高明洋， 張 凱， 周 琴， 周輝峰， 劉寶林

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院,北京 100083； 2.國(guó)土資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，資源開(kāi)發(fā)的同時(shí)兼顧保護(hù)環(huán)境已經(jīng)成為未來(lái)能源開(kāi)發(fā)與使用的新趨勢(shì)。地?zé)崮茏鳛橐环N儲(chǔ)藏量巨大的綠色能源，在這種條件下需求量劇增?！秶?guó)土資源“十三五”科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃》明確了“十三五”期間，我國(guó)將以深地、深海、深空為主攻方向和突破口，構(gòu)建“三深一土”的國(guó)土資源戰(zhàn)略科技新格局。合理、高效開(kāi)發(fā)地?zé)崮茉匆呀?jīng)成為新時(shí)代，新階段開(kāi)發(fā)地質(zhì)資源的主攻方向。

地?zé)崮茉刺N(yùn)藏地層通常有高溫、高壓、地層復(fù)雜等特點(diǎn)，聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭在鉆進(jìn)極軟-中硬地層中具有廣泛適用性、制作成本低、鉆進(jìn)速度快、可以用于小口徑鉆進(jìn)等優(yōu)勢(shì)[1],十分適合地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)。結(jié)合PDC鉆頭的優(yōu)異性能，為高效開(kāi)發(fā)地?zé)崮茉?，近年?lái)國(guó)內(nèi)外鉆井工作者開(kāi)始把注意力轉(zhuǎn)到如何提高PDC鉆頭對(duì)高溫硬地層適應(yīng)能力的問(wèn)題上來(lái)。

對(duì)比常規(guī)地質(zhì)與石油資源的開(kāi)發(fā)，運(yùn)用PDC鉆頭開(kāi)發(fā)地?zé)崮茉粗饕嬖趦煞矫娴碾y題[2]。首先，由于地?zé)崮茉赐枰@進(jìn)地溫梯度異常區(qū)塊，井底溫度壓力較高，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)從彈脆性轉(zhuǎn)化為彈塑性[3]，切削性能發(fā)生較大的變化。其次，由于井底溫度與巖石切削性能的變化影響了常規(guī)PDC鉆頭的切削效果和磨損形式。

PDC切削齒是PDC鉆頭在切削作業(yè)時(shí)的基本單元，據(jù)統(tǒng)計(jì)在高溫硬地層鉆井作業(yè)中超過(guò)70%的PDC鉆頭失效是由于PDC切削齒的斷裂、磨損和脫落造成的[4]，其中磨損是PDC切削齒失效的主要形式。因此本文介紹了國(guó)內(nèi)外學(xué)者近期針對(duì)高溫硬地層鉆進(jìn)時(shí)PDC切削齒磨損問(wèn)題的研究成果，分析了切削齒的磨損機(jī)理，提出改善切削齒磨損的措施，以期為延長(zhǎng)PDC鉆頭的使用壽命、提高鉆井作業(yè)的鉆進(jìn)速度提供一些可行性建議。

1 深部高溫硬地層中PDC切削齒磨損機(jī)理

在獲取地?zé)豳Y源的過(guò)程中，井底高溫高壓條件會(huì)造成巖石內(nèi)部礦物晶間膠結(jié)物活化性能增加，導(dǎo)致巖石塑性增加，強(qiáng)度降低[5]。巖石的主要破壞形式也從脆性破壞轉(zhuǎn)化為塑性破壞過(guò)程。深部高溫硬地層鉆進(jìn)時(shí)PDC切削齒磨損的形式有磨料磨損、沖擊磨損、熱損傷(金剛石層與硬質(zhì)合金基體分層)等，其中由于高溫條件下加劇了金剛石層與基體的熱沖擊效應(yīng)，因此，相對(duì)于常溫常壓地層鉆進(jìn)其最主要的磨損形式為熱損傷[6]。

1.1 磨料磨損

地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)過(guò)程在，PDC切削齒的磨料磨損發(fā)生在切削齒-巖石界面，隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)PDC切削齒向巖石傳遞能量，當(dāng)能量到達(dá)一定程度后巖石出現(xiàn)小的溝槽，由于鉆頭本身的冠部設(shè)計(jì)和布齒密度使得巖石形成的溝槽寬度大于PDC切削齒，在切削過(guò)程中巖石產(chǎn)生的巖屑會(huì)充當(dāng)磨料填充到切削齒與巖石溝槽的縫隙中。

