張春亮　王錦成　柯曉華　馮梟　楊迎新　任海濤　黃子軒

關(guān)鍵詞 切削載荷；單齒切削；鉆進(jìn)特性；機(jī)械比能；機(jī)械鉆速

中圖分類號(hào) TQ164； TG74； TG58； TE921 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號(hào) 1006-852X（2023）01-0035-08

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0084

收稿日期 2022-06-06 修回日期 2022-08-15

石油天然氣、地?zé)嵋约吧畹氐V產(chǎn)的勘探開發(fā)必須依賴鉆井技術(shù)，而破巖是鉆井的關(guān)鍵，鉆頭是最直接的破巖工具。研究表明：鉆頭費(fèi)用雖然僅占鉆井成本的3%～5%，但其對(duì)鉆井成本的影響卻可高達(dá)70%。PDC鉆頭作為石油鉆井的破巖工具，在油氣鉆井總進(jìn)尺中的比例，已由19 世紀(jì)80 年代的5%，增長至90% 以上[1-2] 。但PDC 鉆頭在深部難鉆地層中的鉆進(jìn)效果并不理想，其中的一個(gè)重要原因是切削齒的快速磨損，造成切削齒比壓降低，不能有效吃入地層，破巖效率降低。事實(shí)上，PDC 鉆頭在鉆井過程中，切削齒長期在磨損狀態(tài)下工作，其切削載荷直接影響著鉆頭的切削性能和使用壽命。

PDC 齒的主要磨損方式有磨料研磨磨損和熱磨損[3]，其磨損形態(tài)如圖1 所示。而一旦鉆頭上某顆齒發(fā)生過度磨損而喪失切削能力，便會(huì)加重鄰齒的工作負(fù)擔(dān)，如此反復(fù)循環(huán)造成鉆頭性能下降，甚至完全失效。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)PDC 齒磨損的研究主要有：梁爾國等[4]通過模擬切削齒的不同切削斷面形狀、磨損狀態(tài)、重疊切削狀態(tài)，利用切削齒對(duì)多種巖石樣本進(jìn)行切削試驗(yàn)，研究了切削面積、接觸弧長、切削齒后傾角、巖石抗鉆強(qiáng)度、切削齒磨損高度等因素對(duì)PDC 切削齒受力的影響規(guī)律，建立了切削齒的綜合受力模型；朱光輝等[5]通過在刨床上使用選定的切削齒切削武勝砂巖，分析了不同前傾角和磨損程度下切削齒所受三向載荷的變化， 以及磨損程度與切削過程中溫升的關(guān)系； 王濱等[6] 采用電子顯微鏡對(duì)火成巖切削后的PDC 鉆頭切削齒磨損形式、磨損機(jī)理和磨損分布規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并提出了鉆頭優(yōu)化建議；IMAN 等[7] 通過使用鋒利切削齒和磨損切削齒分別對(duì)砂巖和石灰?guī)r進(jìn)行單齒切削，研究了不同切削深度下磨損齒底部磨損平面與巖石平面夾角對(duì)切削過程中磨損平面?巖石界面間的摩擦力影響。

PDC 鉆頭齒的磨損將影響其鉆進(jìn)效率和破巖能力，對(duì)其磨損趨勢(shì)和磨損后的鉆進(jìn)特性進(jìn)行研究有助于深化對(duì)PDC 鉆頭磨損時(shí)破巖規(guī)律的認(rèn)識(shí)。對(duì)PDC 鉆頭磨損的相關(guān)研究主要有：馬亞超等[8] 基于磨料磨損理論、微積分基本理論、迭代算法構(gòu)建了PDC 鉆頭切削齒體積磨損量和線磨損量之間的函數(shù)關(guān)系，以及切削齒隱式線磨損模型，提出了PDC 鉆頭動(dòng)態(tài)磨損趨勢(shì)預(yù)測方法；郭健等[9] 運(yùn)用空間幾何和數(shù)值計(jì)算理論， 對(duì)PDC 鉆頭的結(jié)構(gòu)和受力重新進(jìn)行分析，推導(dǎo)了PDC 鉆頭磨損時(shí)的受力方程。綜合考慮鉆頭冠部形狀、切削齒的布置、切削齒的工作角、切削齒的形狀及尺寸、切削齒相互作用的影響，提出了磨損過程中切削齒的切削面積、切削體積、切削弧長等切削參數(shù)與磨損程度的關(guān)系的數(shù)值計(jì)算方法。目前，針對(duì)PDC 鉆頭磨損破巖特性開展的研究尚不夠深入、系統(tǒng)。因此，迫切需要開展PDC 鉆頭磨損狀態(tài)下的力學(xué)和破巖特性分析。

