任海濤 田海萍 于洪波 周春曉 楊迎新

劉 強 5 宋東東 2 陳 煉 2 陳 鑫 2

1.西南石油大學地熱能研究中心 2.西南石油大學機電工程學院3.中國石油集團長城鉆探工程有限公司 4.西南石油大學工程學院 5.中石化江鉆石油機械有限公司

0 引言

在地熱鉆井環(huán)境下，深部地層溫度普遍較高，以東非大裂谷地熱資源鉆探為例，在3 650 m井深處實測溫度可以超過350 ℃[1-6]，所使用的三牙輪鉆頭切削齒脫落現(xiàn)象十分普遍[7-9]。這也導致了鉆頭使用壽命和鉆進效率普遍較低[10-13]。高溫環(huán)境下金屬部件會產(chǎn)生材料的高溫蠕變現(xiàn)象，當變形量超過一定范圍時，就表現(xiàn)為牙輪殼體固齒強度降低[14-18]。對鉆頭切削齒過盈裝配的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，較短的裝配距離能夠獲得更合理的應力分布[19-23]。此外，高溫環(huán)境下所造成的齒孔塑性變形，經(jīng)過變載的不斷作用，將會使孔壁無法維持對切削齒的緊固狀態(tài)，從而導致切削齒脫落[24-25]。齒孔周向和徑向應力轉變?yōu)槔瓚κ菍е慢X孔產(chǎn)生裂紋的重要因素[19]。

為了解決高溫地熱井鉆井過程中的鉆頭掉齒問題，針對三牙輪鉆頭布齒結構中切削齒直徑、鑲齒過盈量等關鍵參數(shù)，基于實驗研究和數(shù)值模擬，探討了高溫環(huán)境下固齒強度的影響因素及其規(guī)律；研制了適用于地熱井的新型三牙輪鉆頭，并在東非大裂谷OLKARIA區(qū)塊（肯尼亞）地熱井鉆井中進行了現(xiàn)場應用。

1 高溫環(huán)境下鉆頭固齒強度研究方案

1.1 實驗裝置及方案

切削齒鑲齒過程及固齒強度實驗在液壓式萬能實驗機上進行，實驗裝置包括壓力傳感器、位移傳感器、實驗試件（牙輪基體）、壓頭、切削齒等。軸向加載工作原理如圖1所示，實驗壓頭固定在與液壓式萬能試驗機相連接的壓力傳感器上。切削齒與實驗試件（牙輪基體）放在工作臺平面上，壓頭與切削齒軸線始終保持同軸，通過液壓缸的上移來實現(xiàn)壓頭對切削齒的壓入、壓出。同時，通過壓力傳感器、位移傳感器來實現(xiàn)壓力與位移的采集與測量，實驗規(guī)劃如表1所示。其中牙輪基體、切削齒材料分別為20CrMo、YG16C。

圖1 軸向加載工作原理圖

表1 軸向加載實驗規(guī)劃表

實驗考慮3種因素，分別為切削齒直徑、過盈量和環(huán)境溫度，其中切削齒直徑選用三牙輪鉆頭常用的3種：?16 mm、?14 mm、?12 mm；過盈量參考油氣鉆井用三牙輪鉆頭鑲齒過盈量（0.074～0.076 mm）的基礎上，另外加工滿足0.091～0.095 mm和0.111～0.113 mm配合要求的齒孔試件，作為對比實驗方案；環(huán)境溫度則根據(jù)典型鉆井環(huán)境，分別設定為：20 ℃（常溫）、120 ℃（油氣井深井井底溫度）、180℃（高溫地熱井井底溫度）、240 ℃（超高溫地熱井井底溫度）4種。

1.2 實驗方法及過程

實驗中包括同一組實驗的切削齒壓入、壓出兩個相反的操作過程，從中獲得切削齒鑲裝過程中的鑲齒力和牙輪基體對切削齒的固齒力。

常溫下沿切削齒軸向加載過程中，待切削齒進入齒孔指定深度后緩慢卸載至零，如圖2-a所示。對壓入后的切削齒反面施加軸向壓力，以實現(xiàn)切削齒的壓出過程，如圖2-b所示。切削齒壓出實驗過程中，壓力逐漸克服切削齒與齒孔之間的摩擦力，待壓力曲線平穩(wěn)時，則認為所施加壓力達到了切削齒與齒孔的最大靜摩擦力，此時所施加的最大壓力即為切削齒的最大固齒力。當壓力超過切削齒最大固齒力時，切削齒開始發(fā)生移動，即認為齒孔對切削齒的固齒力已遭到破壞，繼續(xù)加載直至切削齒位移達到1 mm時結束加壓，完成一次實驗，如圖3、4所示。