在切削過(guò)程中，新的PDC切削齒在逐漸進(jìn)入穩(wěn)定的磨損階段之后表面的金剛石層磨損出一個(gè)平面，從而增大切削齒的金剛石層與巖石表面的接觸面積，在摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定的情況下導(dǎo)致切削齒磨損率的增加。并且由于磨料填充在切削齒-巖石界面中，多次磨損后PDC切削齒內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的微裂紋，這些微裂紋在高頻沖擊下開(kāi)始擴(kuò)展，PDC切削齒的磨損表面形成解理斷裂平面和解理臺(tái)階(如圖1所示)，最后發(fā)生脆性斷裂。在鉆進(jìn)含有較大顆粒硬地層時(shí)，顆粒的磨損率在一定程度上受到巖石莫氏和肖氏硬度的影響，這些磨損指數(shù)的增加反映了鉆頭的磨損率增加[7]。

圖1 磨粒磨損示意圖

針對(duì)深部高溫硬地層鉆進(jìn)過(guò)程中的磨料磨損情況，高溫、高硬度、高研磨性地層直接導(dǎo)致了PDC切削齒磨損率的增加，因此選取合適的材料與形狀制備PDC切削齒是提高PDC切削齒的硬度及其耐磨性的合理方法。

1.2 沖擊磨損

由于常規(guī)鉆進(jìn)方法鉆入深部高溫硬地層時(shí)破巖效率低，近年來(lái)在鉆井作業(yè)中開(kāi)始使用液動(dòng)旋沖工具輔助破巖，通過(guò)鉆井液提供的動(dòng)力，在周向產(chǎn)生高頻沖擊，在徑向產(chǎn)生水力脈沖，使鉆頭的破巖方式由普通的刮削轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械沖擊與水力脈沖相結(jié)合的破巖方式[8]。

總體來(lái)說(shuō)鉆進(jìn)過(guò)程中，沖擊磨損可能存在兩個(gè)階段。

磨損階段：金剛石顆粒在巖石表面切削留下初期裂紋。

沖擊階段：沖擊疲勞與熱應(yīng)力共同作用擴(kuò)散初期裂紋，形成大裂紋。

高頻的機(jī)械沖擊導(dǎo)致的沖擊疲勞以及PDC切削齒內(nèi)部的殘余應(yīng)力引起沖擊震動(dòng)，高壓高溫工藝后留下的殘余應(yīng)力會(huì)在PDC刀具受到高沖擊力時(shí)導(dǎo)致宏觀破裂，高頻沖擊產(chǎn)生通過(guò)金剛石顆粒的內(nèi)部夾雜物或表面凹坑的沖擊波，沖擊磨損通過(guò)沖擊載荷和沖擊的過(guò)程在微觀水平上發(fā)生，并且沖擊單個(gè)金剛石顆粒。金剛石磨粒周圍的胎體首先經(jīng)受沖刷侵蝕和空化，然后遇到磨損和侵蝕的作用，直到其粘結(jié)性不再支撐粒子為止，此時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的損壞。金剛石磨粒在與巖石顆粒碰撞時(shí)，摩擦平面下巖石顆粒圍繞著金剛石顆粒流動(dòng)，導(dǎo)致金剛石顆粒沿金剛石層邊緣逐漸被去除。如圖2(a)所示，在損壞嚴(yán)重的金剛石顆粒的右側(cè)可以看到磨損平面，其中晶界弱化導(dǎo)致一些晶體析出。然而，如圖2(b)所示粒子的左側(cè)保持完整，顯示了金剛石顆粒是由于胎體的磨損而導(dǎo)致的突出。

圖2 金剛石層受到?jīng)_擊磨損表面形貌圖

部分研究者通過(guò)將磨損平面上的摩擦角與巖石的內(nèi)部摩擦角相關(guān)聯(lián)計(jì)算沖擊摩擦系數(shù)，證明沖擊摩擦力主要取決于沖擊角和切削齒前端面的巖石顆粒速度，而巖石材料對(duì)沖擊摩擦力影響較小[9]。

綜上可知，通過(guò)合理的PDC鉆頭冠部設(shè)計(jì)與布齒密度用以改變沖擊角和減小巖石顆粒入射速度；并且盡可能地選取抗沖擊材料來(lái)減小鉆頭的沖擊磨損速率。

