張富曉，黃志強(qiáng)，周　已

（西南石油大學(xué)a．化學(xué)化工學(xué)院；b．機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）①

PDC 鉆頭切削齒失效分析

張富曉a，黃志強(qiáng)b，周已b

（西南石油大學(xué)a．化學(xué)化工學(xué)院；b．機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）①

對(duì)PDC鉆頭失效切削齒進(jìn)行宏、微觀形貌觀察，研究其失效原因和失效機(jī)理，并提出相應(yīng)改善措施。結(jié)果表明：PDC鉆頭切削齒的主要失效形式為齒的斷裂、磨損和脫落；切削齒失效的主要原因是由于沖擊刮削破巖對(duì)切削齒造成的損傷和切削齒材料本身的性能較差、兩相結(jié)合強(qiáng)度不高?？蓮牟牧吓浞?、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造等方面進(jìn)行改進(jìn)。

PDC鉆頭；切削齒；失效分析

基于PDC鉆頭破巖效率高、鉆速快、進(jìn)尺多、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其在石油鉆井工業(yè)中發(fā)揮著重要作用，估計(jì)占全部鉆井進(jìn)尺的80%以上［1］。70%以上的PDC鉆頭失效是因PDC切削齒損壞而造成的［2-3］。聚晶金剛石復(fù)合片（Polycrystalline Dimond Compact簡(jiǎn)稱PDC）作為PDC鉆頭切削齒，是最主要的切削單元，其性能在很大程度上決定了PDC鉆頭的鉆進(jìn)效果和使用壽命［4］。因此，有必要對(duì)PDC切削齒開(kāi)展失效分析，研究其失效原因、失效機(jī)理以及影響因素；為進(jìn)一步提高PDC切削齒的耐磨性、抗沖擊韌性等綜合性能提供參考。

聚晶金剛石復(fù)合片是由金剛石微粉（0．5～2．5 mm）與WC-Co硬質(zhì)合金底層（5～20 mm）在高溫、超高壓（1 300～1 500℃，5～7 GPa）條件下燒結(jié)而成的一種復(fù)合超硬晶體材料［5］，如圖1所示。

圖1　PDC鉆頭切削齒

1　失效鉆頭的選取與工況分析

對(duì)油田現(xiàn)場(chǎng)收集的失效鉆頭進(jìn)行失效部位取樣和統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)國(guó)際IADC鉆頭磨損分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)［6］，如圖2～5所示。結(jié)果表明：PDC鉆頭的失效形式主要表現(xiàn)為切削齒的磨損和斷裂，并伴有少量的金剛石層脫落和掉齒現(xiàn)象。磨損主要發(fā)生在冠頂部位的切削齒上，斷裂和脫落主要發(fā)生在冠部邊緣的切削齒上。

圖2　切削齒磨損

圖3　切削齒斷裂

圖4　崩齒

圖5　PDC鉆頭切削齒不同失效形式

2　失效的主要形式及機(jī)理

2．1 齒的斷裂

切削齒的斷裂通常發(fā)生在冠部最大直徑的外側(cè)切削齒上，因?yàn)樵摬课磺邢鼾X直接接觸巖石，受到的沖擊最大。切削齒的斷裂會(huì)導(dǎo)致其余切削齒受力不均，加速鉆頭失效，是一種危害較嚴(yán)重的失效形式。

2．1．1 沖擊剝落

PDC切削齒的剝落是由于受到交變的切向沖擊壓縮和法向拉伸應(yīng)力作用，達(dá)到一定程度后，萌生裂紋形成微碎片，最終導(dǎo)致PDC金剛石層和硬質(zhì)合金層的破碎和局部剝落，如圖6所示。在鉆進(jìn)硬地層時(shí)，粘滑振動(dòng)使鉆頭受不規(guī)則的較大瞬間沖擊，在短時(shí)間內(nèi)承受超負(fù)荷而導(dǎo)致切削齒發(fā)生剝落、折斷甚至碎裂［7］。

圖6　PDC切削齒沖擊剝落形貌

金剛石層的沖擊剝落主要表現(xiàn)為金剛石片近似地沿切削方向形成微尺度的片狀剝落，多個(gè)大小不一的片狀剝落坑聯(lián)通形成金剛石層大面積的沖擊剝落。較大的沖擊力使材料剝落表面產(chǎn)生不均勻的局部滑移，隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，滑移帶不斷加寬，當(dāng)加寬至一定程度時(shí)，由于位錯(cuò)的塞積和交錯(cuò)，便會(huì)出現(xiàn)擠出脊和侵入溝，于是此處就產(chǎn)生應(yīng)力集中，再經(jīng)過(guò)一定循環(huán)后產(chǎn)生顯微裂紋［8］，裂紋一般起源于金剛石剝落斷口面上，繼而向縱深發(fā)展導(dǎo)致新的微片狀剝落，如圖7所示。

