PDC鉆頭單齒重疊切削特性試驗(yàn)研究

劉 忠，胡信陽(yáng)，李 勁，趙 航，胡 偉，楊嘉祥

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249;2.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206;3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 克拉瑪依校區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000)

PDC鉆頭在油田鉆井中的應(yīng)用占比不斷增大，各國(guó)都在研究和提升PDC鉆頭的使用壽命與工作效率。鉆頭技術(shù)研究主要是趨于鉆齒和混合鉆頭技術(shù)的創(chuàng)新[1]，提升其工作效率主要在于提升鉆頭的破巖效率。鉆頭切削齒是破巖的關(guān)鍵，以前探究PDC單齒切削的試驗(yàn)主要集中于切削未受損巖石。但是，伍開松等人在“國(guó)家自然基金項(xiàng)目單次沖擊加卸載后巖石全程動(dòng)態(tài)本構(gòu)特性及應(yīng)用研究”中提出[2]，PDC齒在切削破巖上部巖石的同時(shí),也會(huì)對(duì)尚未破除的巖體造成損傷,因此會(huì)影響PDC齒之后切削同一軌道時(shí)的切削性能。目前，大多數(shù)科研人員關(guān)于PDC齒破巖研究都默認(rèn)是巖石在沒有遭到損傷的情形下進(jìn)行的。在實(shí)際鉆井中，PDC齒的切削過(guò)程多是切削已受損的巖石，因此探究PDC齒重疊切削對(duì)其切削力、破巖比功的變化規(guī)律，會(huì)對(duì)PDC鉆頭在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中產(chǎn)生重要的作用。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)PDC齒的重疊切削研究較少，廖飛龍[2-3]等根據(jù)西南石油大學(xué)鉆頭實(shí)驗(yàn)室開展的PDC單齒重疊切削破巖試驗(yàn),得到了常規(guī)齒多次重疊切削巖石的損傷規(guī)律；D.H.Zeuch[4]等人使用PDC切削齒對(duì)浸染了染料的巖石進(jìn)行切削，并觀察研究了巖石表面的損傷；梁爾國(guó)和翟應(yīng)虎[5-6]等人共同探究的PDC齒重疊切削,主要研究切削面積和接觸弧長(zhǎng)對(duì)切削齒受力的相互作用和影響情況。

本文根據(jù)PDC齒在實(shí)際切削時(shí)出現(xiàn)切削已受損巖石的特點(diǎn)，考慮已受損巖石中的殘余應(yīng)力和裂隙對(duì)PDC齒破巖的影響，進(jìn)行常規(guī)PDC齒與錐形PDC齒的重疊切削試驗(yàn)，并將二者試驗(yàn)結(jié)果加以對(duì)比，分析切削力與破巖比功的變化特點(diǎn)。另外，改變PDC齒單次重疊切削深度，探究切削深度變化對(duì)重疊切削性能的影響，以期充實(shí)PDC齒作用下的巖石破碎理論內(nèi)容，為后期PDC鉆頭的布齒設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)研究

本文采用自行設(shè)計(jì)的PDC齒直線切削試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)單齒重疊切削試驗(yàn)，探究PDC齒切削已受損巖石的性能特點(diǎn)。該試驗(yàn)可通過(guò)力傳感器觀測(cè)單齒在切削過(guò)程中三向力的變化，然后對(duì)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，得出在巖石損傷后的PDC齒破巖特點(diǎn)與PDC齒多次重疊切削破巖規(guī)律。

1.1 試驗(yàn)裝置

PDC齒直線切削試驗(yàn)臺(tái)是由切削平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)2大部分組成，如圖1所示。切削平臺(tái)包括巖石夾緊裝置、PDC齒裝夾裝置、PDC齒角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、力感應(yīng)器和深度調(diào)節(jié)裝置。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)主要由力傳感器、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集卡、可視化系統(tǒng)與直流穩(wěn)壓電源等組成，電源穩(wěn)定電壓為24 V，信號(hào)的采集頻率為1 kHz。該試驗(yàn)裝置可完成PDC單齒切削過(guò)程中切削力信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。巖石用夾具固定沿x軸負(fù)方向勻速運(yùn)動(dòng)，PDC齒所受切向力(Fc)方向?yàn)閤軸負(fù)方向，所受軸向力(Fn)方向?yàn)閦軸方向。

