朱光輝 況雨春 林 偉

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.西南石油大學(xué)工程學(xué)院)

0 引 言

作為我國(guó)油氣勘探開發(fā)主力鉆井裝備，PDC鉆頭鉆井進(jìn)尺已經(jīng)占全部進(jìn)尺的80%以上[1-3]。PDC鉆頭鉆井效率和使用壽命等性能的提升，不僅可提高人們對(duì)復(fù)雜難鉆地層的研究水平，而且對(duì)國(guó)家能源安全方面也具有重要意義。PDC單齒作為PDC鉆頭的基本組成單元，探究其切削載荷進(jìn)行生熱分析顯得尤為重要。

PDC齒的主要失效形式為齒的脫層、剝落、磨損及斷齒，其中磨損是切削齒最常見(jiàn)的一種失效方式，占切削齒失效的50%左右[4-5]。PDC切削齒的磨損形式主要分為研磨磨損和沖擊損壞2種，其數(shù)值理論推導(dǎo)通常結(jié)合摩擦磨損和PDC鉆頭幾何學(xué)等基礎(chǔ)理論開展。邢劍[6]通過(guò)在車床上用選定的切削齒分別切削硬砂巖和花崗巖，分析了載荷、切削線速度和切削齒后傾角等對(duì)PDC切削齒破壞的影響；王良光[7]在定鉆壓和轉(zhuǎn)速條件下分析了PDC齒磨損高度和線磨損速度的關(guān)系，理論分析表明，切削齒的線磨損速度隨切削齒的磨損而變慢，當(dāng)切削齒未磨損(即為新鉆頭)時(shí)，它的線磨損速度為無(wú)窮大。PDC齒微觀磨損機(jī)理主要采用顯微分析技術(shù)對(duì)PDC齒磨損表面進(jìn)行觀測(cè)，分析其微觀形貌特征和磨損類型[8-9]。

有關(guān)溫度對(duì)PDC齒磨損影響的研究最早于20世紀(jì)80年代開展。美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的D.A.GLOWKA等[10]基于數(shù)值分析方法對(duì)PDC齒磨損機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高溫會(huì)加大磨料刮擦、載荷沖擊、熱沖擊和熱疲勞等因素對(duì)PDC齒磨損的影響，切削過(guò)程中切削力所作的機(jī)械功大部分轉(zhuǎn)化成熱能(切削熱)。陽(yáng)啟華等[11]通過(guò)彈塑性有限元方法, 對(duì)切削過(guò)程中刀具的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析,得出了刀具前角對(duì)切削溫度的影響規(guī)律。王濱等[8]分析了磨損后鉆頭在鉆遇硬塑性巖石(花崗巖)時(shí)的磨損規(guī)律。

雖然上述文獻(xiàn)對(duì)PDC單齒試驗(yàn)及相關(guān)內(nèi)容均做了較為詳細(xì)的研究，但目前在不同傾角和不同磨損等級(jí)下對(duì)真實(shí)磨損齒切削載荷和生熱規(guī)律還缺乏進(jìn)一步的研究。本文通過(guò)單齒切削試驗(yàn)，驗(yàn)證在不同磨損程度和不同前傾角下磨損齒的相關(guān)性能，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)得出磨損齒在切削過(guò)程中三向力(軸向、切向與側(cè)向)和溫度等的變化規(guī)律，以期為PDC鉆頭磨損后的切削性能分析提供理論基礎(chǔ) 。

1 試驗(yàn)研究

直線刮切試驗(yàn)是研究PDC齒性能的基礎(chǔ)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)PDC單齒展開室內(nèi)的單齒刮切試驗(yàn)，可以更為直觀地觀測(cè)到單齒在切削過(guò)程中三向力的變化，同時(shí)通過(guò)熱成像儀和高速攝影裝置，還可以直觀地觀察到單齒破巖過(guò)程中的溫度變化和巖石破碎過(guò)程。

1.1 試驗(yàn)裝置

PDC單齒切削試驗(yàn)主要在西南石油大學(xué)鉆頭研究所內(nèi)完成。采用的試驗(yàn)裝置由普通刨床改制而成，主要由PDC磨損齒、巖石夾持裝置、定位與緊鎖裝置、傳感器和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。巖石夾持裝置將巖石固定在刨床上，PDC切削齒固定在刀頭架上，刀頭架上有傳感器，切削過(guò)程中的載荷通過(guò)有線的方式連接到動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，并通過(guò)信息采集系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。該試驗(yàn)裝置具有切削載荷恒定、平穩(wěn)性好和沖擊小的特點(diǎn)，能滿足PDC齒載荷測(cè)試的需求。

