仿生耦合聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭

高科，李夢(mèng)，董博，孫友宏，孫陽(yáng)，劉婧

（吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院）

0 引言

在地質(zhì)鉆探、煤田鉆探和油氣鉆井中，聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）鉆頭因其出色的切削巖石速度和較長(zhǎng)的使用壽命已經(jīng)成為最常用的破巖工具之一[1-2]。然而，常規(guī)PDC鉆頭存在幾點(diǎn)不足：①由于聚晶金剛石與硬質(zhì)合金的線膨脹系數(shù)相差較大（金剛石為0.634×10?6K?1，聚晶金剛石為 0.90×10?6～1.18×10?6K?1，硬質(zhì)合金為 4.1×10?6～6.0×10?6K?1），使得聚晶金剛石與硬質(zhì)合金在二者交接面處熱力學(xué)特性匹配不好，存在較大的殘余熱應(yīng)力，極易導(dǎo)致金剛石與硬質(zhì)合金分層；②PDC表面大多為平面，為減少切屑黏附現(xiàn)象和質(zhì)量檢查次數(shù)，一般采取拋光處理磨成鏡面以提高表面光潔度，但成本高且防黏效果并不明顯；③隨著PDC鉆頭工作刃部的不斷磨損，其表面形成平面或弧面，與巖石接觸面積急增，對(duì)巖石產(chǎn)生的壓強(qiáng)急降，破巖速度降低，磨損加快，尤其對(duì)于深井、超深井鉆進(jìn)，頻繁更換鉆頭將增加鉆井周期和鉆井成本。

仿生耦合理論是向自然界生物學(xué)習(xí)凝練出普遍規(guī)律性和獨(dú)特優(yōu)異性的原理及方法。自然界生物表現(xiàn)出的優(yōu)異性能經(jīng)歷了億萬年進(jìn)化，通過多個(gè)影響因素相互耦合、協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)，生活在土壤中的動(dòng)物和水生動(dòng)物即通過這種耦合作用表現(xiàn)出高效、耐磨和防黏等優(yōu)異特性[3-12]。

本文根據(jù)仿生耦合理論，采用仿生學(xué)相似原理和拓?fù)浞椒?，從聚晶金剛石和硬質(zhì)合金材料、聚晶金剛石-硬質(zhì)合金交接面結(jié)構(gòu)及聚晶金剛石表面非光滑形態(tài)3方面入手，研制新型仿生耦合PDC鉆頭，通過摩擦磨損測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析其性能，并與常規(guī)PDC鉆頭進(jìn)行對(duì)比。

1 仿生原型

1.1 材料仿生原型

竹子是一種典型的具有良好力學(xué)性能的植物。竹子由增強(qiáng)纖維素和木質(zhì)素組成，纖維素因剛性強(qiáng)而具有優(yōu)異的力學(xué)性能，沿徑向向外分布密度逐漸增加；木質(zhì)素因彈性大而具有優(yōu)良的補(bǔ)強(qiáng)和吸震作用，沿徑向向外分布密度逐漸減小，呈現(xiàn)明顯的梯度分布。纖維素和木質(zhì)素共存，使竹子的抗拉強(qiáng)度可達(dá)530 MPa，與最好的鋁合金抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，但其密度只有 1.2 g/cm3，不到鋁合金密度的三分之一。同時(shí)，沿軸向的彎矩和截面彎曲模量從根部到梢部逐漸降低，使得任意位置的彎曲應(yīng)力幾乎相等，是天然的等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)原型[13]。

鉆頭切削巖石時(shí)所處環(huán)境惡劣且難以預(yù)測(cè)，巖石組分不均勻，地層變化異常，斜、斷、碎、脆隨時(shí)出現(xiàn)，要求鉆頭具有超強(qiáng)的硬度、強(qiáng)度、韌性和耐磨性。因此，可以借鑒竹子中纖維素和木質(zhì)素的分布方式來制備PDC。

