鉆頭磨損機理及改進技術研究

嚴博宇

（大慶鉆探工程公司鉆井四公司，吉林 松原 138000）

旋轉鉆井是勘探開發石油天然氣的最常用技術，旋轉鉆井主要使用的鉆頭是牙輪鉆頭和聚晶金剛石復合片(PDC)鉆頭[1]。牙輪鉆頭通常有一個或多個旋轉錐體，每個錐體在鉆井過程中都圍繞自己的軸旋轉，而PDC鉆頭的刀頭是固定的，沒有移動部件，跟隨鉆柱的鉆壓和旋轉而鉆進。鉆頭的磨損是造成鉆井成本增加的主要因素之一，因此可以通過有效控制和減小鉆頭磨損來節約鉆井施工成本。本文首先研究了鉆頭的磨損分析方法，闡明了鉆頭的磨損機制，以便更好的了解牙輪鉆頭和PDC 鉆頭的失效模式，以期達到提高鉆頭抗磨性、節約鉆井時間和鉆井成本的目的。

1 鉆頭磨損機理分析

多年來，石油行業的科研人員一直通過不斷的科學研究和技術探索來滿足安全高效鉆探油氣資源的需要。其中一項重要的研究內容就是通過優化鉆頭性能來最大程度地提高鉆井效率并降低相關的鉆井成本[2-3]。其中重要的技術手段之一就是通過使用最佳的材料和設計方法來改進鉆頭的制造工藝。由于石油鉆井行業中最常使用的鉆頭是牙輪鉆頭和PDC 鉆頭，因此大部分研究都是圍繞著這兩種鉆頭開展的。

牙輪鉆頭誕生至今已經有一百多年的歷史了，其制造和設計過程也經歷了一系列進步。第一只牙輪鉆頭是1908 年制造的，由兩個錐形銑齒鉆頭組成并采用了金剛石增強材料以及改進的軸承和密封件。PDC鉆頭自1970 年被發明后，其制造技術也得到了飛速發展。目前牙輪鉆頭和PDC 鉆頭廣泛用于鉆孔作業，具體使用條件取決于所鉆巖層和所需達到的鉆井目的。

1.1 牙輪鉆頭的磨損機理

鉆頭磨損被定義為材料的宏觀或微觀缺失及斷裂。Mouritz 和Hutchings 研究了牙輪鉆頭齒所使用材料的磨損率，以及這些材料的磨損機制。牙輪鉆頭的齒通常為三層構造，外層由WC-Co堆焊層組成，第二層由高碳馬氏體鋼制成，第三層是由低碳馬氏體鋼構成的齒芯。用鉆頭齒所使用的材料制成小圓柱形作為待測樣品，使用砂巖等抗磨蝕性巖石和石灰巖等非磨蝕性巖石模擬石油鉆探中最常見的巖層[4-5]。

1.1.1 磨損測試

將材料試樣在砂巖和石灰巖盤上研磨，總時間為300s。通過對質量損失進行測量得知，砂巖試樣上牙輪鉆頭切削齒材料的磨損率是石灰石試樣140 倍。金屬樣品的硬度順序為：低碳鋼＜高碳鋼＜WC-Co 合金。材料的磨損率取決于其硬度（Hm）與磨料硬度（Ha）之比。當（Ha/Hm)＜1時，意味著磨料不易劃傷材料，磨損率極低。然而，當(Ha/Hm)＞1.2時，磨料更能劃傷材料，會導致高磨損率。測試中使用的三種材料中低碳鋼的硬度值為460HV、高碳鋼為700HV、WC-Co 合金為1320HV。砂巖的主要成分石英的硬度值為1100HV、巖石碎片為950HV、長石為875HV，均是較為堅硬的物質，而石灰巖主要由方解石組成，其硬度為110HV，小于試樣的硬度。試樣對石灰石的磨損試驗表明，其耐磨性隨硬度增加而增加。因此，在鉆遇砂巖地層時，牙輪鉆頭齒外層的WC-Co 合金由于硬度高而磨損緩慢，但當該層損壞后，齒將面臨嚴重的磨損。

