（油气井工程专业论文）pdc钻头复合片破坏机理研究.pdf

a b s t r a c t t h e r ea r ef o u rc h a p t e r si nt h i sp a p e r , e x o r d i u m s t u d yo np d cc u t t e rw o r no u t m e c h a n i c a l a n ds t u d yo np d cc u t t e rb r e a k i n gm e c h a n i c a l ，c o n c l u s i o n p d cc u t t e rd a m a g i n gs t y l e sa r ed e f i n e da sn o r m a ld a m a g i n ga n da b n o r m a l d a m a g i n gi n t h i s p a p e r t h ei n f l u e n c e so fl o a d ，c u t t i n gs p e e d 。a n dp d c t h i c k n e s so nt h ec u t t e rw e a r i n go u ts p e e da r eb e l o n g e dt on o r m a ld a m a g i n g c a t e g o r y b u ti np r a c t i c e ，t h es t y l eo fp d cc u t t e rd a m a g i n gi sv a r i o u s u pt od a t ep d cb i tt e c h n o l o g ya n de x p e c t a t i o n ，u pt od a t es t u d yo np d c c u t t e r w e a r i n g ，t h ep u r p o s ea n di m p o r t a n c eo ft h i sp a p e ri sd e s c r i b e di n e x o r d i u m t h ei n f l u e n c e so fl o a d ，s p e e d ，t h i c k n e s so fp d co np d cb i t w e a r i n ga r e a n a l y z e di nc h a p t e r2 “s t u d yo np d c c u t t e rw o r no u tm e c h a n i c a l ”b a s e do n t h eg e o m e t r ya n de q u a lc u t t i n go ft h ec u t t e r , t h e o r e t i c a lf u n c t i o no fp d cc u t t e r f o r m a lw e a r i n gi sl e a do u ti nt h i sp a p e r i ti n d i c a t e st h a tp d cc u t t e rw e a r i n g s p e e dw i l lb ei n c r e a s e dw h i l el o a do nc u t t e ra n dc u t t i n gs p e e di si n c r e a s e d ， b u tw i l lb ed e c r e a s e dw h i l et h et h i c k n e s so fp d ci si n c r e a s e d a l s o t h ei n f l u e n c e so fi m p a c te n e r g y b a c kr a k eo ft h ec u t t e r , t h i c k n e s so fp d c o nc h i p p i n gc u t t e ra r ed i s c u s s e di nc h a p t e r3 “s t u d yo np d cc u t t e rb r e a k i n g m e c h a n i c a l ”b a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t a ，p d cc u t t e rc h i p p i n gm o d e li sb u i l t u pb a s e do nt h ed a t af r o mf i e l d i n f l u e n c eo fp r o f i l eo nc u t t e rd a m a g i n gi s d e m o n s t r a t e di ti n d i c a t e st h a tp d cc h i p p i n gs e v e r i t yw i l lb ei n c r e a s e d b y i n c r e a s e di m p a c t e n e r g y ，d e