強研磨性硬巖PDC鉆頭磨損機理及磨損分布規律研究

2018-09-05 11:32:36鄒德永楊宏偉

特種油氣藏 2018年4期

王濱，李軍，鄒德永，楊宏偉，黃濤

(1.中國石油大學(北京)，北京 102249；2.中國石油大學(華東)，山東青島 266580)

0 引言

常規PDC鉆頭在鉆進火成巖(玄武巖、花崗巖等)這類強研磨性硬巖時，磨損情況復雜，失效形式多樣，破巖效率和使用壽命嚴重降低。為拓寬PDC鉆頭適用范圍，國內外學者在新型PDC齒研發、鉆頭個性化設計、優化布齒方式等方面做了大量的工作[1-14]，但在PDC鉆頭微觀磨損機理及磨損分布規律等方面的研究仍存在不足，一定程度上制約了PDC鉆頭結構的有效優化及綜合性能的快速提升。針對該問題，對火成巖中PDC鉆頭磨損形式、磨損機理和磨損分布規律進行了系統研究，并提出了鉆頭優化建議。

1 火成巖PDC鉆頭磨損形式與機理研究

采用ST-500A電子顯微鏡對青海、華北等油田火成巖地層中使用的25支PDC鉆頭切削齒磨損情況進行觀測研究。鉆進火成巖時PDC齒磨損形式復雜多樣，根據磨損機理可分為2種：PDC齒磨料磨損和PDC齒沖擊損壞。

1.1 PDC齒磨料磨損

磨料磨損主要發生在使磨粒不斷碎化的工件表面上，鉆進強研磨性硬巖時，PDC齒發生磨料磨損的表現形式可分為3種：磨料研磨磨損、磨料沖擊磨損和磨料射流磨損。

(1) 磨料研磨磨損。磨料研磨磨損主要發生在PDC齒的WC層(硬質合金層)上。PDC切削齒切削巖石時，產生巖屑、石英及聚晶金剛石顆粒等磨料粒子，WC層的硬度比磨料粒子硬度低，表面會受到這些粒子不同方向的磨蝕作用，形成犁溝(主犁溝和發散犁溝)，犁溝的兩側伴隨有硬質合金的塑性變形堆積。巖屑等磨料顆粒在磨削WC層同時，也被WC層不斷壓碎，接觸應力不斷增加，逐漸像一個“硬核”一樣“鑲嵌”于WC層中，脫落后則在其表面留下多個凹坑，最終使得WC層表面高低不平。

(2) 磨料沖擊磨損。磨料沖擊磨損主要發生在PDC齒的PCD層(聚晶金剛石層)上。切削齒PCD層相對于巖屑、石英等磨料粒子硬度更高，當磨料粒子在PCD層表面相對運動時，磨料粒子對其磨蝕作用并不明顯，但會在PCD層表面誘發彈塑性裂紋。這主要是由于磨料粒子對PCD層產生的沖擊載荷會以彈性波的形式由表層向心部傳播，當遇到界面后發生反彈，彈性波每往返一次，PCD層中的聚晶金剛石顆粒就受到一次壓縮及拉伸作用，且重復頻率越高，破壞性越強，最終誘發疲勞裂紋并導致切削齒崩碎。

(3) 磨料射流磨損。磨料射流磨損主要發生在PDC齒的WC層上。鉆進強研磨性硬巖時，鉆頭會被含有強研磨性顆粒(巖屑、石英等)的流體所包裹，形成“砂包”[14]，這些研磨性顆粒也會以不同角度高速沖擊切削齒PCD層和WC層，由于PCD層硬度大，研磨顆粒對其主要以磨料沖擊磨損為主，而WC層由于硬度小，塑性更強，研磨顆粒會直接嵌入其中，形成一個深度較深、邊緣平整的凹坑，小角度入射的巖屑粒子則在撞擊后反彈回液流中，在硬質合金表面只留下較淺、較小的擦痕，擦痕周圍無明顯硬質合金的塑性變形。

1.2 PDC齒沖擊損壞

PDC鉆頭冠部切削齒均會發生不同程度的沖擊損壞，主要表現為切削齒的沖擊斷裂、PCD層碎裂及PCD層與WC層脫層。

(1) 沖擊斷裂。PDC齒沖擊斷裂是鉆頭在非理想狀態下破巖時的最常見的損壞方式。PDC切削齒發生沖擊斷裂時的磨損端面和磨料磨損時的端面有所不同(圖1)，磨料磨損時，WC層在巖石切削方向上會出現平行且光滑的劃痕及犁溝，PCD層則有輕微的碎裂出現(圖1a)；沖擊斷裂時，WC層出現平行巖石切削方向的劃痕及犁溝的同時，還會出現與巖石切削方向垂直的鋸齒狀斷裂溝槽，PCD層出現大面積的片狀或塊狀剝離，表面高低不平(圖1b，圖中藍色箭頭表示巖石切削方向，黃色虛線表示溝槽走向)。