圖7　PDC 切削齒金剛石層沖擊剝落SEM 形貌

硬質(zhì)合金層沖擊剝落微觀形貌主要表現(xiàn)為粘結(jié)相塑性變形和WC顆粒的去除和破碎，微裂紋為沿晶界和晶內(nèi)延伸的沿晶和穿晶斷裂的混合型［9］。受到?jīng)_擊后，粘結(jié)相Co與WC硬質(zhì)顆粒之間產(chǎn)生位錯(cuò)，引起應(yīng)力集中，同時(shí)在高應(yīng)變條件下因塑性變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生脫粘；這種脫粘造成晶體顆粒之間發(fā)生空位進(jìn)而形成孔隙，它們相互連接形成微裂紋，沿晶內(nèi)發(fā)展形成穿晶斷裂。但當(dāng)晶界處的應(yīng)力集中得不到松弛，應(yīng)力峰值超過(guò)晶界強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生晶界開(kāi)裂，如圖8～9所示。由圖9可以看到裂紋邊緣有凸起的WC顆粒以及顆粒被磨粒研磨圓滑、晶粒分布不均勻、孔隙和孔洞等特征，說(shuō)明裂紋主要是沿強(qiáng)度較低的粘結(jié)相Co擴(kuò)展，而凸起的WC顆粒將由于失去粘結(jié)相的有效支撐而剝落。從裂紋萌生來(lái)看，凡使晶界強(qiáng)化、凈化和細(xì)化晶粒的因素，均能抑制晶界裂紋形成，提高材料強(qiáng)度?？赏ㄟ^(guò)在硬質(zhì)合金中添加晶粒長(zhǎng)大抑制劑、稀土添加劑和過(guò)渡金屬元素等措施來(lái)細(xì)化晶粒、凈化晶界，達(dá)到提高硬質(zhì)合金斷裂韌性的目的。

圖8　DC切削齒硬質(zhì)合金層沖擊剝落形貌

圖9　PDC切削齒硬質(zhì)合金層沖擊剝落SEM　形貌

2．1．2 沖擊疲勞

沖擊疲勞常常在鉆頭工作一定時(shí)間之后發(fā)生。PDC鉆頭工作時(shí)承受機(jī)械疲勞與冷熱交變的共同作用，因累積損傷而產(chǎn)生疲勞裂紋，繼而擴(kuò)展導(dǎo)致疲勞斷裂，如圖10所示。

圖10　PDC切削齒沖擊疲勞形貌

沖擊疲勞斷裂是一種典型的斷裂形式，其典型斷口特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽或條帶，如圖11所示。根據(jù)斷口典型特點(diǎn)可將疲勞斷裂分為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。圖中疲勞源區(qū)光亮平滑，因?yàn)檫@里在整個(gè)裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展過(guò)程中斷面不斷摩擦擠壓，且因加工硬化表面硬度也有所提高。疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地，常和缺口、裂紋、蝕坑等缺陷相連，這里的應(yīng)力集中會(huì)引發(fā)疲勞裂紋［10］。

圖11　PDC切削齒沖擊疲勞斷口SEM　形貌

疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域，其典型特征是斷口比較光滑并分布有貝紋線。光滑斷口是疲勞源區(qū)域的延續(xù)，但其程度隨裂紋向前擴(kuò)展逐漸減弱。貝紋線是疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的最大特征，一般認(rèn)為它是由載荷變動(dòng)引起的，在鉆井過(guò)程中隨著巖石的不斷破碎切削齒的受力情況也在不斷變化。

瞬斷區(qū)是裂紋最后失穩(wěn)快速擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域。在裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段，隨著應(yīng)力不斷循環(huán)，裂紋尺寸不斷長(zhǎng)大，當(dāng)裂紋尖端的應(yīng)力集中達(dá)到硬質(zhì)合金的斷裂強(qiáng)度時(shí)，則發(fā)生瞬時(shí)斷裂。

在鉆進(jìn)過(guò)程中適當(dāng)選取鉆井參數(shù)，控制沖擊功和沖擊頻率的大小，減輕粘滑振動(dòng)對(duì)切削齒的沖擊疲勞；改變切削齒形狀和切削齒結(jié)合界面形狀來(lái)改善切削齒的力學(xué)性能；添加納米材料優(yōu)化切削齒的材料配方，提高PDC切削齒的抗沖擊能力和斷裂韌性，都是防止PDC切削齒出現(xiàn)過(guò)早疲勞失效的有效辦法。

