高溫地熱井三牙輪鉆頭的研制與應用

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]。高溫環境下金屬部件會產生材料的高溫蠕變現象，當變形量超過一定范圍時，就表現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值模擬研究發現，較短的裝配距離能夠獲得更合理的應力分布[19-23]。此外，高溫環境下所造成的齒孔塑性變形，經過變載的不斷作用，將會使孔壁無法維持對切削齒的緊固狀態，從而導致切削齒脫落[24-25]。齒孔周向和徑向應力轉變為拉應力是導致齒孔產生裂紋的重要因素[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，基于實驗研究和數值模擬，探討了高溫環境下固齒強度的影響因素及其規律；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區塊（肯尼亞）地熱井鉆井中進行了現場應用。

1 高溫環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、位移傳感器來實現壓力與位移的采集與測量，實驗規劃如表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 軸向加載實驗規劃表

實驗考慮3種因素，分別為切削齒直徑、過盈量和環境溫度，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；環境溫度則根據典型鉆井環境，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，切削齒開始發生移動，即認為齒孔對切削齒的固齒力已遭到破壞，繼續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增加，因此在壓載曲線上表現仍為上升趨勢；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，不同的過盈量區間范圍內固齒力隨環境溫度升高的變化趨勢實測結果，如圖6所示。第一區間（0.074～0.076 mm）范圍內固齒力下降約76.7 %，第二區間（0.091～0.095 mm）范圍內固齒力下降約28.6 %，第三區間（0.111～0.113 mm）范圍內固齒力下降約50.9%。可見在過盈量在第二區間范圍內，固齒力下降趨勢較為平緩，受環境溫度的影響較小。

圖6 牙輪鉆頭齒孔固齒力隨環境溫度變化的實測趨勢圖

過盈量在第二區間范圍內時，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，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，故通過采用數值模擬方法研究溫度對切削齒固齒強度的影響規律，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。分別選取0.075 mm、0.085 mm、0.095 mm、0.105 mm 4種過盈量，在齒孔鑲齒狀態下的齒孔內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，直至達到相同的穩定狀態；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生，容易造成疲勞損傷、殼體斷裂等失效現象的發生。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場應用

3.1 產品研制

基于前述固齒強度分析結果，以東非地區肯尼亞高溫地熱井牙輪鉆頭為例，開展鉆頭固齒工藝優化設計，配合結構個性化設計形成新型三牙輪產品。主要優化設計包括兩個方面：①使用大直徑切削齒并優化過盈量，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 現場應用

該型鉆頭在肯尼亞OLKARIA區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攜巖。鉆井參數如表4所示。

表4 現場試驗鉆井參數表

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。與未優化前相比，三牙輪鉆頭切削齒掉齒明顯減少，該現象表明本文所研究固齒強度優化工藝和產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，無掉齒現象發生，鉆頭整體新度約為75%，具備二次下井條件。由現場試驗結果可知，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條件下，在180 ℃環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優化設計，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、西藏自治區及海南省等地區高溫地熱鉆井應用中提供技術參考。