c r e a s e db a c kr a k e ，i n c r e a s e dp d ct h i c k n e s s n e wt h e o r yo ft h ei n f l u e n c eo fi m p a c te n e r g y ，b a c kr a k e t h i c k n e s so fp d c ， a n dp r o f i l eo np d cc u t t e rd a m a g i n gi s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h i sp o i n tw i l l p r o v i d ef o u n d a t i o nf o rb i td e s i g na n da p p l i c a t i o n k e yw o r d s ： p d cb i t p d cc u t t e r 1 0 a d s p e e d ，i m p a c te n e r g y ，b a c kr a k e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油勘探开发研究院或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 中国i 油勘探开发研究院硕士学位论文 第一章绪论 1 1p d c 钻头技术现状与发展展望 11 1p d c 钻头的技术现状“1 自1 9 7 3 年美国c r i s t e n s o n 公司首次在现场试验p d c 钻头开始，p d c 钻头就 一直不断地发展更新。1 9 7 5 年开始工业性研制p d c 钻头，c r i s t e n s o n 公司与欧 洲的一家石油公司合作，经过大量的实验研究新的方案于1 9 7 7 年获得成功。 经过改进的p d c 钻头在荷兰大量使用，成功地钻穿了石膏层和盐岩层。1 9 7 9 年 p d c 钻头配合涡轮钻具在北海油田油基泥浆中钻进获得成功，从此，p d c 钻头迅 速推广应用。1 9 8 0 年，p d c 钻头进入美国市场，首先在南路斯安娜使用，成本降 低3 0 5 0 从此，p d c 钻头在美国各油田得到迅速推广应用。 目前国际上已有众多p d c 钻头生产厂家，最著名的有h u g h e sc r i s t e n s o n ， s m i t h ，r e e dh y c a l o g 等。自从p d c 钻头引进中国以后，中国的p d c 钻头技术也 得到了飞速发展。目前，中国己拥有众多p d c 钻头生产厂商，著名的有成都百施 特金刚石钻头有限公司、川石一克锐达等。其中成都百施特金刚石钻头有限公司 不仅具有生产常规p d c 钻头的能力，而且拥有强大的研发队伍，技术上独成一体， 通过不断创新，已发展成为可与国际著名金刚石钻头公司竞争的金刚石钻头公 司。 1 ，1 2 p d c 钻头技术发展展望 p d c 钻头发展到今天，技术上已经相当成熟。其发展方向应该是： 根据地层强度智能化设计钻头的布齿密度、切削齿尺寸、刀翼布局、最优化 水力场设计等，使钻头的进攻性更加合理。 切削齿强度高度加强，使钻头的寿命更加提高。 金刚石钻头的形式实现多样化，如可变直径钻头等。 1 2 国内外p d c 钻头复合片磨损研究现状 钻头的磨损直接影响到钻井的速度和钻头的寿命，从而影响到钻井成本的急 剧增加，并“j 能引发一系列其它钻井闽题，因而成为众多学者、专家的研究对象。 国内外专家学者开展了大量p d c 切削齿磨损规律研究。 1 2 1 刮削型钻头的磨损模式 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 1 2 1 1 石油大学刮刀钻头磨损模式。1 ： 关于刮刀钻头的磨损规律，石油大学钻井教研室曾进行过研究， 损模式： = a f 掣 式中： v t 一一齿磨损速度，毫米3 小时； a f 一一岩性系数； p 一一钻压，牛顿； n 一转速，转分； 得到如下磨 a 一一一齿与岩石的接触面积，毫米2 ： n 一一钻压指数。 该模式指出，刮刀钻头的磨损速度与钻压成非线性关系，同时指出，磨损速 度与转速之间也不是严格的线性关系。 1 2 1 2 g l o w k a d a 等人对p d c 钻头磨损的研究“1 由于刮刀钻头和p d c 钻头二者的切削齿的材料、结构、形状都不相同，所以， 它们的磨损规律也不相同。在这方面，国内外许多专家作了大量研究。 复合片的磨损主要是指复合片切削部位的材料微观或宏观的磨损或破裂，这 包括聚晶金刚石层的磨损和碳化钨一钴硬质合金的磨损。复合片的磨损又可分为 四种主要的磨损形式：残余应力引起的破坏、机械载荷引起的磨损、热物理原因 引起的破坏、热化学原因引起的破坏。 g l o w k a d h 等人指出在钻软地层和硬地层时，由于磨损机制的不同，复 合片的磨损方式也不同。软塑性地层倾向于使复合片磨损面与岩石表面成一个角 度，使得复合片磨损面与岩石的接触面变小，如图1 1 所示，需要较小的钻压就 町吃入地 幽i ip d c 切削齿切削地层示意图 中国在油勘探开发研究院硕士学位论文 而硬脆性地层倾向于使磨损面与岩石表面平行，使得复合片切削齿磨损面与 岩石的接触面较大，需要较大的载荷才可吃入地层。