1.1.2 劃痕測試

該測試旨在模擬硬質礦物顆粒在鉆頭上滑動時產生的磨損情況。該測試是在拋光的鉆頭材料上滑動鋒利的金剛石觸針來進行的。攻角（θc）定義為測針切割面與試樣表面之間的夾角，在磨損過程中選擇不同攻角。本次實驗選擇的攻角范圍為6°～86°。通過掃描電子顯微鏡（SEM）檢查樣品的劃痕表面。用金剛石觸針對低碳鋼和高碳鋼試樣進行劃痕。在微銑中，材料被移到磨損槽的側面，并且材料不會從表面上去除，而在切削過程中，在槽的末端會形成切屑，并且材料會從表面上去除。結果表明，當θc＜36°進行劃痕試驗時，銑的過程占主導地位，而當36°≤θc≤86°時，銑和切削過程都發生。86°以上的磨損主要是由切削引起的。Osburn的研究結果證明巖石硬度對碳化鎢鉆頭的磨損有強烈影響，在高溫下磨損更為嚴重（熱磨損），導致鉆頭熱疲勞，因此在牙輪鉆頭制造過程中，WC晶粒必須具有完美的結構，以便獲得最大的抗斷裂性。牙輪鉆頭的主要失效模式如下：沖擊壓裂、熱疲勞、磨損和由于過載引起的機械疲勞。

1.2 PDC鉆頭的磨損機理

相對而言，PDC 鉆頭比傳統牙輪鉆頭的工作效率更高。在正常鉆進條件下，PDC 鉆頭50%以上的鉆進能量被刀具磨損所消耗。因此，為了更好地提高鉆頭效率，應對鉆頭與巖石之間的相互磨損作用進行深入研究。Dunn 認為PDC 鉆頭失效的主要原因是由于燒結過程中產生的拉應力誘發裂紋，并在整個金剛石臺面和基材中傳播。PDC 鉆頭通常會遇到如下問題：①金剛石層碎裂；②螺柱斷裂；③磨粒磨損；④液壓性能差；⑤清潔效率不足；⑤在鉆頭上施加大鉆壓時鉆頭的偏離；⑥由于碳化鎢螺柱的粘合不良而劃傷刀具的復合層；⑦熱失效。PDC 鉆頭的主要失效原因是由于摩擦熱和巖石的高磨蝕性。根據磨損機制的類型可將PDC 鉆頭劃分為四種主要失效模式：平滑磨損、微碎裂、嚴重破裂（剝落）和分層。其中平滑磨損主要發生于由于機械和熱負荷而被拋光的單個金剛石晶體，該類型的磨損相對較輕，因為磨損并不嚴重。沿PDC 刀具或刀片的金剛石臺面邊緣發生微碎裂的主要原因是熱疲勞、機械疲勞和鉆頭切削力的作用。嚴重破裂（剝落）是導致PDC 刀具損壞并縮短鉆頭壽命的最嚴重故障類型，這種故障通常發生在高硬度的地層中，由鉆頭與井筒底部的沖擊載荷造成；金剛石和WC層的分層主要是因為兩個層之間熱膨脹系數的不匹配。根據所產生裂縫的尺寸、形狀、大小和分布，可以將壓裂分為四類：微壓裂、中壓裂、大壓裂和極限壓裂。在微壓裂中，裂縫非常薄，只有幾微米的厚度。對于這一類別，裂縫與金剛石臺面平行，并且單個裂縫平面的寬度和長度不超過3mm。在中壓裂，裂縫的厚度大于0.1mm，長度和寬度約為5mm和8mm，裂縫平行于金剛石臺面，不延伸到WC基體。在大壓裂（剝落）中，裂縫很厚并延伸到WC 層中，長度約為8mm，寬度可達12mm，這種類型的故障很嚴重，會導致金剛石臺面的大部分損失。極限壓裂是最有害的，將剝落一半以上的金剛石臺面和大部分WC層。PDC刀具故障的主要類別為：①金剛石和基體層界面附近的分層；②金剛石和臺面基體的塑性變形；③切割邊緣的崩刃；④金剛石臺面崩刃和金剛石晶粒的脫落；⑤磨粒磨損；⑥熱疲勞。