圖1 PDC齒直線切削試驗(yàn)臺(tái)原理

1.2 試驗(yàn)材料

鉆頭單齒重疊切削試驗(yàn)的切削材料為PDC齒，由聚晶金剛石層和碳化鎢合金層組成。聚晶金剛石層主導(dǎo)進(jìn)行切削破巖，自身硬度極高，但材質(zhì)比較脆。碳化鎢基體會(huì)對(duì)聚晶金剛石層起到支撐保護(hù)作用。PDC齒形狀多為圓片狀、錐形、凹形等。此次試驗(yàn)采用常規(guī)圓片狀PDC齒與錐形PDC齒進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

常規(guī)PDC齒與錐形PDC齒外形如圖2所示。常規(guī)PDC齒的直徑為13.4 mm。錐形PDC齒直徑為13.4 mm，錐頂角為90°，錐頂半徑為2 mm，錐頂高度6.47 mm。單齒重疊切削試驗(yàn)的待切削材料為白砂巖，試驗(yàn)巖樣按照GB/T23561-2009標(biāo)準(zhǔn)加工。巖樣尺寸為100 mm×100 mm×70 mm，密度為2 714 kg/m3，單軸抗壓強(qiáng)度32 MPa，泊松比0.3，彈性模量26 GPa。

圖2 試驗(yàn)用PDC單齒外形

1.3 試驗(yàn)方法

由于試驗(yàn)條件限制，該試驗(yàn)采用的是單齒直線切削巖石的方式。根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)PDC齒單次切削的結(jié)果，選擇常規(guī)齒與錐形PDC齒受力最小的切削角度，以滿足最小切削力進(jìn)行試驗(yàn)。常規(guī)PDC齒的工作參數(shù)設(shè)定為后傾角5°，錐形PDC齒前傾角15°，與郭玉龍和何仁清[7-8]等人的研究結(jié)果一致。重疊切削4次之后，單齒的破巖比功基本無(wú)明顯變化，與廖飛龍[2]等人的重疊切削研究結(jié)果相同。因此，本文試驗(yàn)在每1條切削軌道上只進(jìn)行4次重疊切削，后一次切削長(zhǎng)度均短于前一次切削長(zhǎng)度。另外，改變PDC齒單次重疊切削深度，分別進(jìn)行單次0.3、0.4、0.5、0.6 mm不同切削深度的重疊切削試驗(yàn)。PDC齒重疊切削痕跡如圖3所示。

圖3 PDC齒重疊切削痕跡

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)夾持裝置固定PDC齒，保證試驗(yàn)過(guò)程中PDC齒的工作角度不變，通過(guò)深度調(diào)節(jié)裝置改變PDC齒的切削深度。巖石夾緊裝置固定巖樣，以5 mm/s的切削速度進(jìn)行切削破巖。一次切削結(jié)束后，再通過(guò)深度調(diào)節(jié)裝置將PDC齒向下移動(dòng)相同的切削深度，進(jìn)行下一次切削。

1.4 試驗(yàn)步驟

1) 將PDC齒安裝并調(diào)整好工作角度。

2) 打開調(diào)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，調(diào)整設(shè)備儀器。

3) 將待切削巖樣裝入巖石夾緊裝置并夾緊。

4) 將PDC齒對(duì)刀，確定切削深度，將齒退到切削初始位置。

5) 啟動(dòng)切削試驗(yàn)臺(tái)，在切削齒即將接觸巖石時(shí)，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集按鈕，開始收集切削數(shù)據(jù)。