2．1．3 崩齒

在沖擊作用下，切削齒內(nèi)部相鄰的孔洞相連形成微裂紋且不斷擴(kuò)展和分叉，在剪切力作用下極易發(fā)生大面積整體斷裂，即崩齒，是PDC切削齒斷裂最嚴(yán)重的一種失效形式，如圖12所示。通常，微裂紋在發(fā)展過(guò)程中會(huì)形成一條或若干條主裂紋，沿著主裂紋的延伸出現(xiàn)許多分支裂紋。在外力作用下，分支裂紋不斷地?cái)U(kuò)展延伸變粗變深。若裂紋延伸至切削齒兩相結(jié)合界面，則會(huì)影響金剛石層和硬質(zhì)合金層之間的粘結(jié)性能，出現(xiàn)金剛石層崩裂剝落現(xiàn)象；若裂紋出現(xiàn)在硬質(zhì)合金齒柱側(cè)面或者齒根部位，加上齒根部承受剪切作用大，則易導(dǎo)致切削齒的整體斷裂。崩齒產(chǎn)生的碎齒滯留在井底，在鉆進(jìn)時(shí)就會(huì)對(duì)新齒產(chǎn)生破壞。同時(shí)在操作過(guò)程中出現(xiàn)頓鉆、溜鉆等送鉆不均勻時(shí)，整個(gè)鉆壓就加到先與地層接觸的切削齒上，導(dǎo)致這些切削齒受載過(guò)大發(fā)生碎裂或折斷。因此，提高切削齒本身內(nèi)部質(zhì)量；保持穩(wěn)定的鉆壓鉆速；及時(shí)打撈井底碎齒和雜物等，均是減小切削齒發(fā)生折斷或碎裂的有利措施。

圖12　PDC切削齒崩齒斷口形貌

2．2 齒的磨損

磨損是切削齒最常見(jiàn)的一種失效形式，占切削齒失效的50%左右。鉆頭在鉆壓和轉(zhuǎn)矩的作用下以剪切的方式切削巖層，切削齒直接與地層作用，產(chǎn)生磨損大大降低破巖效率，當(dāng)切削齒磨損嚴(yán)重時(shí)，就會(huì)開(kāi)始磨損鉆頭刀翼和胎體部分，造成整個(gè)PDC鉆頭的損壞直至報(bào)廢。

2．2．1 磨料磨損

磨料磨損發(fā)生于使磨粒不斷碎化的零件表面上。切削破巖時(shí)，磨粒夾在PDC切削齒和巖石的兩個(gè)接觸面中，當(dāng)最大接觸應(yīng)力超過(guò)磨粒的抗壓強(qiáng)度極限，延性組分發(fā)生塑性變形及疲勞，硬組分碾碎破裂，對(duì)切削齒表面產(chǎn)生磨損。切削齒的磨損主要集中冠頂部位的切削齒上，金剛石層和硬質(zhì)合金基托均在摩擦過(guò)程中形成磨損平面，如圖13～16所示。

圖13　PDC切削齒磨損示意

圖14　PDC切削齒磨粒磨損表面形貌

圖15　硬質(zhì)合金層磨粒磨損

圖16　金剛石層磨粒磨損

切削開(kāi)始時(shí)，鉆頭突然受到高速轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的沖擊，且進(jìn)齒時(shí)擠入巖石也需要較大的作用力，此時(shí)切削齒更多地是受到?jīng)_擊力的作用，隨后切削齒逐漸進(jìn)入穩(wěn)定的磨損階段。當(dāng)金剛石層刃口出現(xiàn)磨損后，切削齒與巖石之間的接觸方式由線接觸變?yōu)槊娼佑|。這樣就使得切削齒與巖石的摩擦力加大，導(dǎo)致切削力逐漸增大，可以認(rèn)為這個(gè)階段更多的是磨削作用。磨削過(guò)程中，由于硬質(zhì)合金硬度低于金剛石，從圖14中可看出率先遭磨損的是硬質(zhì)合金基托，這樣臨近硬質(zhì)合金基托的金剛石就失去了硬質(zhì)合金的有效支撐，形成金剛石“唇”邊。不斷切削，唇邊承受沖擊力，由此產(chǎn)生拉應(yīng)力使裂紋萌生、擴(kuò)展、最終唇邊斷裂；硬質(zhì)合金基托又重新有效地接觸巖石，形成磨粒磨損過(guò)程的循環(huán)，整個(gè)過(guò)程如圖13所示。