1.2.1 PDC鉆頭的測試

通過對PDC 鉆頭進行不同工況下的測試，以評估它們在復雜的鉆井條件下的性能和適用性。測試分為破壞性測試和非破壞性測試。

1.2.1.1 破壞性測試

在破壞性測試中，鉆頭的刀具將被破壞，無法重復使用。該測試的目的是通過模擬真實的井下條件，來評估刀具在這些條件下的性能。破壞性測試又可分為磨損測試和沖擊測試。

磨損測試是指刀具在巖石上的耐磨損能力，耐磨性主要取決于巖石中礦物質的硬度。通常使用花崗巖或硬砂巖等高磨蝕性巖石作為測試對象。磨損試驗在立式轉塔車床（VTL）上開展。刀具被固定在VTL 上，巖石樣品放置在刀具下方。刀具以一定深度（通常小于1mm）處壓入巖樣，巖樣以固定轉速旋轉，并以螺旋模式從巖石外圓周橫向移動到軸心。使用計算機程序來控制VTL 的滑動速度。在干式VTL 測試中，刀具沒有冷卻介質，因此大部分摩擦熱進入刀具，加速了金剛石向石墨的轉變過程。該測試可以評估PDC刀具在高溫下的穩定性以及刀具的耐磨性。由于鈷的存在，PDC刀具的金剛石層在接近700℃時會轉化為石墨，當溫度升高時，金剛石向石墨的轉變會加速。濕式VTL測試（使用空氣或水）可以評估刀具在中等溫度下的使用壽命。在這種情況下，發生的磨損主要取決于巖石的磨蝕性，并可以通過刀具的重量損失來衡量其磨損情況。VTL測試的另一個目標是研究金剛石顆粒在與花崗巖或硬砂巖等硬質巖樣摩擦時對其微碎裂和氣泡的抵抗力。

沖擊測試是測試刀具從給定高度并在15°～25°變化的傾斜角下受到的沖擊情況。在20～100J 的沖擊能量下測試的22 個刀具的結果顯示：只有6 個刀具在測試中沒有受到損害，為0%散裂，其余刀具均有60%～80%散裂，平均整體散裂度為68%。而在鉆井領域，刀具可接受的散裂強度需要低于30%。因此，沖擊測試可用于評估刀具的質量。

1.2.1.2 半破壞性測試

研究人員開展了WC-Co陶瓷和金剛石等材料的微米和納米壓痕測試以及微米和納米劃痕測試，用以測量刀具的硬度和楊氏模量，上述測試對于測量PDC 刀具的機械性能和揭示PDC 刀具的主要磨損機制至關重要。

Ndlovu等人對嵌入鈷中的不同碳化鎢進行了微米和納米壓痕測試，用以測量WC-Co的機械性能，并將獲得的結果與晶粒微觀結構的影響聯系起來。在微劃痕測試中研究了硬質合金的磨損，并發現WC晶粒尺寸越小，劃痕寬度和深度越小；因此較細的WC 晶粒具有更好的抗劃傷性。

Xie研究了不同類型WC-Co陶瓷的抗磨性能，通過使用微劃痕測試來監測此類材料的塑性變形和失效，并將磨損特性與基于材料損失測量的多種材料相關聯。

Sawa對天然金剛石壓痕進行了楊氏模量實驗。實驗獲得的曲線顯示出高度的彈性恢復，測試用天然金剛石的楊氏模量為1090～1217GPa。

Abbas 研究了不同品牌PDC 刀具的磨損情況。使用微米和納米劃痕設備對樣品進行評估。結果表明，微米和納米劃痕測試結果主要取決于測試材料的幾何形狀，因此可以獲得可量化的磨損情況。此外，納米劃痕測試還可以顯示測試后的失效階段。

1.2.2 非破壞性測試

非破壞性測試主要用來檢查刀具內部的空隙和缺陷，特別是金剛石與碳化物界面處的問題。非破壞性測試中最常使用的技術是顯微測試和CT 掃描。CT 掃描是使用0.2～800MHz 的超聲波來檢測金剛石臺面中的分層和空隙，即可以檢測到小缺陷，也可以確定它們的大小和位置。聲發射韌性測試(AETT)可用于定量評估PDC刀具在高壓和高溫(HPHT)燒結過程中產生的金剛石—金剛石晶粒之間的沖擊強度。

2 改進牙輪鉆頭和PDC鉆頭的新方法

2.1 增強性刀片

Sneddon 介紹了一種新的復合過渡層(CTL)技術可以改善PDC鉆頭的耐磨性。該技術生產的刀具的過渡層由相互結合的PDC片和燒結的WC-Co顆粒組成。刀具的外層完全是PDC，然后逐漸增加WC-Co的用量，內層由100%的WC-Co 組成。復合PDC-WC-Co 層的制造使刀具呈圓形或彎曲形狀，比傳統刀具具有更高的抗沖擊性。

2.2 金剛石增強刀片

科布等人研發了金剛石增強刀片(DEI)技術，其刀片由復合聚晶金剛石制成，主要用于牙輪鉆頭。該技術已開展了多次商業化實驗，結果表明，使用金剛石增強刀片可減輕惡劣鉆井條件下的鉆頭磨損。

3 結論

（1）磨蝕磨損是牙輪鉆頭發生的主要磨損類型。對花崗巖或硬砂巖等堅硬地層進行磨削是牙輪鉆頭磨損的主要原因。

（2）PDC 鉆頭最常見的磨損類型是磨損和沖擊。當PDC 鉆頭在高溫環境中鉆進時，熱降解會引起磨粒磨損，導致金剛石轉化為石墨（石墨化）。

（3）使用先進的鉆頭刀具測試儀器，可以更好地了解牙輪鉆頭和PDC鉆頭在各種鉆孔條件下的耐用性。