6) 待切削完成后，關(guān)閉切削試驗(yàn)臺(tái)停止切削，將刀桿提升懸空，以免返程過(guò)程中破壞巖石。

7) 當(dāng)PDC齒回歸初始位置時(shí)，收集巖屑并稱重，測(cè)量切削長(zhǎng)度，完成一次切削任務(wù)。然后，調(diào)整PDC齒高度，保證切削深度與前一次一致，重復(fù)前一周期操作，直至完成重疊切削。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

PDC齒切削巖石時(shí)主要受到切向力(Fc)與軸向力(Fn)的作用。由于在切削過(guò)程中軸向力與切削方向垂直，因此只有切向力做功，計(jì)算切削齒破巖比功只考慮切向力的影響。破巖比功是用來(lái)衡量切削齒的破巖效率，其計(jì)算公式為：

式中：EMS為破巖比功；L為切削長(zhǎng)度；V為巖屑體積。

破巖比功數(shù)值越大，表示切削齒破巖效率越低。另外，在實(shí)際切削過(guò)程中軸向力與切向力并不是一個(gè)恒定不變的值，而是一直在波動(dòng)變化，因此需要算出平均值，方便進(jìn)行下一步的分析處理，如圖4所示。

圖4 PDC齒切削力與平均切削力

2.2 切削力變化

當(dāng)常規(guī)PDC齒以5°后傾角進(jìn)行重疊切削時(shí)，不同切削深度下重疊切削對(duì)常規(guī)齒受力的影響如圖5所示。

從圖5可以看出，在重疊切削試驗(yàn)過(guò)程中，常規(guī)PDC齒所受切削力總體呈上升趨勢(shì)，隨著切削深度的增大,切削齒受到的切削力也在增大；隨著切削深度的增大，第1次切削至第4次切削的平均切向力增大幅值依次為94%、91%、68%、66%，平均軸向力增大幅值依次為38%、37%、35%、36%。

圖5 不同切削深度下重疊切削對(duì)常規(guī)PDC齒受力的影響

當(dāng)錐形PDC齒以15°后傾角進(jìn)行重疊切削時(shí)，不同切削深度下重疊切削對(duì)錐形PDC齒受力的影響如圖6所示。

圖6 不同切削深度下重疊切削對(duì)錐形PDC齒受力的影響

從圖6可以看出，在重疊切削試驗(yàn)過(guò)程中，不同切削深度下，錐形PDC齒所受切削力總體呈上升趨勢(shì)，當(dāng)單次切削深度增大時(shí)，切削齒所受到的切削力也在增大，平均切向力增大幅值依次為44%、38%、40%、36%，平均軸向力增大幅值依次為25%、23%、21%、18%。

相比較而言，錐形PDC齒重疊切削的切削力總體上大于常規(guī)齒，因?yàn)榍邢鹘佑|面積是影響切削齒受力的主要因素[9-10]，常規(guī)PDC的接觸面是平面，錐形PDC齒是曲面，經(jīng)計(jì)算，在同一切削深度下，錐形PDC齒的切削接觸面積均大于常規(guī)PDC齒。

通過(guò)SolidWorks繪出2種齒的三維圖形，根據(jù)重疊切削的特點(diǎn)繪出切削接觸面積與破巖面積，并進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 常規(guī)PDC齒與錐形PDC齒的切削接觸面積和破巖面積對(duì)比

隨著重疊切削的進(jìn)行，常規(guī)PDC齒的切削力上升的速率要快于錐形PDC齒，因?yàn)楫?dāng)切削深度增大時(shí)，巖屑會(huì)大量堆積在常規(guī)PDC齒的切削正前方，加劇破巖的難度。錐形PDC齒切削時(shí)，巖屑會(huì)飛濺分散在切削軌道兩側(cè)，如圖7所示。因此，常規(guī)PDC齒的受力上升速率要快于錐形PDC齒。