當(dāng)遇到巖性較軟顆粒較細(xì)的均勻巖層時(shí)，磨粒在接觸應(yīng)力作用下沿摩擦表面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，硬質(zhì)合金層表面材料沿硬粒子運(yùn)動(dòng)方向有位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，硬質(zhì)合金顆粒呈現(xiàn)出與切削方向一致的摩擦趨勢(shì)和磨料損失，是一種高應(yīng)力的碾碎性磨料磨損，如圖15所示；金剛石層則出現(xiàn)了與切削方向一致的微觀劃痕，如圖16所示。

一般情況下，材料的硬度越高其耐磨性越好，可通過(guò)添加納米材料改進(jìn)粉末配方，優(yōu)化制備工藝，提高PDC切削齒材料的硬度和耐磨性。

2．2．2 沖蝕磨損

鉆井時(shí)鉆頭噴嘴引導(dǎo)射流以極高的速度沖到井底，協(xié)助切削齒完成破巖和清巖。當(dāng)鉆井液到達(dá)井底后，它便攜帶有許多小巖屑，形成固液兩相流體，其中小巖屑成為一種磨料，一定的速度和角度對(duì)切削齒進(jìn)行沖蝕，材料變?yōu)槟バ级魇А．?dāng)固液兩相流參與鉆頭底面處逆向流動(dòng)時(shí)，遇到切削齒阻擋便形成繞流和渦旋，沖蝕作用增強(qiáng)。如圖17所示，被沖蝕切削齒材料表面形成魚(yú)鱗狀的沖蝕坑，多個(gè)大小不一的沖蝕坑聯(lián)通成為多條短程溝槽，形成一定角度的折面、凹面，使得沖蝕作用不斷積累形成較大的唇片隆起，溝槽逐漸加深，加速材料流失。由圖可見(jiàn)，被沖蝕硬質(zhì)合金的粘結(jié)相Co并沒(méi)有很好地包覆和填充在WC的晶界和空隙中，整個(gè)硬質(zhì)合金疏松多孔，說(shuō)明切削齒材料本身的耐磨性和抗沖蝕性等綜合性能較低。

綜上可知，磨粒的形狀尺寸、入射角度、速度溫度、環(huán)境介質(zhì)以及被沖蝕材料本身的組織性能等都對(duì)沖蝕磨損產(chǎn)生影響［11-12］?？赏ㄟ^(guò)合理設(shè)計(jì)鉆頭噴嘴角度和位置，改變沖擊角，盡量避免粒子垂直入射；減小入射粒子和介質(zhì)的速度；在保持良好設(shè)計(jì)條件時(shí)，盡可能提高切削齒材料的抗沖蝕能力等措施來(lái)減輕沖蝕磨損的程度。

圖17　PDC切削齒沖蝕磨損SEM形貌

2．3 齒的脫落

切削齒的脫落包括金剛石層脫落和切削齒的整體脫落，占切削齒失效的25%左右。切削齒的脫落會(huì)直接導(dǎo)致鉆頭刀翼因失去刃口而破毀，直接影響整個(gè)PDC鉆頭的鉆進(jìn)效率和使用壽命。

2．3．1 金剛石層脫落

聚晶金剛石層脫落表現(xiàn)為金剛石層與硬質(zhì)合金基托的粘結(jié)遭到破壞而造成金剛石層剝離，致使切削齒刃口不復(fù)存在而失去切削能力，如圖18所示。

圖18　PDC鉆頭切削齒金剛石層的脫落

聚晶金剛石與硬質(zhì)合金的彈性模量相差較大，硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)約為金剛石的2倍［13］，如表1所示。在鉆井過(guò)程中，摩擦生熱產(chǎn)生巨大熱應(yīng)力，使切削齒易出現(xiàn)熱龜裂；同時(shí)，在受到鉆井液的沖刷冷卻過(guò)程中兩者收縮不同步，出現(xiàn)較大的殘余應(yīng)力加速裂紋擴(kuò)展，如此冷熱交替作用使得金剛石極易從硬質(zhì)合金基體上脫落，加速鉆頭失效。另外，由于兩者彈性模量的不匹配，兩者沖擊響應(yīng)頻率不同，金剛石層受的沖擊不能完全由硬質(zhì)合金基體吸收，當(dāng)鉆遇硬夾層時(shí)沖擊載荷加大，也易形成裂紋加速脫落。