圖2 切削齒壓入、壓出過程受力示意圖

圖3 試件加溫照片

圖4 軸向壓齒過程照片

2 固齒強度實驗結果與分析

2.1 切削齒壓入時壓載曲線分析

由實驗采集系統(tǒng)獲得的切削齒直徑為14 mm，在室溫下切削齒壓入、壓出位移與壓載曲線如圖5所示。齒孔高度為8.0 mm，在切削齒壓入過程中齒孔將發(fā)生彈塑性變形，這一過程壓載既包括抱緊力（齒孔的彈塑性變形力）又包括齒孔壁對切削齒的摩擦力；當壓入位移達到6 mm以上時，切削齒底面接近齒孔低部，抱緊力有所降低但摩擦力仍持續(xù)增加，因此在壓載曲線上表現(xiàn)仍為上升趨勢；當切削齒完全貫穿齒孔后，壓載達到圖5-a中所示最高點A，此后壓載曲線為卸載過程。在壓出過程中，初始階段壓載、位移均呈上升趨勢，達到圖5-b中所示最高點B后，為均勻的壓出過程直至切削齒飛彈出齒孔。

圖5 切削齒壓入、壓出過程特征曲線圖

2.2 井底高溫對固齒力的影響分析

以?16 mm切削齒為例，不同的過盈量區(qū)間范圍內(nèi)固齒力隨環(huán)境溫度升高的變化趨勢實測結果，如圖6所示。第一區(qū)間（0.074～0.076 mm）范圍內(nèi)固齒力下降約76.7 %，第二區(qū)間（0.091～0.095 mm）范圍內(nèi)固齒力下降約28.6 %，第三區(qū)間（0.111～0.113 mm）范圍內(nèi)固齒力下降約50.9%。可見在過盈量在第二區(qū)間范圍內(nèi)，固齒力下降趨勢較為平緩，受環(huán)境溫度的影響較小。

圖6 牙輪鉆頭齒孔固齒力隨環(huán)境溫度變化的實測趨勢圖

過盈量在第二區(qū)間范圍內(nèi)時，不同直徑切削齒在常溫與180 ℃下的最大鑲齒力、最大固齒力的關系曲線如表2所示。常溫下，最大鑲齒力、最大固齒力隨著切削齒直徑的增加而增大，其中?16 mm切削齒的最大固齒力為15.11 kN，相比?12 mm、?14 mm齒徑最大固齒力分別增大了44.3%、4.3%。在180 ℃下，?16 mm的切削齒所需要的最大鑲齒力最大，且最大固齒力也是3種切削齒中最大的（12.89 kN），較常溫降低了17.2%，相比?12 mm、?14 mm齒徑最大固齒力分別增大了638.1%、256.9%。因此，過盈量在0.091～0.095 mm范圍內(nèi)，選用?16 mm齒徑可以在較高溫度下具有良好的固齒強度。

表2 第二區(qū)間過盈量的不同直徑切削齒最大鑲齒力、固齒力表

2.3 壓入過程的接觸力分析

以上分析可知高溫環(huán)境容易導致牙輪鉆頭齒孔固齒力下降，引起切削齒脫落，故通過采用數(shù)值模擬方法研究溫度對切削齒固齒強度的影響規(guī)律，如圖7所示。

圖7 0.105 mm過盈量下切削齒與齒孔的壓入接觸應力圖

為了簡化分析過程，對牙輪材料作如下假設：①切削齒與齒孔相接觸時，其軸向應力為0；②牙輪材料具有小變形特性；③不考慮材料滲碳帶來的表面硬化。分別對不同齒徑的切削齒進行仿真模擬，為與實驗進行對比，將基體齒孔設置為通孔，同時對不同溫度進行仿真時，通過添加預溫度場進行整個模型溫度的加熱，其材料屬性如表3所示。