圖7 2種PDC齒破巖的巖屑堆積情況

2.3 破巖比功變化

未受損的巖石在經(jīng)過(guò)第一次切削破巖之后，會(huì)在原切削位置留下微裂紋或殘余應(yīng)力。卸載之后，巖體內(nèi)的殘余壓應(yīng)力便會(huì)成為拉應(yīng)力,而當(dāng)拉應(yīng)力超出巖體抗拉強(qiáng)度時(shí)便會(huì)形成新的裂紋[11-14]，即造成巖石損傷。當(dāng)常規(guī)PDC齒以5°后傾角進(jìn)行重疊切削時(shí)，不同深度下的破巖比功變化如圖8所示。

圖8 不同切削深度下重疊切削對(duì)常規(guī)PDC齒破巖比功的影響

從圖8可以看出，當(dāng)切削深度增加時(shí)，破巖比功減小，說(shuō)明常規(guī)PDC齒的切削深度越大，破巖效率越高。但是，破巖比功總體下降幅值呈減小趨勢(shì)，計(jì)算得到各組破巖比功的下降幅度依次為27%、21%、18%、16%。

隨著重疊切削的進(jìn)行，第2次切削相比第1次切削，常規(guī)PDC齒的破巖比功都得到明顯的下降，但在第2次重疊切削之后，各組破巖比功的變化都趨于穩(wěn)定。

原因在于單次重疊切削深度較淺時(shí)，常規(guī)PDC齒的每次重疊切削面積增長(zhǎng)緩慢，加之前一次切削對(duì)巖石造成的內(nèi)部損傷，導(dǎo)致下一次切削得到的巖屑質(zhì)量快速增長(zhǎng)，因此破巖比功會(huì)持續(xù)下降。當(dāng)單次重疊切削深度增大時(shí)，重疊切削面積便會(huì)加快增長(zhǎng)，影響切向力快速上升，導(dǎo)致破巖比功下降幅度減小。隨著重疊切削的進(jìn)行，巖石內(nèi)部的損傷會(huì)不斷積累，并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此重疊切削次數(shù)越多，破巖比功變化就越趨于穩(wěn)定。

當(dāng)錐形PDC齒以15°前傾角進(jìn)行重疊切削時(shí)，不同單次切削深度下的破巖比功如圖9所示。

圖9 不同切削深度下重疊切削對(duì)錐形PDC齒破巖比功的影響

根據(jù)計(jì)算得到各組破巖比功的上升幅度依次為1.5%、10%、22%、46%。在圖9中可以看到，與常規(guī)PDC齒相同，當(dāng)切削深度增加時(shí)，錐形PDC齒破巖比功減小。不同在于第2次切削相比第1次切削，破巖比功會(huì)有所下降，而在整個(gè)重疊切削過(guò)程中，破巖比功不降反升，且單次重疊切削深度越大，破巖比功上升幅度越大。原因在于，隨著錐形PDC齒切削深度的增加，所受切向力在逐步上升，但同時(shí)破除的巖屑質(zhì)量卻增長(zhǎng)緩慢，導(dǎo)致破巖比功無(wú)法降低。

對(duì)比2種PDC齒破巖比功變化規(guī)律可知，在重疊切削中，常規(guī)PDC齒的破巖比功可以有效地降低；而對(duì)于錐形PDC齒，破巖比功不僅在同等切削深度下遠(yuǎn)大于常規(guī)齒，而且因?yàn)樵囼?yàn)組中切削深度較淺，錐形PDC齒多是淺層磨削而不能以犁削方式高效破巖[15]，破巖比功無(wú)法有效降低。由表1中破巖面積對(duì)比可以看出，常規(guī)PDC齒在重疊切削試驗(yàn)中，切削破巖面積大，切削時(shí)會(huì)對(duì)切削軌道周圍造成較大損傷，最終產(chǎn)生的巖屑較多。錐形PDC齒由于切削破巖面積較小，不能有效地對(duì)切削軌道附近造成較大損傷，不利于下一次重疊切削的進(jìn)行，因此切削過(guò)程產(chǎn)生的巖屑質(zhì)量較小。圖10為2種PDC齒破巖的巖石損傷應(yīng)力分布云圖。