1 PDC 齒切削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)利用西南石油大學(xué)的切削破巖試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)包含切削裝置、高倍相機(jī)、切削載荷測量及熱成像系統(tǒng)等，如圖2 所示。該系統(tǒng)試驗(yàn)過程中切削速度穩(wěn)定，剛性足，能夠滿足本次試驗(yàn)研究工作。試驗(yàn)測試時(shí)，首先將巖石固定在切削試驗(yàn)機(jī)的夾持裝置中，將磨損齒固定在刀架上，刀架上安裝有3 向力傳感器，切削過程中通過有線傳輸?shù)姆绞綄y量信號(hào)傳輸給動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行載荷監(jiān)測[10-11]。

1.2 試驗(yàn)樣品

實(shí)際鉆進(jìn)過程中，切削齒的磨損平面通常與底部刮痕相平行，因此試驗(yàn)用磨損切削齒以此為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工。PDC 齒磨損的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)包括前傾角、齒徑、磨損高度、鈍化類型等。試驗(yàn)選用砂巖、灰?guī)r、花崗巖作為切削對(duì)象，分析磨損切削齒破巖的力學(xué)行為，試驗(yàn)用齒和巖樣分別如圖3、圖4 所示。試驗(yàn)用巖石的主要力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

磨損齒切削破巖過程中的切削載荷受諸多因素的影響。其中主要因素包括磨損高度、前傾角、切削齒徑、鈍化類型、切削深度、巖石種類等。試驗(yàn)過程中為獲取各因素對(duì)切削載荷的影響規(guī)律，將其設(shè)置為單一變量。其中鈍化類型中Y 代表圓角磨損，Z 代表大倒角磨損，C 代表常規(guī)磨損。具體試驗(yàn)內(nèi)容見表2。

1.4 試驗(yàn)過程

切削過程中，巖屑形態(tài)和刮痕是分析PDC 磨損齒切削性能的重要依據(jù)。圖5 為切削齒切削破巖過程及巖石刮痕。從圖5 可知：磨損狀態(tài)下的片狀巖屑居多，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是磨損齒齒刃由圓形變成了直線的寬刃，造成巖石剪切破裂面發(fā)生了改變；同時(shí)對(duì)比刮痕發(fā)現(xiàn)，磨損齒刮痕較新齒更寬。

1.5 切削載荷分析

圖6 為不同切削參數(shù)下的切向力。從圖6a 可知：在相同切削深度條件下（砂巖， γ=15°， l=15 mm， h2=1.2mm，C），切削齒的切向力和波動(dòng)程度均隨磨損高度的增加呈遞增趨勢(shì)。磨損高度為1.2 mm 時(shí)的磨損齒在切削過程中所受切向力最大，但當(dāng)切削齒的磨損高度達(dá)到1.5 mm 時(shí)，切向力有所降低。這是因?yàn)楫?dāng)切削齒的磨損高度達(dá)到一定程度后，磨損平面快速增加，侵入能力大幅度降低，切削齒在切削巖石過程中出現(xiàn)起跳現(xiàn)象，造成實(shí)際侵入深度小于預(yù)設(shè)深度。

從圖6b 可知：切削齒的前傾角是鉆頭設(shè)計(jì)過程中的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，直接影響鉆頭的攻擊性和使用壽命。在前傾角為10°時(shí)，切削齒的切向力最大，前傾角為15°和20°時(shí)所受切向力平均值基本相同；前傾角為10°時(shí)，切削齒的切向力波動(dòng)程度要明顯比另外2 種前傾角的PDC 齒的劇烈。