经过分析研究，他们得出如 下磨损方程式： 堕：型 幽r ( 卜2 ) 式中， d v d h 钻进单位井深磨损掉的复合片切削齿的高度； f 作用于复合片切削齿磨损面上的纵向力； v 切削点横向移动的线速度； c 与岩石研磨性和切削齿抗研磨能力有关的常数； r 机械钻速。 该磨损方程在磨损面温度低于3 5 06 c 时有效。当温度高于该临界温度时，磨 损速度增加1 、2 个数量级，p d c 钻头寿命缩短，很快失去使用价值 g l o w k a d a 等人还在2 齿实验中得出等磨损齿标准和作用力模式： d k2 n r n f c d h r a ： ( 卜3 ) 式中， r 一切削齿在钻头上的径向位置； n 一一一钻头转速； a 。一切削齿磨损面面积： n 一磨损面面积指数 ( 其它符号意义同上式) 用此式可以将钻头作为一个整体，设计出的钻头具有最长的寿命，还可以使 复合片材料使用最优化。他们应用数学近似方法，指导了不同类型p d c 钻头在不 同条件下的忭能设计。结果指出： 钻头的设计外形对p d c 钻头的性能和磨损有着重大影响。如冠形较尖的钻 头在给定的钻井条件下所需钻压低于冠形较平的钻头，但磨损速度较快。 中国打油勘探开发研究院硕士学位论文 可利用合珲布衡来实现各个切削齿的均匀磨损。如果切削齿的分布密度较 大，则各齿的磨损速度相对慢。在一定范围内，在给定的转速和钻压下， 钻进所需的钻压值和扭矩值与切削齿的数量无关。但是，如果布齿密度较 低则磨损速度较快。 增加转速对钻头的寿命是有害的。即使当热磨损效应不重要时也是这样。 如果将转速从1 0 0 r p m 增加到2 0 0 r p m ，在给定的钻压下所需的钻压初始值较 小，但磨损速度较快。 为了使钻头寿命最长钻头应在不发生热加速磨损和钻速对转速的比值为 最大的条件下进行操作，同测定的p d c 切削齿相结合，结果表明，假如钻 压不超过产生高温磨损效应所需要的钻压临界值时，低转速、高钻压对延 长钻头寿命是有效的。 在水力射流作用下，能大幅度提高钻头使用寿命，并降低所需钻压和扭矩 值。 1 2 i 3 m o o r e 等人的能量模式描述了聚晶金刚石单齿的磨损捌 聚晶金刚石单齿磨损的经验公式对各式各样、各种大小的油井钻头可综合为 性能模式，此磨损模式包括时间、钻速、载荷、扭矩和能量要求。模式形式为： k = 警叫矿。 ( 1 - 。) 式中， w ，体积磨损率 v ，切削齿磨损的体积： t 磨损的时间： v 。单位距离内材料失去的体积： v 线速度； x 速度指数： k 有关常数。 1 2 ，1 4 b a rr 等人用能量定律关系预测了油田8 - 1 2 “1 2 1 4 “p d c 钻头切削 齿的磨损速率，用试验数据和能量模式来找出钻头上p d o 切削齿的最 优化辐射状的分布”。其形式为： 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 彬= k v 6 a 。( i 5 ) 式中， w ，面积磨损率： k 常数： v 机械钻速； b 钻速指数； a 二单齿切削面积； c 切削齿指数。 1 2 ，1 ，5 h o u g h 等人用在硬研磨介质中钻一个小空洞购方法研究p d c 钻头的磨 损特征“3 。 磨损的实验结果可根据转速、进尺、磨损或失效特征来把p d c 复合片的磨损 分为四类： 磨合； 聚晶金刚石层磨损； 硬质合金磨损； 迅速断裂。 而金刚石和硬质合金的磨损范围的知识及定义对在硬研磨介质中使用的p d c 钻头可提高经济效益。h o u g h 等人还在硬研磨介质中用小直径p d c 钴头钻进的方 法研究了p d c 钻头的寿命数学模式，以平均o 0 6 英寸的磨损带为磨损标准，钻 头的寿命对转速和进尺，钻头寿命对钻速和转速，磨损率对切削速度和切削面积。 并用数学模式预测了钻头的寿命，两种对数模式比较如下： 线性对数模式： l n d 。4 6 6 9 0 2 8 4 8 1 n n 一0 3 7 3 9 1 n f ( 1 6 ) 式中， d 一一钻头寿命： h 一一转速，转分； f 一一一每转进尺，英寸。 按照磨损率、切削速度和作用面积，模式可写为 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 矿= 0 0 2 5 4 v 2 8 5 a ”4 0 式中， w ，切削齿磨损速率，英寸分； v 齿上最大磨损点处的切削速度，英寸分 a 齿作用面积i n 2 。 平方对数模式： ( 卜7 ) l n d = 一1 5 0 3 5 + 2 6 9 0 1 i n n 一9 7 8 4 2 i n f + 1 4 8 9 6 1 n n l n f ( 1 8 ) 按照磨损率、切削速度和作用面积，模式可写为： 睨= 4 4 7 x 1 0 9 v 一9 “一o7 4 6 1 “。a 1 07 “7 4 5 “ ( 平方对数模式中各符号的意义与线性对数模式中的意义相同) 上述学者的研究结果指出，线性对数模式不能准确地预测试验中钻头的寿 命，而平方对数模式则提供了较好的钻头寿命预测公式。