圖10 PDC齒破巖巖石損傷應(yīng)力分布云圖

另外，常規(guī)PDC齒與錐形PDC齒兩者截然不同的重疊切削性能也與這2種齒形的破巖機(jī)理有關(guān)。常規(guī)PDC齒的破巖過(guò)程可分為壓入變形階段、裂隙延伸階段與塊體崩裂階段，如圖11所示。

圖11 常規(guī)PDC齒破巖過(guò)程示意

常規(guī)PDC齒破巖時(shí)，裂隙首先向切削方向水平延伸，然后再向巖石自由面發(fā)展，從而形成塊狀的巖屑，破巖過(guò)程中，巖屑開裂部位與巖石內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域保持一致。

錐形PDC齒的切削破巖過(guò)程可分為壓實(shí)變形階段、吃入階段與巖屑碎裂階段，如圖12所示。

圖12 錐形PDC齒破巖過(guò)程示意

當(dāng)錐形PDC齒吃入巖石時(shí)，巖石開始碎裂，裂隙逐漸萌生，吃入巖石后，錐形PDC齒以冠頂接觸巖石，在其接觸面法向方向出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，拉應(yīng)力極值使該出巖石發(fā)生損傷并萌生裂隙，最終導(dǎo)致巖塊碎裂。

因?yàn)槌Ｒ?guī)齒破巖面積較大，因此對(duì)巖石的損傷區(qū)域也較大，產(chǎn)生的巖屑多為塊狀，巖屑體積大。相比于常規(guī)PDC齒，相同切深下錐形PDC齒由于破巖面積較小，很難對(duì)切削軌道范圍以外的巖石造成損傷，產(chǎn)生的巖屑也多為碎屑狀，體積較小。因此，在重疊切削過(guò)程中，常規(guī)PDC齒能夠?qū)r石造成較大殘余損傷，降低重疊切削的難度，減小破巖比功。圖13為同等切削深度下2種PDC齒破巖的巖石損傷形貌。圖14為其破碎的巖屑。

圖13 2種PDC齒破巖的巖石損傷形貌

圖14 2種PDC齒破巖的巖屑

3 結(jié)論

1) 在PDC齒直線切削試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)上對(duì)PDC鉆頭的2種單齒進(jìn)行重疊切削巖石試驗(yàn)。常規(guī)PDC齒、錐形PDC齒所受平均切向力與軸向力隨重疊切削次數(shù)的增加而呈上升趨勢(shì)，常規(guī)PDC齒的切向力、軸向力平均上升幅度分別為79.75%、36.5%，錐形PDC齒的切向力、軸向力平均上升幅度分別為39.5%、21.75%。兩者的切削力都隨切削深度的增加而增加。

2) 在重疊切削試驗(yàn)中，按照切削深度分別為0.3、0.4、0.5、0.6 mm分組。常規(guī)PDC齒的破巖比功總體呈下降趨勢(shì)，各組分別下降27%、21%、18%、16%。錐形PDC齒的破巖比功呈上升趨勢(shì)，各組分別上升1.5%、10%、22%、46%。切削深度增加時(shí)，常規(guī)PDC齒的破巖比功下降幅度減小，錐形PDC齒的破巖比功上升幅度增大。

3) 常規(guī)PDC齒與錐形PDC齒的破巖機(jī)理不同，前者主要以剪切應(yīng)力破巖，破巖過(guò)程中對(duì)周圍巖石造成損傷較大，產(chǎn)生的巖屑體積較大。后者主要以拉應(yīng)力破巖，破巖過(guò)程中對(duì)周圍巖石造成損傷較小，形成的巖屑體積較小。