圖1 PDC單齒試驗(yàn)裝置Fig.1 PDC single cutter test bench

1.2 試驗(yàn)樣品

傳統(tǒng)磨損齒主要采用機(jī)械加工方式獲得，不能真實(shí)反映和揭示磨損齒實(shí)際的切削力學(xué)變化和生熱機(jī)理。本試驗(yàn)所用PDC磨損齒均在真實(shí)鉆井鉆頭上獲取，直徑為15.88 mm，根據(jù)IADC磨損標(biāo)準(zhǔn)[12]，用0～8的線性數(shù)字來(lái)衡量和定義鉆頭表面各部位切削齒的磨損狀態(tài)。數(shù)字的值越大表示切削齒的磨損量越大，“0”代表切削齒沒(méi)有磨損，“8”則表示切削齒已經(jīng)完全磨損。圖2與圖3為不同磨損程度和前傾角的切削齒，分為2組試驗(yàn)。PDC磨損齒參數(shù)見(jiàn)表1。

巖石選用300 mm×250 mm×250 mm表面平整的武勝砂巖，密度為2.54 g/cm3，彈性模量為11.54 GPa，泊松比為0.062，抗拉強(qiáng)度為4.346 MPa，抗剪強(qiáng)度為13.56 MPa，抗壓強(qiáng)度為67.548 MPa，內(nèi)摩擦角為38.03°。

圖2 不同磨損程度的切削齒Fig.2 Cutting cutter with different wear degrees

圖3 不同前傾角的切削齒Fig.3 Cutting cutter with different front rake angles

表1 PDC磨損齒參數(shù)Table 1 Worn PDC cutter parameters

1.3 試驗(yàn)方法

為模擬真實(shí)PDC鉆頭上不同部位齒磨損后的切削狀態(tài)，選用3種不同磨損等級(jí)(包含5種磨損量)及4種不同前傾角磨損齒，每種齒均保持2 mm的切削深度，巖石為武勝砂巖，得到在不同磨損量和不同前傾角下的軸向力和切向力。單齒切削試驗(yàn)對(duì)象及裝置如圖4所示。

圖4 單齒切削試驗(yàn)對(duì)象及裝置Fig.4 Single cutter cutting test object and device

為探究PDC磨損齒在不同巖性下的破巖機(jī)理和生熱情況，選用砂巖(見(jiàn)圖4b)和花崗巖(見(jiàn)圖4c)作為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)高速攝像機(jī)和熱紅外成像儀(見(jiàn)圖4d)，選用未磨損齒(磨損等級(jí)0，前傾角10°)和7號(hào)齒(磨損等級(jí)1，前傾角10°)2種齒切削2種巖石，得到不同磨損狀態(tài)下PDC齒切削不同巖石的溫度云圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)刨床刀柄上應(yīng)變片組成的惠斯登電橋輸出電壓變化及電壓數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)刮切過(guò)程中切削齒三向力的采集。刀柄上3個(gè)方向的應(yīng)變片貼片位置較近，使采集得到的三向電信號(hào)之間相互作用而彼此影響，因此由傳感器標(biāo)定后得到的解耦公式[13]可計(jì)算三向切削力，即有：

(1)

式中：Fa、Ft、Fr分別為切削齒軸向、切向和側(cè)向力，ua、ut、ur分別為應(yīng)變片輸出的軸向、切向和側(cè)向電壓。

當(dāng)切削深度為2 mm,前傾角為15°時(shí)，不同磨損程度切削齒的軸向力和切向力如圖5所示。

圖5 前傾角相同時(shí)不同磨損等級(jí)磨損齒力的變化趨勢(shì)圖Fig.5 The cutter force changes trend diagram of different wear grade cutters with the same front rake angle

從圖5可以看出：隨著磨損程度的不斷增大，磨損齒在切削巖石過(guò)程中的軸向力和切向力也逐漸增大，當(dāng)磨損程度較輕時(shí)，其軸向力和切向力變化不明顯；5號(hào)齒(前傾角15°，磨損等級(jí)3)磨損嚴(yán)重，其軸向力和切向力明顯高于其他磨損齒，說(shuō)明隨著磨損的加劇，切削齒受力變化明顯，對(duì)其損害逐漸加大。

當(dāng)切削深度為2 mm,磨損等級(jí)均為1時(shí)，不同前傾角下磨損齒的軸向力和切向力如圖6所示。從圖6可以看出：隨著前傾角的增大，磨損齒的軸向力和切向力也逐漸增大，并且隨著磨損齒磨損程度的增大，其軸向力和切向力的斜率也逐漸增大；10號(hào)齒(磨損等級(jí)1,前傾角25°)前傾角過(guò)大，其軸向力和切向力的斜率均大于其他磨損齒，說(shuō)明傾角越大，磨損越嚴(yán)重，越不容易剪切破壞巖體。

圖6 磨損等級(jí)相同時(shí)不同前傾角磨損齒力的變化趨勢(shì)圖Fig.6 The cutter force change trend diagram of different front rake angle cutters with the same wear grades