PDC齒沖擊斷裂的發生機理為：當切削齒開始切削火成巖時，最先與巖石發生點-線接觸，單位面積沖擊力較大，PDC齒很快出現刃口；隨著刃口的出現，WC層也開始接觸巖石，由于PCD層的強度大，且有WC層作緩沖，其抵抗正向沖擊(扭轉沖擊)的能力優于抵抗切向沖擊(縱向沖擊)的能力，因此，PCD層首先發生平行于齒面方向的剪切裂紋，并逐漸形成大面積片狀剝離；PCD層發生片狀剝離后，其厚度變薄，抵抗正向沖擊的能力減弱，對WC層的保護作用下降，一方面巖石中的石英、燧石等硬質顆粒在扭轉沖擊力作用下可直接擊穿較薄的PCD層表面，在WC層表面形成平行于巖石切削方向的溝槽，另一方面WC層也開始在較強的縱向沖擊剪切作用下發生斷裂，形成垂直于巖石切削方向的鋸齒狀斷裂溝槽；WC層的斷裂缺失反過來又減弱了PCD層抵抗沖擊的能力，最終二者相互促進，形成PDC切削齒的大規模沖擊斷裂。

圖1 PDC切削齒發生磨料磨損和沖擊斷裂時的磨損端面

(2) PCD層碎裂。PCD層碎裂如圖2紅圈所示，主要表現為PCD層表面在垂直于巖石切削方向上出現片狀剝落，和切削齒斷裂時相比，剝落面積更小，且剝落端面比較平整，高低起伏不大，有一個“斷崖”狀的終止端。PCD層碎裂發生的機理為：PDC齒在硬巖中吃入深度較小(小于1 mm)，鉆頭易進入渦動狀態[15]，發生反向切削巖石，此時PCD層所受到的扭轉沖擊不能通過WC層進行緩沖分散，而是在其內部形成拉壓應力循環變化，最終誘發疲勞裂紋，此時聚晶金剛石會以“斷崖”終止端線為旋轉軸從PCD母體上分離出去，形成PCD層的碎裂。

圖2 PDC齒PCD層碎裂

(3) PCD層與WC層脫層。當PCD層與WC層的黏結遭到破壞時會發生二者脫層分離的現象(圖3)。PCD層與WC層分離的機理[16-17]為：鉆頭以磨削方式破碎巖石時，摩擦會在PDC齒與巖石的接觸部位產生巨大的熱應力，致使切削齒產生熱龜裂，鉆井液沖刷冷卻后，由于PCD層與WC層彈性模量相差較大，二者收縮不同步，出現較大的殘余應力，加速裂紋擴展，冷熱交替作用使得金剛石極易從WC層基體上脫落，加速鉆頭失效。同時，由于兩者的彈性模量不匹配，沖擊頻率有所不同， PCD層受到的沖擊不能完全由WC層吸收，當鉆遇硬地層時，也易促使裂紋的形成，加速PCD層與WC層的分離。

圖3 PDC齒PCD層與WC層脫層

2 PDC鉆頭磨損分布規律研究

為更深入研究火成巖地層中PDC鉆頭磨損情況，采用ST-500A電子顯微鏡和V2.2C測量軟件對PDC齒磨料磨損高度和沖擊損壞分布規律進行研究。

2.1 PDC鉆頭磨料磨損高度分布規律

應用V2.2C拍照測量軟件繪制PDC鉆頭切削齒磨料磨損高度隨鉆頭冠部無因次半徑的變化曲線(圖4)。由圖4可知：鉆進火成巖時，鉆頭冠頂、外錐處切削齒磨料磨損高度最大，說明這些部位主要通過研磨作用進行破巖，承擔主要破巖任務；內錐處切削齒磨料磨損高度最小，這主要是由于內錐部位切削齒旋轉半徑小，線速度低，破巖效率也相對較低；鉆頭保徑處附近切削齒磨料磨損高度較小，但由于保徑附近的切削齒往往進行了預切齒處理，即使較小的磨損高度依然對應較大的磨損體積，說明保徑齒在破碎強研磨性硬巖過程中與井壁摩擦作用強烈，容易產生負面作用。