在实验范围内，平方对 数模式在不同的磨损方式下( 碎裂、微碎裂、逐渐碎裂) 能准确地预测钻头寿命， 对经济的钻井操作来说，平方对数预测公式对建立优化操作范围将是非常有用 的。 1 2 1 6 在国内，石油大学( 华东) 孙明光使用特制的p d c 取心钻头在室内用 小钻机进行磨损实验，找出了切削齿磨损速度与钻压、转速以及齿磨 损高度的关系。1 。建立如下数学模式： 式中， 睨= 4 百p , n i p w ，切削齿磨损速率，毫米3 ，j 、时 p 钻压，牛顿： n 转速，转分： h 齿磨损掉的高度，毫米； a 厂岩性系数； ( 1 9 ) 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 c 比例系数： d 压力指数； 0 转速指数。 1 3 本课题研究的目的意义 以往的学者把p d c 切削齿的磨损研究主要集中在正常磨损上，而很少涉及非 正常损坏，这与实际情况有较大差别。在实际钻井作业中，切削齿的损坏方式呈 多样化，非正常损坏的比例很高。当然，正常磨损研究是合理设计钻头的最根本 依据。所以，本文研究的着眼点不仅在正常磨损，而且涉及崩损机理的研究。 由于p d c 钻头是一种新型的切削式钻头，它和牙轮钻头破岩机理不同，所以 它们的磨损机理也不同。p d c 钻头以楔入式直接剪切方式来破碎岩石，牙轮钻头 主要靠牙轮滚动产生的冲击压碎作用来破碎岩石。牙轮钻头或钢质刀片刮刀钻头 的磨损规律不适用于p d c 钻头。这就要求我们对p d c 钻头复合片的磨损寻找一种 能够代表其磨损规律的研究方法，对p d c 复合片的磨损规律做出合乎实际的结 论，为p d c 钻头的合理设计和正确使用提供可靠的理论根据。 如果能找出p d c 的磨损规律，对于p d c 钻头的设计和使用将有非常重要的指 导意义。首先可以根据复合片切削齿磨损规律来指导p d c 钻头的结构和切削齿的 分配位置，使得钻头的综合性能最佳。其次，可以根据p d c 钻头的切削齿磨损规 律来指导操作者正确地使用钻头，在钻进中采用合理的钻井参数，充分发挥p d c 钻头的优越性。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 第二蕈p d c 切削齿磨损机理研究 钻井过程就是切削齿与岩石相互作用的过程，切削齿不断破碎岩石，同时岩 石不断地磨损切削齿，使切削齿性能不断降低，直至不能工作。岩石的性质、钻 头的结构、p d c 切削齿的材料性能及结构、钻井参数等因素对切削齿磨损速度 有重要影响。本章主要讨论p d c 钻头复合片正常磨损机理以及等切削量布齿模 式。 2 ，1p d c 钻头的概念 p d c 钻头是将聚晶金刚石复合片镶嵌于钻头体而制成的一种切削型钻头。 它采用聚晶金剧石作为切削刃，对岩石进行刮削，从恧实现对岩石的破碎。 p d c 钻头一般由切削齿、刀翼、排屑槽、喷嘴、接头等组成。刀翼又按位 置和作用不同分为内锥、鼻部、鼻外侧、肩部、保径等。 、 幽2 1p d c 钻头基本结构 2 ，2 p d c 切削齿正常磨损规律研究“1 p d c 钻头切削齿的材料、结构和制造工艺方面的特点，是决定切削齿磨损 机理的内在原因。钻头在井下工作时强烈的、反复作用的机械载荷，以及钻头 工作时对岩石的剪切磨削作用产生的摩擦热是导致切削齿损坏的外部因素。从磨 损机理出发，可以把“正常磨损”定义为切削齿表面材料的微观和宏观的磨耗， 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 但无明显的崩裂、断裂痕迹。 p d c 复合片由聚晶金刚石层和碳化钨一钴硬质合金两部分组成，虽然它们都 是硬而脆的材料，但在破岩过程中，它们的磨损机理不大相同，作用也不相同。 聚晶金刚石层的作用是剪切岩石、保护碳化钨一钴基柱不受到磨损，碳化钨钴基 柱的作用是支撑聚晶金刚石层，以防止聚晶金刚石层在工作时受到所产生的张应 力、剪应力、以及冲击载荷的破坏。其抗研磨能力只有聚晶金刚石层的不足五分 之。，所以本文不将碳化钨一钴的磨损机理作为重点来论述。 2 2 1 聚晶金刚石层( p o c ) 的磨损机理 聚晶金刚石层由微小的金刚石晶体在高温高压下压制粘结而成，这些金刚石 晶体的解理面具有杂乱无章的方向，这样就防止了因个别金刚石晶体在振击中破 碎而扩展到整个切削片。 从微观角度看，在金刚石和磨蚀性强的砂岩摩擦过程中，磨损是在金刚石单 晶粒中产生的，与烧结相物质的先期磨损没有明显的关系。对金刚石晶体而言， 可能存在两种截然不同的破坏形式，在经受磨蚀性岩石颗粒的冲击时，有些金刚 石晶体的边缘逐步剥落成细片，其它的一些晶体则出现沿整个晶体的裂缝破碎。 这种双重性能是由于个别金刚石晶体在高温高压下烧结过程中形成的双晶带的 变形有所发展。这些随机产生的双晶带，是由一层原子对另一层原子进行角度置 换而产生的塑性变形所造成的。双晶带改变了裂缝的扩展方向，因而限制了大规 模裂缝的发展。由于晶体间的跨接效应，某些晶体在烧结过程中几乎没有变形， 也没有发生变形带。而这样的晶体在天然单晶金刚石中非常易于形成裂缝。 当温度高于1 2 0 0 时，即使处于惰性气体中或还原气氛中，天然金刚石和 人造金剐石都会转化为石墨。