1.3 熱損傷

PDC是通過(guò)在高溫和高壓下將金剛石粉末燒結(jié)到WC胎體上制造的。隨著溫度的降低，金剛石層的殘余壓應(yīng)力和胎體的拉應(yīng)力均發(fā)生了變化。這個(gè)殘余應(yīng)力隨著溫度下降而增加。當(dāng)溫度升高時(shí)，金剛石層產(chǎn)生了高的拉應(yīng)力。在這個(gè)拉應(yīng)力的作用下，PDC齒可能會(huì)出現(xiàn)崩齒與分層的現(xiàn)象。

PDC切削齒主要依靠金剛石層破碎硬質(zhì)巖石，在金剛石層中往往會(huì)殘存用于催化的觸媒金屬，這些金屬材料與金剛石材料的熱膨脹系數(shù)相差甚遠(yuǎn)，在PDC鉆頭鉆入高溫硬地層的過(guò)程中，由于巖石彈塑性性質(zhì)明顯增強(qiáng)，常規(guī)PDC齒在井下旋轉(zhuǎn)切削往往表現(xiàn)為在巖石表面的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。絕大多數(shù)能量從破碎地層轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)生熱量，井下原先具有的環(huán)境高溫以及切削摩擦產(chǎn)生的熱量形成疊加效應(yīng)導(dǎo)致金剛石層熱應(yīng)力劇烈升高，導(dǎo)致破壞金剛石晶體之間的連接鍵，造成金剛石顆粒沿邊緣脫落最后致使PDC切削齒出現(xiàn)崩齒現(xiàn)象[10](如圖3所示)。

圖3 金剛石層由于熱損傷出現(xiàn)崩齒

此外，聚晶金剛石層脫落也是一個(gè)十分嚴(yán)重的問(wèn)題。PDC鉆頭在鉆進(jìn)高溫硬地層時(shí)由于存在熱沖擊導(dǎo)致的金剛石層與硬質(zhì)合金基體之間的粘結(jié)部分遭到破壞導(dǎo)致磨損破壞現(xiàn)象。金剛石層和硬質(zhì)合金基體的分層常常歸因于高溫下多晶金剛石層和硬質(zhì)合金基體的熱膨脹之間的不匹配。伴隨著鉆進(jìn)過(guò)程，切削齒金剛石層與巖石界面的摩擦力產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，切削齒出現(xiàn)熱龜裂，隨著溫度升高時(shí)，在金剛石臺(tái)面上會(huì)隨之產(chǎn)生高的拉應(yīng)力，同時(shí)由于鉆井液的冷卻作用會(huì)導(dǎo)致金剛石層與硬質(zhì)合金基體產(chǎn)生不同的收縮情況，加速了裂紋的擴(kuò)展[11](如圖4所示)。

圖4 金剛石層由于熱損傷與胎體分層

由于PDC切削齒主要是由金剛石層與硬質(zhì)合金基體以及中間的粘接材料組合而成。因此，選取擁有適宜熱膨脹系數(shù)的粘接過(guò)渡材料，使得結(jié)合層中各物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)趨于一致是降低熱沖擊對(duì)PDC切削齒影響的關(guān)鍵。

2 改善PDC切削齒耐磨性的措施

受到井下高溫影響，巖石性質(zhì)從以彈脆性轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄裕瑥?qiáng)度和硬度出現(xiàn)略微下降現(xiàn)象，在常規(guī)鉆進(jìn)規(guī)程下常規(guī)PDC鉆頭的硬度與耐磨性依舊不能很好滿足鉆進(jìn)的需要，鉆頭容易受到磨料磨損、沖擊磨損以及熱沖擊等方面的影響造成切削齒磨損速率高、脫落，最終縮短鉆頭壽命。本文主要介紹涂層技術(shù)、改進(jìn)鉆進(jìn)參數(shù)、選取復(fù)合鉆頭和優(yōu)化PDC復(fù)合片設(shè)計(jì)等方面以改善PDC鉆頭鉆進(jìn)高溫硬地層的效率。

2.1 涂層技術(shù)

