地質(zhì)勘探鉆頭失效機(jī)理研究

【摘要】隨著我國(guó)石油等資源勘探工作的不斷深入，我國(guó)地質(zhì)勘探環(huán)境也越來(lái)越惡劣，鉆頭失效情況越來(lái)越多。本文介紹了地質(zhì)勘探鉆頭失效的形式，分析了鉆頭失效的主要機(jī)理，旨在促進(jìn)地質(zhì)勘探工作的進(jìn)一步發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】失效形式；失效機(jī)理；鉆頭本體；硬質(zhì)合金齒

目前地質(zhì)勘探鉆頭沖擊破巖主要是利用鉆頭軸向沖擊和鉆頭回轉(zhuǎn)刮削兩種作用，這兩種作用造成鉆頭不僅要承受高頻的沖擊應(yīng)力，還要承受巖石的剪切反力，受力情況極為復(fù)雜。另外在實(shí)際工程工作中，地質(zhì)勘探工作環(huán)境惡劣，鉆頭失效情況十分嚴(yán)重，已經(jīng)影響到了地質(zhì)勘探工作的效率，因此研究地質(zhì)勘探鉆頭失效機(jī)理具有極其重要的意義。

一、地質(zhì)勘探鉆頭失效形式

地質(zhì)勘探鉆頭失效部位主要是勘探鉆頭本體以及鉆頭硬質(zhì)合金齒。地質(zhì)勘探鉆頭本體失效是指鉆頭花鍵和鉆頭沖擊端面失效，花鍵失效主要形式是花鍵側(cè)面塑性變形之后受壓剝落，而鉆頭沖擊端面主要失效形式是斷面金屬?zèng)_擊疲勞。鉆頭硬質(zhì)合金齒失效形式主要是合金齒磨損、斷裂以及脫落等。

二、地質(zhì)勘探鉆頭本體失效機(jī)理分析

（一）勘探鉆頭花鍵部位失效機(jī)理。鉆頭花鍵是鉆頭沖擊巖石進(jìn)行地質(zhì)勘探的軌道，將鉆頭與沖擊器連接成一個(gè)整體。對(duì)鉆頭工作時(shí)的花鍵進(jìn)行受力分析，可知花鍵側(cè)面在鉆頭沖擊過(guò)程中既會(huì)受到由于變化的剪切反力造成的脈動(dòng)壓應(yīng)力，還會(huì)受到脈動(dòng)壓應(yīng)力帶來(lái)的摩擦等，容易造成花鍵失效。通常來(lái)說(shuō)鉆頭花鍵失效主要有兩方面原因，第一鉆頭花鍵本身的硬度較低，通常花鍵材料與鉆頭母體材料形同，但在脈動(dòng)壓應(yīng)力下花鍵側(cè)面容易產(chǎn)生塑性變形；第二鉆頭花鍵配合間隙不均勻，花鍵與沖擊器之間需要保持一定的間隙配合才能保證鉆頭正常的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，但由于金屬加工、運(yùn)輸以及安裝等原因，鉆頭花鍵齒與沖擊器之間的配合間隙不夠均勻，花間配合間隙大小不一，若是花鍵配合間隙過(guò)于小，則此配合花鍵齒上應(yīng)力過(guò)于集中，容易導(dǎo)致花鍵失效，若是花間配合間隙過(guò)大，則花鍵在鉆頭回轉(zhuǎn)時(shí)將受到很大的沖擊應(yīng)力從而產(chǎn)生塑性變形。

（二）鉆頭沖擊端面部位失效機(jī)理。在實(shí)際工程中，鉆頭沖擊端面部位失效主要是端面受活塞撞擊導(dǎo)致金屬?zèng)_擊疲勞。由于活塞與鉆頭沖擊端面不能全面接觸，其作用力方向不一定與鉆頭軸線重合，在大量的沖擊作用下必然會(huì)產(chǎn)生偏心撞擊，使沖擊端面產(chǎn)生塑性變形。在沖擊端面多次塑性變形后端面會(huì)出現(xiàn)裂紋，裂紋向內(nèi)傾斜，并由內(nèi)部折向沖擊表面，這樣裂紋上部分的材料脫落形成麻點(diǎn)，大量的麻點(diǎn)形成麻坑，麻坑進(jìn)一步擴(kuò)展造成部分淺層脫落，脫落部位被活塞沖擊打平，再次產(chǎn)生裂紋，如此反復(fù)，直到?jīng)_擊端面脫落達(dá)到2毫米以上時(shí)，活塞已經(jīng)不能夠有效傳遞能量，鉆頭沖擊端面失效。另外若在沖擊端面產(chǎn)生塑性變形后，活塞多次沖擊作用在沖擊端面上，可能會(huì)使裂紋源出現(xiàn)在端面最大切應(yīng)力處，進(jìn)一步?jīng)_擊使得裂紋擴(kuò)展到表面形成凹坑，裂紋垂直于端面時(shí)會(huì)造成大塊深層脫落，裂紋平行于端面時(shí)則出現(xiàn)端面淺層脫落，這兩種情況都會(huì)造成沖擊端面失效。