在有氧元素存在的条件下，在较低的r 7 5 c 的温度 下，金刚石也会迅速地转化为石墨。 2 2 2 p d g 切削齿磨损速度的理论分析 理论分析认为，复合片是在一定的条件下。即不发生热磨损及破坏性的机械 损坏，保持l 卜常的、缓慢的、逐渐的磨蚀性磨损。实际工作中，磨损速度通常定 义为单位时削或单位距离内所磨损掉的复合片的高度值或体积值。用数学公式可 表示为： 单位时间的磨损体积： 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 r = 彳( 2 - 1 ) 或单位距离的磨损体积 k = 彳 ( 2 2 ) 式中， v 。v l 体积密损速度，( 毫米3 秒，毫米3 米) ； v 钻进时磨损掉的复合片的体积，毫米3 ： t 磨损时间，小时： l 磨损时钻进的距离，米。 根据钻头几何学和摩擦功的概念，可以推导出复合片磨损速度的理论方程。 首先作如下假设： 一复合片与井底接触面上的压力分布在聚晶层上和碳化钨基体上各是均 匀的； _ 摩擦功与复合片磨损体积成正比； _ 复合片的磨损量是很小的； 式中 圈2 2p d c 切削齿磨损示意图 如罔2 - 1 所示，根据几何原理，复合片齿的磨损体积为： d v = k + 0 + 幽) 】b - ( h + d h ) - h i 2 = a b d h - b 2 d a d h ( 2 3 ) d 。磨损掉的微分体积； a 切削齿与岩石接触面的宽度 b 磨损面的厚度： 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 d h 切削齿磨损掉的微分高度； d a 切削齿磨损掉的微分宽度。 因复合片的磨损量很小，可认为d a d h 近似为零。对于同一磨损条件而言， 认为b 为常数。 复合片的磨损体积与摩擦功成正比。复合片的磨损体积可用磨损功来推导。 复合片的正常磨损主要由摩擦力产生。可以写成： d v = g d w ( 2 4 ) 式中， e 一单位摩擦功的复合片磨损体积； d w 摩擦力所做的微分功。 由假设条件可知，在微分长度d p 上所受的摩擦力为 d f = up d p( 2 - 5 ) 微分长度走过的路程为： 式中 所做的微分功为 d s = pd 中 ( 2 6 ) d w = d f x d s 2 up xpdpd 审( 2 7 ) u 复合片与井底之间的摩擦系数： d 压力线性分布密度； p 摩擦部分至钻头中心的距离； d 中复合片转动的微分角度； dp 摩擦部分至钻头中心距离的微分值。 如果复合片旋转一周，则复合片所做的功为： 2 印f ”却f 4 却= 微o + z p ) p v ( 2 _ 8 ) 如果转速为n ，运转时间为at ，则摩擦功为： 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 w = k + 2 p ) k e p n a t ( 2 9 ) 复合片磨损掉的体积为： v = g w = 积0 + 2 p ) g p n ( 2 1 0 ) 将( 2 - 1 0 ) 式代入( 2 1 ) 式得 或简化为 k = v a t = 嬲q + 2 p ) g 。p 。 ( 2 1 1 ) k = a 厂p n ( 2 1 2 ) 式中，a f 为研磨性系数，它与钻头结构、岩石性质、泥浆性能、水力参数等 因素有关。可表示为： a ，= l x t ( a + 2 p ) g u ( 2 1 3 ) 将v 。= a 口p n 式中的压力分布密度p 用复合片承受的载荷n 除以复合片与井 底得接触长度l 来表示，表示成： 。a ，。p n l ( 2 1 4 ) 上式是在理论分析的基础上推导出来的，用金刚石层与岩石的接触长度来取 代复合片与岩石的接触面积更能真实地表示复合片的磨损特征。前面推导出的公 式是依据机械载荷引起复合片的磨损而建立的，没有把热物理和热化学因素引起 的复合片的磨损作为本文的研究对象。实际结果可能与i j 面推导出的公式不同， 这需要继续做大量的实验并在实践中加以验证。 2 2 3 p d c 切削齿磨损的实验研究 2 23 1 实验方法 本文的复合片磨损实验是在车床上用选定的切削齿切削黄铁矿花岗岩完成 的。 中国不i 油勘探开发研究院硕十学位论文 1 1 切削齿固定在刀架上，花岗岩固定于旋转台上，切削齿切削旋转的岩石 的上端面。 图2 3 磨损实验装置 2 ) 难压力由车床的进刀手柄控制。 3 ) 切削线速度由车床的转速及岩样的直径得到。 2 2 3 2 磨损测量方法 1 1 采用车削测力仪来测量切削正压力： 2 ) 采用称重法测量复合片及花岗岩的磨损量； 3 1 用游标卡尺测量岩样的直径和长度。 4 ) 用旋转台的转速和切削线的旋转半径计算切削线速度。 2 2 33 实验条件 1 ) 切削齿的选择 本实验选用了由美国s y n t h e t i c 公司制造的1 3 0 3 m u t 型、1 3 0 6 m u t 型和 1 3 0 s m u t 型p d c 切削齿。 2 ) 岩样选择 13 0 6 m u tl3 0 8 m u t 蚓2 4 实验齿设计幽 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 本实验主要用p d c 切削齿切削花岗岩来进行，用以检验切削线速度、载荷、 聚晶金刚石层厚度对p d c 切削齿磨损速度的影响。 