圖7 為不同前傾角時(shí)磨損齒的磨損平面面積。從圖7 可看出：在相同磨損高度下，前傾角在10°時(shí)的磨損平面面積明顯高于15°和20°切削齒的。磨損平面的大幅增加造成破巖過程中的摩擦阻力增加，也加劇了切向力的波動(dòng)。因此在磨損齒條件下，磨損平面對(duì)切向力的影響高于前傾角的影響。

從圖6c 可知：在相同切削條件下（h₁=0.6 mm，砂巖，γ=15°，h₂=1.2 mm，C），切向力隨著磨損齒直徑的增加呈增大趨勢(shì)。在相同切削深度條件下，隨著齒徑的增加，切削齒工作面與齒前巖石以及磨損平面與刮痕底部巖石的接觸面積增加，這是造成切向力增加的主要原因。從圖6d 可知：在試驗(yàn)條件（h₁=0.6 mm，砂巖，γ=15°， l=15 mm， C），隨著切削深度的增加，切向力逐漸增加，且隨著切削深度的增大，切向力波動(dòng)更加劇烈。在小切深條件下，巖石的體積破碎效果差，巖石的粉碎程度高，切向力波動(dòng)較小。從圖6e 可知：在相同的切削條件下（h₁=0.3 mm，γ=15°，l=17 mm，h₂=1.2 mm），磨損齒的切向力隨著巖石抗壓強(qiáng)度增加而變大。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，切向力的波動(dòng)程度也隨巖石抗壓強(qiáng)度的增大而變大。

切削齒的鈍化類型主要包括圓角磨損、大倒角磨損和常規(guī)磨損。在切削條件下（ h₁=0.3 mm， 砂巖，γ=15°， l=15 mm， h₂=1.2 mm），圓角磨損齒的切向力大于常規(guī)磨損。觀察不同鈍化類型的切削齒刮痕發(fā)現(xiàn)，圓角磨損后的切削其齒所形成的刮痕底部相對(duì)粗糙，劃動(dòng)鈍搓現(xiàn)象明顯，刮痕對(duì)比如圖8 所示。另一方面，圓角磨損后齒的切向力波動(dòng)幅度明顯高于常規(guī)磨損的。PDC 齒在常規(guī)磨損后仍具有自銳現(xiàn)象，使得其吃入地層的能力仍強(qiáng)于圓角磨損后的切削齒。而圓角磨損后的PDC 齒，因其切削刃被磨圓，比壓大幅度降低，造成侵入地層的能力降低，刮痕上產(chǎn)生的硬擠壓現(xiàn)象明顯，如圖9 所示。

2 磨損PDC 鉆頭鉆進(jìn)試驗(yàn)

鉆進(jìn)試驗(yàn)是評(píng)價(jià)磨損鉆頭綜合性能指標(biāo)的重要技術(shù)手段。為模擬鉆頭切削齒不同磨損程度對(duì)鉆頭性能的影響，參考PDC 鉆頭磨損等級(jí)，設(shè)計(jì)4 只試驗(yàn)鉆頭，分別為新鉆頭、輕度磨損（磨損高度為1.5 mm）、中度磨損（磨損高度為3.0 mm） 以及重度磨損鉆頭（磨損高度為4.5 mm） 并分別用B、D、F、H 表示。圖10 為鉆頭磨損示意圖。在不同鉆井參數(shù)下開展磨損PDC 鉆頭鉆進(jìn)硬砂巖的試驗(yàn)測試，獲取不同時(shí)間下磨損PDC鉆頭的鉆壓、扭矩、機(jī)械鉆速以及鉆頭振動(dòng)的變化特性，為鉆頭的合理使用以及為形成PDC 鉆頭井下工況評(píng)價(jià)方法提供基礎(chǔ)。

2.1 鉆進(jìn)試驗(yàn)裝置

磨損PDC 鉆頭的鉆進(jìn)試驗(yàn)在西南石油大學(xué)的鉆頭試驗(yàn)系統(tǒng)上開展，圖11 為鉆進(jìn)試驗(yàn)裝置。為方便測量鉆頭的受力以及振動(dòng)，試驗(yàn)過程中由下部轉(zhuǎn)盤的反向旋轉(zhuǎn)代替鉆頭的旋轉(zhuǎn)。鉆頭試驗(yàn)架可以實(shí)現(xiàn)如下參數(shù)的調(diào)節(jié)，鉆壓為0～300 kN，轉(zhuǎn)速為0～200 r/min，工具空間≤7.5 m，鉆進(jìn)行程為600 mm，排量為30 L/s，泵壓為10 MPa。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 井底模式分析