PDC鉆頭在井底環(huán)境高溫條件下切削硬巖過(guò)程中產(chǎn)生巨大的摩擦能量與環(huán)境高溫疊加，切削齒表面受到高速鉆井液的沖蝕和冷卻作用使得切削齒的金剛石層與基體產(chǎn)生不同程度的熱脹冷縮效果，這就對(duì)PDC切削齒的硬度及耐磨性有很高的要求。為了達(dá)到鉆進(jìn)硬地層的需求，部分研究者采用表面熔覆、高溫噴涂、超高速火焰噴涂等方法為PDC切削齒表面覆蓋一層適用于硬地層耐磨性、硬度要求的合金涂層[12-13]。

運(yùn)用火焰噴焊的方法，對(duì)PDC切削齒表面硬化處理，使其具有良好的耐磨性和抗沖蝕性，滿足硬地層鉆進(jìn)的基本需求。選擇超高速火焰噴涂技術(shù)為PDC切削齒制備致密性碳化鎢涂層，涂層的氣孔夾雜越少、致密性越高、涂層中硬質(zhì)顆粒越細(xì)小、分布越均勻, 則涂層的顯微硬度越高, 抗鉆井液沖蝕能力越高。

2.2 改進(jìn)鉆進(jìn)參數(shù)

由于地?zé)崮茉撮_(kāi)采的地質(zhì)條件復(fù)雜，我國(guó)在鉆探施工方面一直沒(méi)有統(tǒng)一的合理鉆進(jìn)規(guī)程，部分井段存在盲目進(jìn)尺的情況不僅降低了鉆進(jìn)效率，甚至?xí)霈F(xiàn)卡鉆、埋鉆、燒鉆等事故。因此針對(duì)地?zé)崮茉撮_(kāi)采作業(yè)中鉆進(jìn)參數(shù)的選擇十分重要。鉆井參數(shù)主要包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆井液的量等，在高溫硬地層鉆井作業(yè)中，切削齒與巖石表面形成的摩擦能量會(huì)由于巖石高的硬度和耐磨性而高于普通地層，因此在該地層鉆進(jìn)中改進(jìn)鉆進(jìn)參數(shù)更顯得尤為重要[14]。

部分研究者選取PDC鉆頭鉆速方程、磨損方程結(jié)合鉆井成本和鉆速權(quán)重系數(shù)，建立鉆井成本和鉆速雙目標(biāo)約束下的PDC鉆頭鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化模型。在多個(gè)地區(qū)實(shí)際鉆進(jìn)中使用該模型計(jì)算最優(yōu)磨損量、最優(yōu)鉆壓、最優(yōu)鉆頭轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)根據(jù)該模型可以有效降低PDC切削齒的磨損率，同時(shí)鉆進(jìn)速度不同程度的提高。

各鉆進(jìn)參數(shù)如鉆壓、轉(zhuǎn)速和沖洗液量等對(duì)鉆進(jìn)速度的影響，是相互關(guān)聯(lián)的，根據(jù)具體鉆進(jìn)條件存在各自的最優(yōu)值。特別在高溫硬地層鉆進(jìn)中，通常使用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速來(lái)控制切削齒與巖石表面形成的摩擦能量，因此根據(jù)當(dāng)?shù)氐貙訔l件選取合適的PDC鉆頭鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化模型是改進(jìn)鉆進(jìn)參數(shù)、改善PDC切削齒耐磨性的有效方法。

2.3 復(fù)合鉆頭

為適應(yīng)井下高溫和復(fù)雜地層條件，部分公司開(kāi)始研制復(fù)合PDC鉆頭，PDC切削齒與孕鑲金剛石、TSP等相結(jié)合，可以改善鉆頭與巖石的接觸形狀以及切削效果，拓寬了PDC鉆頭的適用地層，增加鉆頭的破巖效率，減少更換鉆頭頻率，極大地提高了目標(biāo)地層的鉆進(jìn)效率。

PDC/TSP復(fù)合鉆頭是將常規(guī)的PDC與TSP鉆頭設(shè)計(jì)為一體，TSP鉆頭成本較高但是具有耐高溫的性質(zhì)以及在高硬度、高耐磨性地層依舊具有良好的鉆進(jìn)效果，有效避免了在高溫硬地層條件下常規(guī)PDC鉆頭出現(xiàn)往復(fù)摩擦溫度迅速升高導(dǎo)致異常磨損的問(wèn)題[15]。