表2 ，1岩样的主要机械性能 岩样 单轴抗压强度 岩性描述 ( m p a ) i 黄铁矿花岗岩 1 6 7 8乳向色，夹杂少量肉红色黄铁矿，强度和硬度很高。 2 2 3 4 聚晶金刚石层厚度对磨耗比钓影晌 岩石磨耗比是指岩石对p d c 磨损的影响特性，是p d c 复合片在相同的切削 条件卜，不同岩石对复合片磨损的相对体积比。 表2 2 不同厚度聚晶金刚石层的切削齿对花岗岩的磨耗比 不同厚度p d c 磨损体积v 。( r a m 3 ) 花岗岩磨耗体积v 。( m m 3 ) 0 0 3i n p d c 0 0 6 i np b c 00 8 i np d c l3 1 0 9 6 5 】4 7 】1 1 4 7 01 1 4 8 0 3 1 1 3 5 4 2 24 5 8 l 24 5 8 02 4 5 9 5 5 8 1 7 4 0 7 2 1 3 0 3 7 3 7 4 25 7 3 5 5 7 3 7 4 1 7 9 3 2 7 7 4 1 7 8 6 5 7 9 0 3 2 7 7 4 1 l234567 花岗岩膳耗体积( 1 0 5 m m l ) 图2 , 4 聚晶金刚石层厚度对磨耗比的影响 实验表明，对于相同岩性的岩石，在实验条件相同的情况下，聚晶金刚石 厚度不同的p d c 切削齿，其抗研磨程度是不同的。并且切削齿的磨损体积与岩 石的磨耗体积成非线性关系。随聚晶金刚石层厚度增加，磨耗比增加。三种不同 金刚石厚度的切削齿的磨耗比在切削岩石量3 1 1 3 5 4 2 m m 3 之前，磨耗比基本无差 别，之后随切削量的增加，聚晶会刚石层厚度为o 0 3 英寸的切削齿的磨耗速度 拍篮柏坫m 0 0 一鼍5器最糕擞鞫裒s譬l 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 急剧增加，而厚度为o 0 6 英寸和o 0 8 英寸的切削齿的磨损速度在切酮岩石量达 5 8 1 7 4 0 7 m m 3 之后才显著增加。切削齿磨耗体积具有如下规律。 表2 3p d c 切削齿磨损规律表达式 金刚i 层厚度花岗岩磨耗体积p d c 切削齿磨耗体积 ( i n )( m m 3 )( m m 3 ) 3 1 1 3 5 4 2v p d f 7 2 7 1 0 v r 0 c k o 0 3 3 1 1 3 5 4 2 v p d c = 2 4 5 8 1 + 6 9 7 ) ( 1 0 。v r o c k 5 8 1 7 4 0 7 v p d c ；1 3 8 x1 0 。v r o c k 0 0 6 5 8 1 7 4 0 7 v p d c ；7 3 7 4 2 + 1 6 3 1 0 6 v r 0 c k 5 8 1 7 4 0 7 v p d c = 1 0 2 1 0 6 v r o c k 0 0 8 5 8 1 7 4 0 7 v p d c = 5 7 3 5 5 + 1 3 2 1 0 5 v r o c k 实验结果说明，会刚石层厚度不同的p d c 切削齿，磨损速度加速都存在一 个极限值，即金刚石层被磨透而使碳化钨钴基柱接触岩石时，p d c 切削齿的磨 损量开始增加，磨耗比下降。金刚石层越厚，这个极限值越高，并且磨耗比下降 速度越慢。 2 23 5 正压力对复合片磨损速度的影响 为了研究正压力和切削线速度对p d c 磨损速度的影响，选取了聚晶金刚石 层厚度为o 0 6 英寸的1 3 0 6 m u t 型切削齿和花岗岩进行了实验。用新p d c 片采 用五种固定的切削线速度，进行多次正压力和p d c 磨损速度关系的实验。用测 量工具和仪表得到p d c 磨损量及正压力数据。实验结果如下： 表24 花岗岩止压力和线速度组合实验数据表 线速度 ( m ，s ) 0 4 00 8 01 2 01 6 0 2 o o 止压力 r n lp d c 磨损速度( 1 0 4 m m 3 s ) 4 1 4o 5 21 0 4 01 5 42 0 02 5 6 6 1 6 07 4 j 5 22 2 62 9 23 _ 8 0 7 3 5o 9 218 42 7 2 3 5 04 5 2 8 8 71 1 122 53 6 35 1 27 3 2 1 0 5 813 22 5 65 0 26 9 21 0 4 0 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 ， ， r _ 一 一 ： i 兰兰臣 ；： 、 ， | _ 二- v = 04 m s i 一- v = 08 m s lv = 1 2 m s 1 l ” v 2 l 6 m 8 ； * 一 【+ v = 20 m 5 ： 一 ， r，器。 。 i ： 4 0 05 0 06 0 0 7 0 08 0 09 0 01 0 0 01 l o o 正压力( n ) 图2 5切削花岗岩州，正f e 力对p i ) c 磨损速度的影响 实验结果表明，在一定切削速度下，p d c 的磨损速度随正压力的增大而增 大。