PDC钻头损坏机理及合理使用(李长录).doc

PDC钻头的损坏机理及合理使用
李长录
（中国石油集团公司海洋工程有限公司钻井事业部，天津，大港，300280）
摘要：PDC钻头在软到中等硬度地层中具有很好的破岩性能，机械钻速高，使用寿命长，钻井工作效率得到了大幅提升，综合经济效益显著，因而在钻井工程中得到了广泛应用。但是由于PDC钻头对于使用地层和工作条件敏感性强，在砾岩层及软硬交错等非均质地层中未能取得良好的使用效果，因此有必要针对砾岩层的地层性质，研究其主要失效形式和损坏机理以便于合理使用PDC钻头，进而提高其使用寿命。
关键词砾岩层PDC钻头损坏机理合理使用
引言PDC钻头具有钻速快、效率高等明显的优势。但目前的PDC钻头只能有效地钻进软到中硬的比较均质的地层，而在砾岩层和软硬交错的等非均质地层中，或钻速低，或寿命短。因此了解PDC钻头的损坏机理及合理使用对于节省钻井成本具有非常重要的意义。
PDC钻头钻进砾石层损坏机理分析
PDC钻头钻进砾岩的失效形式分析
对于PDC钻头，主要有磨损和冲击损坏两种失效形式[1]
（1）磨损
复合片主要由两部分组成，上面是聚晶金刚石层，下部是起支撑作用的碳化钨基底，由于材料性质的不同导致它们之间存在着残余应力和内部缺陷，在切削齿与岩石产生的摩擦力的作用下，金刚石微粒会从基底脱落，从而导致切削齿发生磨损，又称为磨粒磨损或研磨性磨损。磨损表现为复合片切削刃逐渐被磨钝，磨损面逐渐增大，钻头机械钻速逐渐降低。与其他失效形式相比，磨损是一种相对稳定的失效形式，贯穿于整个钻头的工作过程。磨损速度主要取决于切削齿的受力、切削刃与岩石接触面上的温度、切削速度、岩石研磨性以及切削齿的耐磨性。
（2）冲击损坏
这种形式的钻头损坏是由作用在切削齿上的冲击载荷引起，表现为切削齿碎裂或金刚石层剥落等。冲击损坏主要有两种形式：
①崩刃
崩刃表现为切削齿刃面上金刚石层碎裂，主要由切削齿上的切向载荷引起是最常见的冲击损坏形式。钻头的大部分钻压和扭矩都施加于复合片切削刃上，受力面积很小，当钻头钻进比较硬或者非均质性较强的地层时，PDC切削刃会受到较大的沿钻头切向的冲击载荷，由于复合片脆性大，从而导致切削刃发生破裂，其裂纹起源于金刚石层圆柱面上。崩刃通常会导致切削齿过快失去切削能力，是导致钻头先
期损坏的主要原因。
②剥离
剥离表现为聚晶金刚石层与碳化钨基底的粘接被破坏导致金刚石层从基底脱离，致使复合片切削刃不复存在而失去切削能力，剥离主要是由切削齿受到的轴向载荷引起的。由于金刚石层与基底间存在残余应力，导致在它们的交界面上粘接力较弱，在钻头破岩过种中，钻压施加的轴向力主要沿着该交界面方向，当切削齿受到较大的轴向冲击载荷时，由于轴向力过大导致在该交界面处发生金刚石层剥离。
1.2砾岩层PDC钻头冲击损坏机理分析
根据钻头与岩石的相互作用原理，可知切削齿在破碎岩石的同时也会受到岩石对其施加的反作用力。岩石对切削齿的反作用力主要包括岩石破碎阻力以及切削齿与岩石接触面上的摩擦阻力。但是无论切削齿的受力情况如何，都可以将其受到的力分解为轴向力、切向力和侧向力三个分力[2]。相应地，切削齿受到的冲击载荷也可分解为切向冲击载荷、轴向冲击载荷以及侧向冲击载荷。
（1）切向冲击力与扭转振动
切向力是作用切削齿上沿钻头旋转方向上的力。由于切削齿切削较软地层中的均质部分与坚硬的砾石所受到的阻力不同，在钻压和扭矩作用下，切削齿会保持较高的切削速度，当切削齿钻到砾石时，由于砾石坚硬，切削齿会受到很大的破岩阻力，钻头的大部分扭矩施加在这些切削齿上，由于切削速度快且金刚石与砾石脆性极强变形很小，切削齿瞬间加载形成沿钻头切向的冲击载荷，大的冲击载荷会导致金刚石层内出现微裂纹，进而导致切削齿的抗冲击能力下降，钻头切削速度越快，加载越迅速，切削齿受到的冲击载荷也越大。随着切削齿受冲击次数的增加，切削齿的抗冲击强度会逐渐降低，当冲击载荷超过聚晶金刚石层的抗冲击强度时，金刚石层会在宏观上发生破裂，导致切削齿的切削能力下降，随着切削齿损坏加重，最终导致钻头报废。
此外，由于砾石的存在，钻头受到较大冲击载荷，导致其受力波动很大，容易引发钻头扭转振动，导致钻头旋转速度忽大忽小，甚至会发生静止不动或反向旋转的情况，加剧了切削齿与岩石的冲击作用，导致切削齿受到更大的切向冲击载荷。此外，当钻具与井壁接触产生的摩擦力比较大时，会使钻柱发生扭转振动，从而引发钻头扭转振动。
切向冲击载荷施加在金刚石层的刃面上，主要会使钻头发生崩刃。但是当冲击载荷很大而引发钻头反向旋转时，由于切削齿自向结构的特点切削齿承受反向载荷的能力很弱，也会导致金刚石层剥落[3]。
（2）轴向冲击力与轴向振动
切削齿受到的轴向冲击载荷主要是由于钻头的钻压引起的。轴向冲击与切向冲击是同时发生的，因而两种冲击载荷产生的原因及过程相似，当切削齿钻遇砾石时，为