1.2 結(jié)構(gòu)仿生原型

1.2.1 人類牙齒

人類牙齒由牙冠、牙頸和牙根組成，牙冠最外層部分是堅(jiān)硬的牙釉質(zhì)，牙釉質(zhì)下牙本質(zhì)中含有與骨基質(zhì)一樣的礦化胞外基質(zhì)，其主要組分為膠原蛋白和非膠原蛋白，膠原蛋白在礦化過程中起著支架作用，非膠原蛋白參與礦化的啟動(dòng)和調(diào)節(jié)。從牙本質(zhì)到牙釉質(zhì)，無機(jī)成分逐漸增加，硬度逐漸增大，屬于有機(jī)/無機(jī)兩種性能截然不同的材料梯度復(fù)合而成，這種結(jié)構(gòu)在頻繁使用過程中不會(huì)分層。

PDC是由硬質(zhì)合金和聚晶金剛石兩種性能相差很大的材料復(fù)合而成（見圖1），使用中隨著環(huán)境溫度變化，熱應(yīng)力使交接面變得脆弱，十分容易分層。參照牙齒結(jié)構(gòu)，可以將硬質(zhì)合金和聚晶金剛石交接面通過梯度復(fù)合使其不易分層。

1.2.2 樹木年輪

圖1 PDC復(fù)合結(jié)構(gòu)

樹木橫截面有許多同心圓環(huán)，植物學(xué)上稱為年輪。年輪是樹木在生長(zhǎng)過程中受季節(jié)影響形成的，1年產(chǎn)生 1輪。每輪由早材和晚材兩部分組成，早材疏松晚材致密，同時(shí)，舊年輪致密新年輪疏松。年輪由數(shù)個(gè)閉合圓環(huán)組成，在受到軸向壓力時(shí)不會(huì)分層。

PDC中的硬質(zhì)合金和聚晶金剛石結(jié)合形式包括平行溝槽、發(fā)散溝槽、尖塔形和綜合形等（見圖2），但均有分層現(xiàn)象出現(xiàn)。樹木年輪結(jié)構(gòu)為PDC硬質(zhì)合金和聚晶金剛石的結(jié)合形式提供了很好的仿生原型。

圖2 PDC硬質(zhì)合金與聚晶金剛石結(jié)合形式

1.3 表面形態(tài)仿生原型

1.3.1 貝殼

貝殼是軟體動(dòng)物的外套膜，是一種鈣化物。貝殼具有獨(dú)特的非光滑形態(tài)，體表呈溝槽形，切面呈波紋形。各種貝殼大多生活在海邊巖石壁上或縫隙里，雖然常年經(jīng)受海浪攜帶著砂粒的沖刷和拍打，仍然能夠牢固地附著在巖石上不被沖走和擊碎，除了具有很強(qiáng)的吸力外，其獨(dú)特的非光滑形態(tài)也具有減阻和分解沖擊力的功能[14]。

1.3.2 螻蛄

螻蛄（見圖3）是地棲性節(jié)肢動(dòng)物，生活在地下，在濕土中可鉆15～20 cm深。其觸角短于體長(zhǎng)，前足進(jìn)化為粗短結(jié)構(gòu)，基節(jié)短寬，腿節(jié)略彎，片狀，脛節(jié)很短，宜于快速挖掘。其前足所具有的趾頂角在28°～30°，頂角以圓弧過渡，在土壤中受力小、易于掘土且磨損小。螻蛄具有的優(yōu)異特性正是PDC齒應(yīng)該具備的性能，故將其作為PDC的仿生原型。

圖3 螻蛄及爪趾

2 耦元設(shè)計(jì)

2.1 材料耦元設(shè)計(jì)

仿生耦合PDC材料分布以竹材為仿生原型，使金剛石微粉在PDC的徑向和軸向呈梯度分布。徑向由邊緣至中心金剛石含量逐漸下降，軸向由聚晶金剛石向硬質(zhì)合金分 3層以不同比例梯度分布。金剛石晶形完整，粒徑 1 μm、5 μm、10 μm，其配比為 5∶15∶80。硬質(zhì)合金為YG15，粒徑1.6 μm。

