削齒的磨損也有影響。高轉(zhuǎn)速有利于避免出現(xiàn)切削齒瞬時(shí)反轉(zhuǎn)，減少鉆頭中心區(qū)域切削齒的損壞，但同時(shí)會(huì)提高切削齒的運(yùn)動(dòng)速度，增加鉆頭外部切削齒損壞的可能性。反之，低轉(zhuǎn)速有利于保護(hù)鉆頭外部的切削齒。因此，選擇適當(dāng)?shù)你@頭轉(zhuǎn)速，在一定程度上可以減少切削齒的損壞，通常鉆頭的效率和壽命都可以得到很大提高。以斜鑲角為 15°的切削具磨損實(shí)驗(yàn)為例，改變線速度所得的體積磨耗如圖5所示。

圖5 PDC鉆頭平均線速度與體積磨耗的關(guān)系Fig.5 Relationship between PDC bit’s average linear velocity and wear volume

從圖5可以看出：復(fù)合片的體積磨耗和線速度基本上呈線性關(guān)系，線速度越大，復(fù)合片的體積磨耗也越大。

根據(jù)熱效應(yīng)原理[12]，由于線速度增加，復(fù)合片的溫度上升快。聚晶金剛石復(fù)合片的熱穩(wěn)定性較差，當(dāng)溫度超過(guò)700 ℃時(shí)，由于復(fù)合片中不同物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)不同，引起的內(nèi)應(yīng)力會(huì)使復(fù)合片破碎；在700 ℃以下時(shí)，隨著溫度的升高，復(fù)合片的體積磨耗上升速度很快[13]。

從現(xiàn)代摩擦理論可知：當(dāng)復(fù)合片和巖層作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，兩者的表面產(chǎn)生摩擦。復(fù)合片和巖層滑動(dòng)摩擦?xí)r，所做的功A為：

式中：p為基礎(chǔ)面上的正壓力，N/m2；F為接觸面積，m2；v為滑動(dòng)速度，m/s；t為摩擦?xí)r間，s；μ為動(dòng)摩擦因數(shù)。復(fù)合片的體積磨耗V與摩擦功成正比，V=δA(此處δ為體積磨耗系數(shù)，cm3/(N·m))，即：

從式(1)可以看出：影響復(fù)合片磨損的各種因素有摩擦力、摩擦速度和摩擦?xí)r間等。摩擦力決定于動(dòng)摩擦因數(shù)和正壓力；而動(dòng)摩擦因數(shù)本身又與巖石性質(zhì)、巖石表面粗糙程度、摩擦面溫度、滑移速度、摩擦產(chǎn)物的清除情況、參與摩擦的介質(zhì)等有密切關(guān)系[14]。

動(dòng)摩擦因數(shù)在研究范圍內(nèi)(滑動(dòng)速度為1～3 m/s，壓力為100～800 N)不是常數(shù)，它隨壓力和滑動(dòng)速度的增加而增加，體積磨耗也隨之增大[15]，即復(fù)合片的體積磨耗與線速度呈正比例線性關(guān)系。根據(jù)這一規(guī)律，在實(shí)際鉆探中，結(jié)合鉆探效率，適當(dāng)?shù)乜刂坪镁€速度，可以有效地延長(zhǎng)鉆頭壽命，節(jié)約鉆探成本。

3 結(jié)論

(1) 復(fù)合片鉆頭切削齒的出露量影響復(fù)合片的磨損，出露量太大或太小都會(huì)導(dǎo)致體積磨耗大。因此，不同斜鑲角的切削齒都應(yīng)設(shè)計(jì)與之匹配的最佳出露量，可以有效減小復(fù)合片切削時(shí)的體積磨耗，延長(zhǎng)使用壽命。斜鑲角為 15°的切削具應(yīng)用范圍比較廣，建議出露量設(shè)計(jì)為2 mm。

(2) 復(fù)合片的體積磨耗可以通過(guò)公式V=δμpFvt確定，即切削具的體積磨耗與線速度呈線性關(guān)系：線速度越大，體積磨耗越大。在此理論基礎(chǔ)之上，結(jié)合實(shí)際鉆進(jìn)情況，找出最優(yōu)線速度，能有效延長(zhǎng)鉆頭壽命，增大鉆進(jìn)效率。

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(編輯 陳燦華)

PDC abrasion rule affected by height of protrusion and linear velocity

ZHANG Shao-he1,2, XIE Xiao-hong1, FANG Hai-jiang3, LI Zhi-feng1

(1. School of Geology and Environmental Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Key Laboratory of Non-ferrous Metal Ore Forecast, Ministry of Education, Central South University,Changsha 410083, China;3. Sifangda Diamond Co. Ltd., Zhengzhou 450016, China)

In order to decrease the PDC’s abrasion, PDC (Polycrystalline diamond compact bit) was used to abrade rock in the lathe as PDC bit cutting rock based on the academic analysis. By the experiment, the effect on PDC abrasion rule where the height of protrusion and linear velocity were made was researched. According to the theory about abrasion, the absolute abrasion was used as weighing standard for PDC abrasion. Under the same stress, the same rub distance, five different groups of height of protrusion and five different groups of linear velocity, PDC abrasion volume was measured respectively. The results indicate that different cutting angles are suitable to different heights of protrusion. For example,the optimal protrusion height of PDC bit with cutting angles of 15° is 2 mm, and to the oversize or the small size, the height of protrusion both make the abrasion volume increase. Secondly, the PDC abrasion volume and the linear velocity are in direct proportion during drilling.

PDC bit; height of protrusion; linear velocity; abrasion rule

TG749

A

1672?7207(2010)06?2173?05

2010?01?18；

2010?04?15

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(07JJ6089)

張紹和(1967?)，男，湖北鄂州人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事超硬材料與制品、地質(zhì)工程等教學(xué)和科研工作；電話：13975157151；E-mail: zhangshaohe@163.com