3 PDC磨損齒破巖機(jī)理和生熱分析

配合高速攝像機(jī)、圖像處理系統(tǒng)、熱紅外成像儀、溫度處理系統(tǒng)以及強(qiáng)光電源等，選用砂巖和花崗巖2種材料做單齒對(duì)比試驗(yàn)。在單齒切削試驗(yàn)過(guò)程中可以觀測(cè)磨損齒裂紋擴(kuò)展、巖屑剝離和溫度變化，從而可以深入研究磨損后PDC齒的破巖機(jī)理和生熱機(jī)理。高速攝影下單齒破碎砂巖與花崗巖情況如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8可見(jiàn)，磨損齒在切削砂巖和花崗巖時(shí)，裂紋擴(kuò)展及巖屑剝離過(guò)程是不同的。3號(hào)磨損齒(磨損等級(jí)3,前傾角15°)在切削砂巖時(shí)所產(chǎn)生的巖屑大多呈粉末狀，但由于磨損齒在切削過(guò)程中吃入性能減弱，切削過(guò)程除了刮切破碎外，還包含擠壓破碎，因此砂巖巖屑中有塊狀巖屑(見(jiàn)圖7b)，切削完成后，砂巖無(wú)較大塊狀巖屑崩出； 3號(hào)磨損齒(磨損等級(jí)1,前傾角15°)在切削花崗巖時(shí)，其硬度較高，所產(chǎn)生的巖屑呈片狀，同時(shí)在切削過(guò)程中同樣存在擠壓破碎，其巖屑中有少量的塊狀巖屑(見(jiàn)圖8b)，切削完成后，花崗巖邊緣部位會(huì)崩出較大塊狀巖屑(見(jiàn)圖8c)。

圖7 高速攝影下單齒破碎砂巖情況Fig.7 Single cutter breaking sandstone under high-speed photography

圖8 高速攝影下單齒破碎花崗巖情況Fig.8 Single cutter breaking granite under high-speed photography

切削砂巖與花崗巖時(shí)磨損齒與未磨損齒溫升對(duì)比圖分別如圖9和圖10所示。

圖9 切削砂巖時(shí)溫升對(duì)比圖Fig.9 Comparison of temperature rise between worn and unworn cutter when cutting sandstone

圖10 切削花崗巖時(shí)溫升對(duì)比圖Fig.10 Comparison of temperature rise between worn and unworn cutter when cutting granite

通過(guò)熱紅外成像儀采集可得切削齒溫度數(shù)據(jù)。從圖9和圖10可以看出：在切削砂巖過(guò)程中，3號(hào)磨損齒(磨損等級(jí)3，前傾角15°)最高溫度相比環(huán)境溫度升高了3.97 ℃，未磨損齒最高溫度相比環(huán)境溫度升高了2.82 ℃；切削花崗巖過(guò)程中，3號(hào)磨損齒(磨損等級(jí)3，前傾角15°)最高溫度相比環(huán)境溫度升高了19.23 ℃，未磨損齒最高溫度相比環(huán)境溫度升高了12.80 ℃。溫升對(duì)比說(shuō)明，磨損齒在切削花崗巖時(shí)，其溫升更為劇烈，更容易產(chǎn)生熱量聚集，同時(shí)磨損齒在切削巖石過(guò)程中，其溫升均明顯高于未磨損齒。因?yàn)槟p齒在切削過(guò)程中相比未磨損齒，切削弧長(zhǎng)和切削面積更大，其溫升顯著高于未磨損齒。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)不同磨損程度磨損齒和不同前傾角磨損齒展開單齒切削試驗(yàn)，總結(jié)出磨損齒磨損后的力學(xué)性能變化和生熱規(guī)律，在不同磨損程度下，PDC齒磨損越嚴(yán)重，達(dá)到同樣切削深度所需要的力越大；磨損齒的切削力隨著前傾角的增加而逐漸增大，并且磨損后的PDC齒隨著前傾角的增大，切削力增加的速率會(huì)逐漸加大，因此磨損后的齒在破巖過(guò)程磨損越嚴(yán)重，傾角越大，越容易發(fā)生失效風(fēng)險(xiǎn)。

(2)磨損齒在切削巖石過(guò)程中溫升要遠(yuǎn)大于未磨損齒，在切削砂巖石時(shí)，磨損齒的溫升相比于未磨損齒提高了25%；在切削強(qiáng)研磨性花崗巖時(shí)，磨損齒的溫升相對(duì)于未磨損齒提高了50%。PDC齒在磨損后熱磨損會(huì)加劇，從而對(duì)PDC齒的磨損產(chǎn)生惡性循環(huán)。

(3)PDC齒磨損后破巖能力降低，在切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生擠壓破碎，不僅對(duì)其產(chǎn)生沖擊，降低破巖效率而且加速了齒的磨損。