井底模式是分析磨損PDC 鉆頭破巖特性的主要依據(jù)之一。圖12 為井底刮痕對(duì)比，新鉆頭在巖石上形成了一簇同心圓狀的刮切痕跡，而磨損鉆頭僅在心部區(qū)域的刮痕較為明顯。整體上看，新鉆頭能夠形成凹凸不平的非光滑井底模式，而鉆頭發(fā)生磨損后，巖石表面較為平整。凹凸不平的井底形態(tài)利于切削齒的吃入，巖石應(yīng)力明顯集中，利于破巖效率的提高，而光滑的井底模式吃入能力和破巖效果較差。

2.2.2 磨損高度對(duì)機(jī)械鉆速和扭矩的影響

不同磨損高度的鉆頭在硬砂巖中鉆進(jìn)時(shí)機(jī)械鉆速與鉆壓的關(guān)系，如圖13 所示。新鉆頭和磨損鉆頭的機(jī)械鉆速均隨著鉆壓的增加而增加，且新鉆頭的機(jī)械鉆速對(duì)鉆壓的變化最為敏感。從圖13 中還可以看出：隨著磨損高度的增加，機(jī)械鉆速減小，當(dāng)磨損高度大于3.0 mm 時(shí)，機(jī)械鉆速顯著降低，且隨著鉆壓的增加，機(jī)械鉆速增加不明顯。

鉆井過程中鉆頭的扭矩通過鉆柱的扭曲來傳遞，當(dāng)鉆頭的扭矩達(dá)到巖石破碎所需的能量時(shí)，巖石被破碎，鉆頭開始運(yùn)動(dòng)。假設(shè)鉆井過程是一個(gè)連續(xù)過程，取某個(gè)微小時(shí)間段對(duì)鉆柱鉆頭組合進(jìn)行受力分析，建立軸向和周向上的運(yùn)動(dòng)微分方程[12-13]：

不同磨損高度的鉆頭在硬砂巖中鉆進(jìn)時(shí)扭矩與鉆壓的關(guān)系如圖14 所示。圖14 中：隨著鉆壓的增加，各類鉆頭的扭矩增加，而磨損鉆頭的扭矩與磨損高度的變化關(guān)系不明顯。鉆井工程中，當(dāng)機(jī)械鉆速降低時(shí)，通常通過增加鉆壓來獲取更大的機(jī)械鉆速，但當(dāng)鉆壓增大而機(jī)械鉆速變化不明顯時(shí)，就可判斷鉆頭發(fā)生了嚴(yán)重的磨損。

2.2.3 磨損高度對(duì)侵入能力的影響

侵入能力是評(píng)價(jià)鉆頭鉆進(jìn)性能的重要指標(biāo)，一般而言，相同條件下侵入深度越大，破巖效率越高，鉆進(jìn)性能就越強(qiáng)，反之亦然。圖15 為不同程度磨損鉆頭在硬砂巖中鉆進(jìn)時(shí)切削深度hDOC 與鉆壓的關(guān)系。如圖15 所示：鉆進(jìn)時(shí)，不同磨損程度鉆頭的切削深度均隨著鉆壓的增加而增大。鉆頭的磨損程度越低，切削深度越大，這是因?yàn)橄嗤瑮l件下磨損程度越高，切削齒磨損平面面積越大，切削齒的比壓越低。當(dāng)鉆頭磨損程度為重度磨損時(shí)，hDOC 顯著下降。在相同鉆壓下，全新鉆頭的hDOC 是重度磨損鉆頭的數(shù)倍以上。

其中：R 為鉆頭機(jī)械鉆速，m/h；n 為鉆頭鉆速，r/min。

2.2.4 磨損高度對(duì)機(jī)械比能的影響

機(jī)械比能E_s最早由TEAL 提出[14]，是鉆壓和扭矩的函數(shù)，單位為 MPa，是指單位時(shí)間內(nèi)用鉆壓和扭矩破碎單位體積巖石所需的能量[15-16]。