2.2 結(jié)構(gòu)耦元設(shè)計(jì)

以牙齒材料梯度復(fù)合方式和樹木年輪圓環(huán)結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)原型，設(shè)計(jì)仿生耦合PDC聚晶金剛石層和硬質(zhì)合金結(jié)合形式（見圖4），以提高PDC齒的強(qiáng)度和降低分層失效的機(jī)率。仿生耦合PDC包括4層：聚晶金剛石層，由97%金剛石微粉和3% Co、Ni等微量元素組成，是切削巖石的主刃；過渡層，由55%金剛石微粉和45%硬質(zhì)合金粉組成，增強(qiáng)PDC切削力和耐磨性；過渡層與硬質(zhì)合金層結(jié)合面，仿樹木年輪結(jié)構(gòu)；硬質(zhì)合金層，由100%硬質(zhì)合金加工而成，通過該層與鉆頭體焊接，用來傳遞切削力和扭矩。

2.3 聚晶金剛石表面非光滑形態(tài)耦元設(shè)計(jì)

以貝殼的溝槽形非光滑形態(tài)和螻蛄爪趾凸包形非光滑形態(tài)為仿生原型，設(shè)計(jì)仿生耦合PDC聚晶金剛石表面非光滑形態(tài)（見圖 5）?？紤]到設(shè)計(jì)形態(tài)與制備工藝的協(xié)調(diào)一致，PDC縱截面凸包頂角為40°～60°，圓弧半徑為0.5 mm。

圖4 仿生耦合PDC聚晶金剛石與硬質(zhì)合金結(jié)合方式

圖5 仿生耦合PDC聚晶金剛石表面非光滑設(shè)計(jì)

3 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

通過以上設(shè)計(jì)，制備出仿生耦合PDC（見圖6a），開展室內(nèi)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，并與同尺寸的常規(guī) PDC（見圖 6b）進(jìn)行對(duì)比。在規(guī)定的壓力、轉(zhuǎn)速和時(shí)間下，將材料試塊與粒徑0.18 μm（80目）的專用碳化硅陶瓷砂輪平行對(duì)磨，砂輪磨耗量與材料試塊磨耗量之比為磨耗比。實(shí)驗(yàn)中，砂輪線速度為 15 m/s，接觸壓力為500 N。

圖6 仿生耦合PDC及常規(guī)PDC

表1、表2分別為仿生耦合PDC和常規(guī)PDC摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出：仿生耦合PDC比常規(guī)PDC磨耗比提高約18.4%，磨損砂輪速度提高約1.67倍，耐磨性和切削效率都有所提高。這主要是因?yàn)樯拜喣ハ髌矫娼佑|的是仿生耦合PDC溝槽形非光滑的法向縱切面，該面具有數(shù)個(gè)凸包，在砂輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)砂輪產(chǎn)生較強(qiáng)的犁式切削效應(yīng)，使砂輪產(chǎn)生體積破碎而脫落。同時(shí)，砂輪對(duì)仿生耦合PDC的磨損表面積大幅度降低，對(duì)仿生耦合PDC的磨損能力下降。

表1 仿生耦合PDC摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 常規(guī)PDC摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 鉆頭制備及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

首先根據(jù)地層情況和井身結(jié)構(gòu)確定鉆具組合和鉆井參數(shù)，然后制備仿生耦合PDC鉆頭，最后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

4.1 鉆頭試驗(yàn)井情況

4.1.1 地層

試驗(yàn)在山西省晉城市沁水縣鄭村鎮(zhèn)的寺河煤礦SH-U1-2井中進(jìn)行。該井工程地質(zhì)條件復(fù)雜，所處地層情況為：主要巖性為泥巖或砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖，中間夾有 3層不等厚煤層，非水平層理比較發(fā)育，常有透鏡體狀?yuàn)A層，含植物化石；巖相在縱橫剖面上的變化很大，并具有旋回結(jié)構(gòu)特征。

4.1.2 井身結(jié)構(gòu)