在不同的线速度下，切削齿的磨损速度曲线是不同的。 在切削线速度低于0 8 米秒时这种关系基本上是一种线性关系，可表示为： 巩= a f + b ( 2 1 5 ) 在4 1 4 牛顿到1 0 5 8 牛顿的正压力范围内，p d c 切削齿的磨损速度与正压力 的关系可表示为： 表25 切削线速度4 0 8 m s 时p d c 切削齿磨损速度与正压力的关系式 l线速度( m s )p d c 切削齿磨损速度( 1 0 4 m m 3 s ) |o4 w v = 0 5 2 + 0 0 0 1 2 4 x f 0 8 w v = 1 0 4 + 0 0 0 2 3 6 f 在线速度大于o 8 米，秒时，p d c 磨损速度与正压力的关系是一种复杂的函 数关系，在正压力达到7 3 5 牛顿时，磨损速度曲线出现一明显的拐点，p d c 切 削齿的磨损速度呈现加速趋势。这时的磨损规律不能用一个简单的二次函数来表 示，只能用线件关系式分段表示： 表2 5 切削线速度 o 8 m s 时p d c 切削凼磨损速度与正压力的关系式 线速度 止压力( n )p d ct ：j b t j 齿磨损速度( 1 0 4 m m 3 s ) 4 1 4 7 3 5 w v = 1 5 4 + 0 0 0 3 6 8 x f 1 2 7 3 5 1 0 5 8 w v = 2 7 2 + 0 0 0 7l2 x f 4 1 4 7 3 5 w v = 2 o + 0 0 0 4 6 7 x f l6 7 3 5 1 0 5 8w v = 3 5 + o 0 1 0 5 9 x f 4 1 4 7 3 5 w v = 2 5 6 + 0 0 0 61 1x f 2 0 7 3 5 - 1 0 5 8 w v = 4 5 2 + 0 0 1 8 2 0 f 6 2 0 8 6 4 2 0 一鼍lu。一一巡鞭举越。a山 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 式中 w 。p d c 切削岩石时的体积磨损速度，x1 0 4 m m 3 s ： f 正压力，n ； p d c 片的磨损速度和_ i _ f 压力的关系比较复杂，不能单纯用接触表面的摩擦 功来概括，可以用本实验结果对钻井实践进行分析。在钻井实践中，钻头破碎中 等硬度的岩石的过程中，是非连续的剪切崩裂过程，因而井底岩石施加给钻头的 作用力往往是忽大忽小、变化频繁的脉动冲击力。这种脉动冲击载荷能使p d c 的聚晶金刚石层产生崩片、剥离，从而进一步降低p d c 的抗研磨性能。所以在 钻井实践中，p d c 钻头齿的磨损速度与钻压的关系是成幂函数或二次函数关系 显著增加的。 2 23 6 切削线速度对p 0 0 磨损速度的影响 f = 4 1 4 ( n ) t f - 6 1 6f n j * 一f - 7 3 5 ( n ) 一f = 8 8 7 ( n ) 一一 ，一 + _ f = 1 0 5 8 ( n ) d- 一 _ ： 00 5l1 52 线速度( m s ) 图26切削花岗岩时，切削线速度对p d c 磨损速度的影响 磨损速度切削线速度关系的实验数据回归公式为 表2 6 磨损速度一切削线速度关系的实验数据回归公式 正压力 二次函数回归公式 相关 l 何回归公式 相关 ( n )系数系数 岩样为花岗岩 4 1 4w 。= o 0 1 0 3 0 7 8 v 2 + i 2 5 0 0 5 v + 0 0 13 8 5 7 60 9 9 9 w 。= i 2 3 3 8 1 v o 9 8 2 5 ” 0 9 8 7 6 1 6w 。_ o 0 0 3 1 6 1 3 2 v 2 + 1 8 7 0 9 9 v + 0 0 0 2 1 2 5 9 70 9 9 9w 。= 1 8 7 4 4 1 “8 309 9 9 7 3 5 w 。一00 6 0 6 0 8 0 8 v 2 + 23 1 2 2 2 7 v + 0 0 1 2 9 4 4 609 9 6w v = 22 4 8 7 7 v o 9 8 ” 0 9 9 6 8 8 7 w 。= 1 2 2 7 6 1v 2 + 0 8 5 0 6 5 7 v + 9 6 4 4 4 3 90 9 8 8w 。= 3 0 3 2 3 9 v i1 3 0 8 90 9 8 8 1 0 5 8w 。= i 8 7 0 0 5 v 2 + 1 2 6 3 9 3 v + 0 4 9 4 0 9 30 9 8 7w 。= 3 9 4 6 5 4 v 12 9 3 9 80 9 8 7 2 0 8 6 4 2 o 一1丫。一一趔删霜船苫(】 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 由图2 , 6 可见，正压力不变时，p d c 的磨损速度随切削线速度的增加而增加， 正压力较大时，磨损速度以较快的速度增加。p d c 磨损速度与线速度的b 次方 成正比。这是因为： 1 ) 正压力增大，产生的摩擦力较大，使磨损加快； 2 ) 线速度增大时，导致p d c 在切削岩石时产生剧烈振动，加剧脉动疲劳破 坏； 3 ) 线速度和正压力都较大时，摩擦产生的热量就会增多，加快了p d c 片局 部的碳化，从而磨损速度加快。 