在常規(guī)PDC鉆頭的基礎(chǔ)上增加孕鑲金剛石保徑，使其具有剪切和研磨兩種破巖形式，在切削過(guò)程中，遭遇較易破碎地層，PDC切削齒可以作為先行刀具對(duì)巖石進(jìn)行剪切作用，如遇到彈塑性巖石刀具在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中保徑附帶的孕鑲金剛石可以通過(guò)研磨進(jìn)行破巖。根據(jù)設(shè)計(jì)推算，對(duì)比常規(guī)PDC鉆頭，在PDC切削齒磨損到常規(guī)PDC鉆頭失效的情況下該復(fù)合鉆頭仍然具有一半以上的剩余壽命。

2.4 釬焊切削齒

針對(duì)開(kāi)采地?zé)崮茉从龅降木赂邷赜驳貙訔l件下，熱損傷造成的PDC復(fù)合片失效比例高的情況，部分研究者提出了一種嵌入式PDC鉆頭的方案。通過(guò)幾何理論和布齒密度分析其金剛石層厚度，尺寸，組合形式對(duì)PDC磨損機(jī)制的影響。設(shè)計(jì)了一種釬焊的方法使金剛石層與硬質(zhì)合金基體有更良好的抗沖擊性連接。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該新型PDC齒相對(duì)于常規(guī)PDC齒具有更高的耐磨性，切削巖石過(guò)程中更容易實(shí)現(xiàn)均勻磨損，并且提高了金剛石層與基體分層剝落的負(fù)載上限[16]。

3 總結(jié)

PDC切削齒的磨損問(wèn)題是高效獲取地?zé)崮茉催^(guò)程中一個(gè)不可回避的問(wèn)題，與常規(guī)地層鉆進(jìn)中PDC鉆頭切削齒的磨損機(jī)理相比，高溫硬地層鉆進(jìn)條件下PDC切削齒相對(duì)于磨料磨損和沖擊磨損更容易出現(xiàn)熱損傷的破壞形式，無(wú)論是崩齒還是分層都是由于環(huán)境高溫與PDC切削齒的異常磨損產(chǎn)生的局部高溫綜合作用造成的。本文介紹了幾種改進(jìn)PDC鉆頭的技術(shù)，其中有兩種PDC鉆頭的改進(jìn)方式：涂層技術(shù)和釬焊切削齒技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際作業(yè)實(shí)驗(yàn)中都有良好的耐熱損傷的表現(xiàn)。無(wú)論是高溫硬地層條件下的磨損機(jī)理還是改進(jìn)技術(shù)，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)研究點(diǎn)依舊十分豐富。因此，總結(jié)國(guó)內(nèi)外PDC切削齒磨損方面的研究，對(duì)充分合理發(fā)揮PDC鉆頭在地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)中的鉆進(jìn)能力有深遠(yuǎn)的影響。今后針對(duì)高溫硬地層鉆進(jìn)中PDC切削齒磨損的研究應(yīng)該注意以下兩個(gè)方面：

(1)目前針對(duì)PDC切削齒的研究實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)單個(gè)PDC切削齒進(jìn)行，這對(duì)獨(dú)立分析切削齒的性質(zhì)以及觀察都提供了便利，但是完全忽略鉆頭中各個(gè)切削齒的關(guān)聯(lián)性會(huì)造成與實(shí)際鉆進(jìn)差異過(guò)大。通過(guò)設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)位置，裝配多個(gè)切削齒的刀具可以高度還原真實(shí)鉆頭工作環(huán)境，并且實(shí)現(xiàn)獨(dú)立分析和高度還原鉆進(jìn)環(huán)境相結(jié)合是今后的發(fā)展方向。

(2)本文作者介紹了涂層技術(shù)、改進(jìn)鉆進(jìn)參數(shù)、選取復(fù)合鉆頭和優(yōu)化PDC復(fù)合片設(shè)計(jì)等4種改善高溫硬地層條件下PDC切削齒耐磨性的方法。但是，PDC鉆頭鉆進(jìn)是一個(gè)鉆頭本身、地質(zhì)條件、巖石性質(zhì)、鉆柱與鉆井液等相結(jié)合共同作用的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程，而目前的研究者主要根據(jù)公式計(jì)算以及根據(jù)鉆頭本身性能進(jìn)行改善研究，尚且存在很大的不足。通過(guò)動(dòng)態(tài)建模和工作狀態(tài)實(shí)時(shí)模擬給出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，結(jié)合實(shí)際工況對(duì)PDC鉆頭進(jìn)行改進(jìn)，是設(shè)計(jì)改進(jìn)PDC鉆頭的一個(gè)方向。