表1　聚晶金剛石和硬質(zhì)合金的物理性能

由此可見(jiàn)，兩相粘結(jié)的牢固程度對(duì)切削齒的壽命起著至關(guān)重要的作用。可采用系數(shù)介于硬質(zhì)合金和金剛石之間的一種或幾種過(guò)渡材料作為兩相粘結(jié)材料，提高結(jié)合層熱膨脹系數(shù)的適配性，使結(jié)合層各物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)盡量趨于一致，以提高切削齒硬質(zhì)合金層和金剛石層的粘結(jié)性能。

2．3．2 切削齒整體脫落

PDC鉆頭在鉆進(jìn)復(fù)雜地層及硬質(zhì)巖層時(shí)，在高速切削與不斷碰撞過(guò)程中PDC鉆頭切削齒失去刀翼上硬質(zhì)合金胎體的有效支撐，整個(gè)切削齒從鉆頭刀翼上掉落下來(lái)，即掉齒現(xiàn)象，如圖19所示。

圖19　PDC鉆頭掉齒

掉齒現(xiàn)象的發(fā)生使得PDC鉆頭的使用壽命非常低。究其原因，除了鉆頭設(shè)計(jì)、地層特點(diǎn)和操作因素外，PDC切削齒的焊接質(zhì)量也是重要因素之一。由于切削齒在刀翼上分布復(fù)雜、數(shù)量較多，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)將其鑲焊在鉆頭胎體的預(yù)留峰窩中。目前，大多采用手工焊接，焊接溫度無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)，焊接質(zhì)量難以保證［14］。而在鉆井過(guò)程中一旦有切削齒出現(xiàn)掉落，其余的切削齒就要承受額外的作用力，致使磨損加快最終從刀翼上掉落下來(lái)，嚴(yán)重影響PDC鉆頭的使用壽命。優(yōu)選焊接工藝，提高焊接質(zhì)量是防止鉆頭掉齒的重要措施；研究焊接溫度控制方法，采用新型自動(dòng)釬焊工藝是提高鉆頭質(zhì)量的發(fā)展方向之一。

3　結(jié)論

1） PDC鉆頭切削齒的主要失效形式有：齒的磨損、斷裂和脫落；磨損主要發(fā)生在冠頂部位的切削齒上，斷裂和脫落主要發(fā)生在冠部邊緣外側(cè)的切削齒上。冠頂部位切削齒主要受垂直方向的力，冠部外側(cè)的切削齒起主要刮削作用，同時(shí)受軸向和切向力作用，受力情況復(fù)雜。

2） 切削齒的脫落是最為嚴(yán)重的一種失效形式，直接導(dǎo)致PDC鉆頭失去切削能力；其次是切削齒的斷裂，使整個(gè)鉆頭受力不均，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率和使用壽命；磨損是最常見(jiàn)的一種失效形式。因此，應(yīng)盡量減輕切削齒磨損，防止切削齒斷裂，杜絕切削齒脫落的發(fā)生。

3） 切削齒失效的主要原因一方面是由于鉆井過(guò)程中的沖擊和刮削破巖對(duì)PDC鉆頭切削齒造成的損傷；另一方面是由于切削齒材料本身性能不強(qiáng)，兩相結(jié)合性能不高。

4） 針對(duì)PDC切削齒的失效，可從材料配方、設(shè)計(jì)制造及使用方法等方面采取防范措施。一方面可通過(guò)改變外部條件，調(diào)節(jié)鉆井參數(shù)保持平穩(wěn)鉆壓鉆速，避免出現(xiàn)粘滑振動(dòng)、憋鉆、跳鉆等現(xiàn)象產(chǎn)生瞬間較大沖擊；另一方面從PDC切削齒本身的材料和結(jié)構(gòu)形狀來(lái)提高切削齒質(zhì)量。

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Failure Analysis of PDC Bit Cutter

ZHANG Fuxiaoa，H UANG Zhiqiangb，ZHOU Yib
（a．College of Chemistry and Chemical Engineering；b．College of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

PDC cutter failure to carry out formal was analyzed，and failure causes and failure mechanisms were studied，corresponding improvement measures．The results showed that the main failure mode of PDC cutter for breaking teeth，wear and shedding．The main reason for the failure of cutting teeth on the one hand scraping rock breaking due to impact damage caused by the cutting teeth；the other is due to the performance of the cutting teeth of the material itself is not strong，twophase bonding strength is not high．Measures can be taken from the material formulation，structural design and the use of manufacturing．

PDC bit；cutter；failure analysis

TE921．1

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．09．011

1001-3482（2015）09-0044-06

①2015-03-23

張富曉（1987-），女，四川自貢人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事化工機(jī)械研究，E-mail：zhangfx0823＠sina．com。