从以上分析可以得出结论：p d c 复合片得磨损速度与切削线速度的1 3 次方 成正比关系。正压力不变时，p d c 的磨损速度随线速度的增加而增加，随着正 压力的增加，线速度指数1 3 也随之增加。 2 3 单齿载荷和转速对钻头磨损速度影响的现场验证 大量现场实践数据证明，钻头结构和钻井参数对钻头的磨损速度影响很大。 这些实践数据同时也证明了单齿载荷和切削线速度对切削齿磨损速度的影响。 通常认为，钻头的冠部形状越尖越易磨损，越平越不易磨损。实践证明这种 观点是不完善的。在布齿密度相同的情况下，这种认识或许是成立的，但多数情 况下，这种认识是不成立的。导致这种现象的根本原因是切削齿受力不均匀，即 冠部形状尖的钻头的鼻部齿承受了较大的载荷而先期损坏，从而导致钻头先期损 坏。 钻头越尖，则鼻部外侧的抛物线段越长，所布齿数越多，在刀翼数量相同的 情况下整个钻头的布齿密度越高。在一定钻压下，单齿载荷越小。在单齿载荷较 小的情况下，其磨损速度不可能比平底形钻头快。 再者，钻头磨损一般主要发生在切削线速度较高的鼻部和外锥部。外锥部的 布齿密度提高后在一定程度上减缓了该部位切削齿的磨损速度。 以下是条件基本相同的情况下的钻头效果比较： 2 3 1 地层、钻压和转速基本相同，不同冠形钻头的磨损程度不同 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 表2 7 不同冠形的钻头使用效果统计 钻压转速排量井段 纯钴时 井号钻头型号 间 r o p ( k l b s ) ( r p m )( 1 m ) ( m )( m s ) ( h r ) 1 2 - 1 4 ” w 1 2 - 1 一b 1 0 1 0 、1 51 3 03 4 0 01 0 4 8 2 3 2 12 2 o l5 7 8 4 m 1 9 5 1 s g 1 2 1 4 w 1 2 一l b 2 0l o 1 51 3 0 3 4 0 01 0 9 5 2 4 2 0 2 16 3 1 0 m s1 9 5 2 s s 两个型号钻头在冠部形状上和布齿密度上有较大差别。 1 2 - 1 4 ”m 1 9 5 1 s g 型钻头的冠形抛物线相对较长，工作面上齿数是3 l 颗： 而1 2 - 1 4 ”m s l 9 5 2 s s 型钻头的冠部较平坦，工作面上齿数为2 8 颗。两只钻头所 钻井段相当，进尺相当，然而磨损程度不同。 在切削齿受力相对平衡的情况下，较尖的钻头的抗研磨能力反而更强。如 m 1 9 5 1 s g 比较尖而基本无磨损，m s l 9 5 2 s s 比较平而磨损较严重。这充分说明，p d c 钻头的切削齿的磨损速度取决于单齿载荷，而不取决于冠部形状较尖或较平。 基本设计参数如下表所示。 1 2 - 1 4 ”m 1 9 5 1 s g 1 2 1 4 ”m s l 9 5 2 s s 新钻头图片 旧钻头图片 冠部形状长而尖短而平 l 作面上齿数3 l2 8 平均单齿载荷 0 3 2 2 6 0 4 8 3 9 ( k l b s ) 0 3 5 7 1 - 0 5 3 5 7 ( k l b s ) 磨损评价 0 一l b c n - x i n o t d 1 4 一w t t x i n o t d 备注 中国i i 油勘探开发研究院硕十学位论文 2 3 2 地层、钻压、钻头型号相同，不同的转速对切削齿的磨损速度不同 表2 8 不同的转速r 相同刑号钻头的使剧效果 钻乐转速排量井段纯钻时间 r o p 爿。号钻头型号 ( k l b s )( r p m )( 1 m )( m )( h r )( m s ) 1 2 1 4 7 涠1 2 一卜b 5 l o - 1 53 0 03 4 0 011 0 3 。2 0 5 0、3 8 6 82 4 4 8 m 1 9 5 l s g 1 2 一l 4 ” 涠1 2 一卜b 1 0 1 0 1 51 3 03 4 0 01 0 9 5 2 4 2 02 2 0 16 3 1 0 m 1 9 5 l s g 两口井所用钻头是完全相同的型号，所钻地层也基本相同，除转速外其它钻 井参数都基本相同。涠1 2 一l b 5 采用了导向马达钻进，转速是顶驱转速1 3 0 转 分加马达转速1 7 0 余转分。涠l 2 一卜b i o 井采用了旋转导向系统( p o w e r d r i v e ) ， 转速只有顶驱的1 3 0 转分。结果两只钻头的钻井效果却相差甚远。 分析其原因是，该地区在1 3 0 0 米到1 7 0 0 米井段含有研磨性较强的粗砂岩， 采用高转速钻进时，由于研磨性太强而加速了切削齿的磨损，结果是进尺少、机 械钻速慢。而采用较低的转速钻进，则有效地保护了切削齿，虽然在上部井段机 械钻速低于高转速下的机械钻速，但全井平均机械钻速高出高转速下的一倍多。 井号 w 1 2 一lb 1 0w 1 2 一l - b 5 钻头型号1 2 一l 4 ”m 1 9 5 l s g1 2 - 1 4 ”m 1 9 5 1 s g 旧钻头图片 钻压( k l b s ) 1 0 。1 51 0 、1 5 转速( r p m ) 1 3 0 3 0 0 肩部线速度 0 1 6 4 70 3 8 0 2 ( m s ) 磨损评价 0 1