①一開采用Φ311.15 mm鉆頭鉆入穩(wěn)定基巖10 m，下入J55鋼級(jí)Φ244.5 mm表層套管，固井水泥返至地面。②二開采用Φ215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)至見3號(hào)煤層，下入J55鋼級(jí)Φ139.7 mm技術(shù)套管至煤層頂板以上10 m處，固井水泥返至地面。垂直深度623 m。③三開采用Φ118 mm鉆頭鉆進(jìn)，進(jìn)入3號(hào)煤層后，沿煤層鉆進(jìn)，最終與直井連通，裸眼完井。水平井段長(zhǎng)500 m。

4.1.3 二開鉆具組合及鉆進(jìn)參數(shù)

①直井段。鉆具組合為：Φ215.9 mm 鉆頭+Φ127 mm螺桿+雙母接頭（擋板）+1根Φ165 mm無磁鉆鋌+3根Φ165 mm鉆鋌+Φ114 mm鉆桿。鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓50～160 kN，排量15～25 L/s。

②定向段。鉆具組合為：Φ215.9 mm 鉆頭+Φ127 mm螺桿+1根Φ165 mm 1.5°單彎螺桿鉆具+轉(zhuǎn)換接頭+1根Φ127 mm無磁承壓鉆桿+無線隨鉆測(cè)量?jī)x器+1根Φ127 mm無磁承壓鉆桿+Φ114 mm鉆桿串+Φ127 mm加重鉆桿串+Φ114 mm鉆桿。鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓20～50 kN，排量8～16 L/s。

4.2 仿生耦合PDC鉆頭制備

根據(jù)地層情況和井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5刀翼Φ215.9 mm仿生耦合PDC鉆頭。鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)為：鉆頭直徑215.9 mm，噴嘴6個(gè)可換，噴嘴直徑10 mm，保徑長(zhǎng)度52 mm，API接頭4?REG，直徑19 mm切削齒20個(gè)，直徑16 mm切削齒12個(gè)。制備完成的仿生耦合PDC鉆頭實(shí)物如圖7所示。

圖7 仿生耦合PDC鉆頭實(shí)物

4.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

主要鉆井設(shè)備如表3所示。鉆井參數(shù)為：鉆壓30～50 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60 r/min，螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min，排量20 L/s，泵壓3 MPa。

表 4為仿生耦合 PDC鉆頭與鄰井同層常規(guī) PDC鉆頭的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)，可以看出：仿生耦合PDC鉆頭的機(jī)械鉆速約為常規(guī)PDC鉆頭的2.5倍，鉆進(jìn)同樣深度可節(jié)省近 60%純鉆時(shí)間。本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)使用仿生耦合PDC鉆頭，節(jié)約鉆井成本7～10萬元。照此計(jì)算，每年使用仿生耦合PDC鉆頭進(jìn)尺10 000 m，可節(jié)約鉆井成本220～314萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表3 主要鉆井設(shè)備

表4 仿生耦合PDC鉆頭與常規(guī)PDC鉆頭鉆進(jìn)數(shù)據(jù)

圖 8為使用后鉆頭磨損情況，可以看出，仿生耦合 PDC鉆頭和常規(guī) PDC鉆頭的胎體均完好，都可以再用，因此無法精確對(duì)比鉆頭的使用壽命。

圖8 使用后PDC鉆頭

5 結(jié)論

將仿生耦合理論應(yīng)用于PDC材料、結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)的設(shè)計(jì)中，以人類牙齒、貝殼、樹木年輪等自然界生物為仿生原型，設(shè)計(jì)出仿生耦合 PDC。室內(nèi)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：仿生耦合PDC的耐磨性和切削效率均優(yōu)于常規(guī)PDC。

采用仿生耦合PDC鉆頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并與鄰井同層常規(guī)PDC鉆頭進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：與常規(guī)PDC鉆頭相比，使用仿生耦合PDC鉆頭時(shí)鉆進(jìn)速度提高了約1.5倍，節(jié)省了鉆井時(shí)間，降低了鉆井成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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