表3 牙輪基體和切削齒材料屬性表

對仿真結果進行提取，?16 mm切削齒在常溫下壓入過程最大載荷為24.84 kN，與實驗結果相比，其誤差為6.1%。在180 ℃環(huán)境下，使用?16 mm齒型和0.095 mm過盈量進行固齒強度有限元分析，獲得最大固齒力為11.75 kN，與實驗結果相比，其誤差范圍在10%以內(nèi)。分別選取0.075 mm、0.085 mm、0.095 mm、0.105 mm 4種過盈量，在齒孔鑲齒狀態(tài)下的齒孔內(nèi)表面距孔口軸線方向上的應力分布，如圖8所示。隨著壓入深度的增加，接觸應力均程先增加后減小趨勢，直至達到相同的穩(wěn)定狀態(tài)；但是過盈量為0.105 mm時，接觸應力最大接近900 MPa，超過了牙輪殼體材料的強度極限，這將導致原始裂紋的產(chǎn)生，容易造成疲勞損傷、殼體斷裂等失效現(xiàn)象的發(fā)生。因此，建議鑲齒過盈量不宜超過0.105 mm。

圖8 不同過盈量下隨壓入深度的最大接觸應力變化趨勢圖

3 三牙輪鉆頭研制與現(xiàn)場應用

3.1 產(chǎn)品研制

基于前述固齒強度分析結果，以東非地區(qū)肯尼亞高溫地熱井牙輪鉆頭為例，開展鉆頭固齒工藝優(yōu)化設計，配合結構個性化設計形成新型三牙輪產(chǎn)品。主要優(yōu)化設計包括兩個方面：①使用大直徑切削齒并優(yōu)化過盈量，以提高切削齒固齒強度；②強化牙掌背面的保徑設計，采用了耐磨能力強的金剛石復合齒作保徑元件。所設計的?215.9 mm鉆頭如圖9-a所示，主切削齒選用?16.0 mm切削齒，鑲固過盈量設計為0.095 mm。為適應高研磨性地層鉆進，心部和外錐采用球頭齒，冠頂主切削齒均采用錐形齒；掌背使用金剛石復合齒加強保徑能力。

圖9 個性化三牙輪鉆頭試驗前后對比照片

3.2 現(xiàn)場應用

該型鉆頭在肯尼亞OLKARIA區(qū)塊地熱鉆井施工中應用，地層巖性為玄武巖及少量微晶花崗巖。鉆井方式采用轉盤驅動，泡沫與清水混合建立循環(huán)攜巖。鉆井參數(shù)如表4所示。

表4 現(xiàn)場試驗鉆井參數(shù)表

該鉆頭入井深度為2 769 m，取得進尺136 m，2 905 m井深時因扭矩波動大而起鉆，鉆頭出井情況如圖9-b所示，與鄰井所用鉆頭鉆進情況對比如表5所示。與未優(yōu)化前相比，三牙輪鉆頭切削齒掉齒明顯減少，該現(xiàn)象表明本文所研究固齒強度優(yōu)化工藝和產(chǎn)品研制具有較好的效果。

表5 個性化三牙輪鉆頭鉆進指標表

與鄰井鉆頭相比，該只鉆頭出井后外徑略有磨損，無掉齒現(xiàn)象發(fā)生，鉆頭整體新度約為75%，具備二次下井條件。由現(xiàn)場試驗結果可知，其平均機械鉆速6.18 m/h，純鉆時間22 h，相比鄰井所使用的三牙輪鉆頭進尺提高了43.2%，平均機械鉆速提高了17%，純鉆時間減少了22.2%，取得了明顯的技術進步。

4 結論

1）切削齒直徑和鑲齒過盈量對固齒強度影響顯著，通過增大切削齒的直徑，能夠增加切削齒與齒孔表面的接觸面積，通過優(yōu)化鑲齒過盈量能夠有效提升齒孔對切削齒的固齒力，防止切削齒脫落。

2）高溫能夠顯著降低三牙輪鉆頭的固齒強度，同等齒型直徑及固齒過盈量參數(shù)條件下，在180 ℃環(huán)境下固齒強度下降幅度介于14.7%～83.3%。

3）通過對三牙輪鉆頭布齒結構和固齒工藝參數(shù)優(yōu)化設計，能夠顯著降低掉齒風險，有助于提高綜合破巖效率，降低鉆井成本；同時本文的研究成果可為三牙輪鉆頭在青海省、西藏自治區(qū)及海南省等地區(qū)高溫地熱鉆井應用中提供技術參考。