圖4 PDC鉆頭切削齒磨料磨損高度隨鉆頭冠部無因次半徑變化曲線

2.2 PDC鉆頭沖擊損壞分布規律

PDC鉆頭切削齒沖擊損壞分布規律如圖5所示。由圖5可知：①鉆進強研磨性硬巖時，鉆頭冠頂、外錐處切削齒全部發生沖擊損壞且損壞情況最為嚴重，主要為PCD層碎裂，同時伴隨有切削齒的斷裂和PCD層與WC層的分離，說明鉆頭冠頂及外錐切削齒承受了巖石大部分沖擊，如橫向、縱向和扭轉沖擊等，破巖條件最為苛刻，單純靠PDC切削齒已經無法有效地完成破巖任務。②PCD層碎裂從鉆頭內錐到保徑齒均有出現，且隨著半徑的增大出現次數越來越多，說明鉆頭在鉆進過程中一直存在渦動現象。因此，降低鉆頭渦動應作為強研磨性硬巖PDC鉆頭改進的一個重要方面。③鉆頭中心處個別PDC齒出現斷裂現象，說明此處切削齒由于線速度較小，剪切破巖效率較低，主要是通過沖擊壓碎作用破碎井眼中部巖石。④保徑處一些PDC齒發生嚴重的切削齒斷裂以及PCD層和WC層分離現象，說明保徑齒在鉆進過程中與井壁產生了強烈的相互碰撞，同時，強烈的磨料射流作用也會磨蝕切削齒WC層，并最終使得PCD層失去WC層的保護而斷裂。

圖5 PDC鉆頭切削齒沖擊損壞分布規律散點圖

3 PDC鉆頭優化建議

為提升PDC鉆頭在強研磨性硬巖中的綜合性能，基于PDC鉆頭磨損機理以及磨料磨損高度和沖擊損壞分布規律的研究，提出如下建議。

(1) 改進切削齒性能。鉆進強研磨性硬巖需從粉末混拌工藝、熱壓參數優選、PCD層與WC層界面優化[2]、齒形優化等方面對PDC齒性能進行改進。

(2) 優化鉆頭水力結構。鉆進強研磨性硬巖時PDC鉆頭水力結構需進行強化，增布水眼數目，做到一個刀翼至少配置一個水眼，同時還應對水眼的直徑、布置角度等參數進行優化，以保證充分清潔井底的同時輔助破巖[3]。

(3) 增布輔助切削齒。鉆進強研磨性硬巖時單純靠PDC切削齒本身不能有效滿足高效破巖的要求，需增布加強齒進行輔助破巖，如金剛石孕鑲塊、錐形及斧形PDC齒等[4-6]。

(4) 提升鉆頭穩定性。強研磨性硬巖中，提升PDC鉆頭穩定性十分重要，如采用多級力平衡布齒方式，讓所有切削齒的合力中心盡量和鉆頭中心重合，降低鉆頭受到的側向力[10]；采用非均勻布置刀翼法[8]，打破鉆頭發生渦動時的固有頻率。

(5) 提高鉆頭對巖石的適應性。當地層非均質性較強、巖石強度變化較大時，鉆頭發生沖擊損壞的概率大幅增加，需在PDC齒后排布置“控深結構”，并通過參數優化來實現鉆頭對不同性質巖石的“等深吃入”，從而最終達到PDC鉆頭適應多種地層的目的[4，9]。

(6) 提高鉆頭破碎巖心柱能力。鉆頭中心布齒空間小，PDC齒切削弧長較大，切削線速度低，導致中心巖柱不能被快速破碎而降低鉆頭破巖效率。因此，應對PDC鉆頭中心布齒類型及參數進行改進，如：減小中心PDC齒直徑，優化布齒參數，改用錐形PDC齒沖擊壓碎巖心柱，中心布置高壓射流噴嘴輔助破巖等[10-12]。

(7) 強化保徑結構[13-14]。為抑制PDC鉆頭與井壁巖石強烈摩擦產生縮徑及“砂包”沖蝕磨損，進而降低渦動及掉齒事故發生的概率，需對鉆頭的保徑齒結構進行加強，可采用“主動保徑+低摩擦保徑塊被動保徑”的加強型保徑設計，低摩擦保徑塊可采用孕鑲金剛石的設計方法，通過優選金剛石粒度增強“打滑”特性。