鉆井過程中一般用巖石抗壓強(qiáng)度和機(jī)械比能的比值量化鉆井效率，在相同鉆井條件下使用不同磨損程度的鉆頭鉆進(jìn)相同巖石樣本時(shí)，可以近似認(rèn)為鉆進(jìn)性能與機(jī)械比能呈負(fù)相關(guān)。

圖16 為不同磨損程度鉆頭在不同鉆壓下的機(jī)械比能。在相同鉆壓下，磨損程度越高，機(jī)械比能越大；隨著鉆壓的增加，不同磨損程度鉆頭的機(jī)械比能降低。但當(dāng)鉆頭磨損程度大于3.0 mm 時(shí)，機(jī)械比能隨著鉆壓的增加變化不明顯，這一現(xiàn)象在現(xiàn)場鉆井時(shí)經(jīng)常發(fā)生。

2.2.5 磨損高度對(duì)鉆頭振動(dòng)特性的影響

鉆頭的振動(dòng)特性在一定程度上反映了鉆頭的性能，鉆進(jìn)過程中用加速度表征鉆頭振動(dòng)特性， 單位為g。圖17 為不同磨損程度鉆頭的振動(dòng)規(guī)律，其中巖石為硬砂巖，鉆壓為20 kN，轉(zhuǎn)速為50 r/min。磨損鉆頭和新鉆頭的振動(dòng)規(guī)律一致，切向振動(dòng)最大，軸向振動(dòng)次之，徑向振動(dòng)最小。鉆頭磨損程度越大，振動(dòng)越小，這是因?yàn)殂@頭磨損程度越高，侵入地層的能力越差。新鉆頭和輕度磨損鉆頭振動(dòng)強(qiáng)度接近，而當(dāng)磨損程度達(dá)到中度磨損以后，振動(dòng)顯著降低。從圖17 中還可看出：不管是何種磨損程度的鉆頭，徑向振動(dòng)均變化不大，為0.38～0.56 g。

3 結(jié)論

通過單齒切削試驗(yàn)和全尺寸鉆頭破巖試驗(yàn)對(duì)磨損齒PDC 鉆頭切削性能進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

（1）分析了侵入深度、磨損高度、磨損類型、齒徑、前傾角以及巖性對(duì)切削載荷的影響規(guī)律。隨著磨損高度的增加，PDC 齒的切削載荷和波動(dòng)程度均顯著增大，切削齒隨著磨損加劇其受載情況更加惡劣，易發(fā)生失效。切削齒在前傾角為10°時(shí)，發(fā)生磨損后接觸面積增加較快，因此鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮前傾角和磨損平面對(duì)切削齒破巖能力的影響。

（2）與正常磨損齒相比，齒刃“磨圓”后，刮痕凹凸不平程度更高，切削齒與巖石互作用過程中有明顯鈍搓現(xiàn)象，這種破巖方式能量利用率很低，切削性能顯著降低。因此，在鉆進(jìn)研磨性強(qiáng)的地層時(shí)，首選抗研磨性強(qiáng)的切削齒，避免因磨損導(dǎo)致的切削齒攻擊地層能力減弱和齒刃磨圓現(xiàn)象。

（3）全尺寸鉆頭試驗(yàn)結(jié)果表明：相比于新鉆頭，磨損齒鉆頭產(chǎn)生的井底更加光滑，不利于切削齒侵入地層，加之磨損齒比壓低，吃入地層能力進(jìn)一步減弱。鉆頭發(fā)生磨損后，機(jī)械鉆速或切削深度快速下降，機(jī)械比能增加，當(dāng)齒磨損高度大于3.0 mm 時(shí)，機(jī)械鉆速和機(jī)械比能對(duì)鉆壓的變化不敏感。隨著磨損程度的增加，鉆頭的振動(dòng)程度減小，且不管何種磨損程度的鉆頭，徑向加速值差異不大。當(dāng)持續(xù)增加鉆壓，鉆進(jìn)指標(biāo)不再增加時(shí)，可以認(rèn)為鉆頭發(fā)生了嚴(yán)重磨損，應(yīng)起鉆，避免鉆頭進(jìn)一步失效。