三、勘探鉆頭硬質(zhì)合金齒失效機(jī)理分析

（一）硬質(zhì)合金齒的磨損研究。地質(zhì)勘探鉆頭一方面利用沖擊回轉(zhuǎn)力破碎巖石，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)合金齒與巖石之間的兩體磨粒磨損，另一方面依靠高壓氣流排出巖石巖屑，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)合金齒與巖石、巖屑之間的三體磨粒磨損。在實(shí)際工作過(guò)程中可以將硬質(zhì)合金齒的磨損分為四類(lèi)，一是兩體磨損時(shí)出現(xiàn)的合金齒表面刮削磨損，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的合金齒遇到巖石尖銳的棱角時(shí)，合金齒圓弧處將受到非常高的壓應(yīng)力，表面出現(xiàn)壓痕或者是脆斷，當(dāng)脆斷后的合金齒表面與巖石大角度相遇時(shí)則容易出現(xiàn)刮削磨損；二是高應(yīng)力碾碎磨粒磨損，在鉆頭破碎巖石時(shí)，若是硬質(zhì)合金齒與磨粒之間的最大壓應(yīng)力超過(guò)了磨粒的極限破壞強(qiáng)度，則會(huì)將磨粒不斷碾碎，在接觸點(diǎn)處產(chǎn)生集中壓應(yīng)力，該壓應(yīng)力反復(fù)作用使硬質(zhì)合金齒出現(xiàn)疲勞破壞，也即出現(xiàn)高應(yīng)力粘碾碎磨損；三是磨粒在硬質(zhì)合金齒表面滑滾進(jìn)而出現(xiàn)推擠、碾壓等磨損；最后一種是三體磨粒磨損時(shí)高壓氣流排出巖石巖屑的沖刷磨損，這種磨損不易發(fā)現(xiàn)，需要在特殊的合金齒表面形貌下才能發(fā)現(xiàn)。

（二）硬質(zhì)合金齒斷裂研究。在實(shí)際工程中，硬質(zhì)合金齒斷裂進(jìn)而導(dǎo)致合金齒失效主要有三種：第一種是沖擊剝落， 根據(jù)相關(guān)理論介紹，在應(yīng)力沖擊波通過(guò)硬質(zhì)合金齒傳遞給巖石時(shí)，將出現(xiàn)反射波，反射波會(huì)以拉應(yīng)力波的形式返回到鉆頭處，若是巖石與合金齒接觸不良，拉應(yīng)力波將加大，合金齒抗拉強(qiáng)度比抗彎強(qiáng)度低很多，再加上合金齒兩側(cè)面受到很大的巖石剪切應(yīng)力，因此硬質(zhì)合金齒中存在著不平衡的應(yīng)力場(chǎng)，并且在該應(yīng)力場(chǎng)作用下，硬質(zhì)合金齒顆粒將會(huì)形成微孔，微孔不斷長(zhǎng)大聚合就會(huì)形成微裂紋，微裂紋不斷增加則會(huì)出現(xiàn)大面積的合金齒斷裂，在宏觀上看來(lái)就是硬質(zhì)合金齒表面出現(xiàn)很多剝落坑以及由很多剝落坑連接形成的溝槽。第二種是沖擊疲勞，在大量變化的沖擊壓力作用下，金屬表面會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，而疲勞裂紋不斷增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致合金齒局部剝落。第三種則是沖擊熱疲勞，當(dāng)鉆頭沖擊回轉(zhuǎn)時(shí)，巖石和合金齒之間摩擦將產(chǎn)生沖擊熱，進(jìn)而導(dǎo)致硬質(zhì)合金齒出現(xiàn)沖擊熱疲勞，這種熱疲勞要在足夠的熱應(yīng)力和大量磨損平面使裂紋充分發(fā)展才能夠看到。

（三）硬質(zhì)合金齒脫落研究。一般來(lái)說(shuō)，硬質(zhì)合金齒脫落齒數(shù)大概占到所有齒數(shù)的20%，大多發(fā)生在鉆頭邊緣部分，其發(fā)生原因主要有：首先是鉆頭本體磨損，這是造成邊緣部分脫齒的重要原因，在鉆頭工作時(shí)，鉆桿振動(dòng)導(dǎo)致鉆頭偏心旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而造成鉆頭某一位置瞬時(shí)應(yīng)力很大，使得鉆頭本體部位磨損，暴露出合金齒的齒根部位。其次是合金齒的松動(dòng)問(wèn)題，地質(zhì)勘探鉆頭本體材料硬度比較小，在沖擊載荷的不斷作用下，合金齒與鉆頭本體之間可能會(huì)產(chǎn)生間隙，尤其是邊緣齒松動(dòng)更加嚴(yán)重，其齒孔可能會(huì)出現(xiàn)塑性流動(dòng)、點(diǎn)蝕以及周邊疲勞裂紋。另外還有高壓氣流攜帶的巖屑等固氣混合流體對(duì)鉆頭的沖蝕作用，不斷地磨損鉆頭本體和硬質(zhì)合金齒和活塞沖擊產(chǎn)生的入射波對(duì)合金齒拉伸作用等。

四、總結(jié)

總而言之，在地質(zhì)勘探中鉆頭主要失效部位是鉆頭本體和硬質(zhì)合金齒，因此要想提高地質(zhì)勘探鉆頭的使用壽命，就要做好鉆頭花鍵和沖擊端面的保護(hù)工作，減少硬質(zhì)合金齒的磨損問(wèn)題，延長(zhǎng)鉆頭使用時(shí)間，促進(jìn)地質(zhì)勘探工作的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]張富曉.PDC鉆頭切削齒失效分析與耐磨抗沖擊性能試驗(yàn)研究[D].西南石油大學(xué)，2014.