钻头磨损机理及改进技术研究

严博宇

（大庆钻探工程公司钻井四公司，吉林 松原 138000）

旋转钻井是勘探开发石油天然气的最常用技术，旋转钻井主要使用的钻头是牙轮钻头和聚晶金刚石复合片(PDC)钻头[1]。牙轮钻头通常有一个或多个旋转锥体，每个锥体在钻井过程中都围绕自己的轴旋转，而PDC钻头的刀头是固定的，没有移动部件，跟随钻柱的钻压和旋转而钻进。钻头的磨损是造成钻井成本增加的主要因素之一，因此可以通过有效控制和减小钻头磨损来节约钻井施工成本。本文首先研究了钻头的磨损分析方法，阐明了钻头的磨损机制，以便更好的了解牙轮钻头和PDC 钻头的失效模式，以期达到提高钻头抗磨性、节约钻井时间和钻井成本的目的。

1 钻头磨损机理分析

多年来，石油行业的科研人员一直通过不断的科学研究和技术探索来满足安全高效钻探油气资源的需要。其中一项重要的研究内容就是通过优化钻头性能来最大程度地提高钻井效率并降低相关的钻井成本[2-3]。其中重要的技术手段之一就是通过使用最佳的材料和设计方法来改进钻头的制造工艺。由于石油钻井行业中最常使用的钻头是牙轮钻头和PDC 钻头，因此大部分研究都是围绕着这两种钻头开展的。

牙轮钻头诞生至今已经有一百多年的历史了，其制造和设计过程也经历了一系列进步。第一只牙轮钻头是1908 年制造的，由两个锥形铣齿钻头组成并采用了金刚石增强材料以及改进的轴承和密封件。PDC钻头自1970 年被发明后，其制造技术也得到了飞速发展。目前牙轮钻头和PDC 钻头广泛用于钻孔作业，具体使用条件取决于所钻岩层和所需达到的钻井目的。

1.1 牙轮钻头的磨损机理

钻头磨损被定义为材料的宏观或微观缺失及断裂。Mouritz 和Hutchings 研究了牙轮钻头齿所使用材料的磨损率，以及这些材料的磨损机制。牙轮钻头的齿通常为三层构造，外层由WC-Co堆焊层组成，第二层由高碳马氏体钢制成，第三层是由低碳马氏体钢构成的齿芯。用钻头齿所使用的材料制成小圆柱形作为待测样品，使用砂岩等抗磨蚀性岩石和石灰岩等非磨蚀性岩石模拟石油钻探中最常见的岩层[4-5]。

1.1.1 磨损测试

将材料试样在砂岩和石灰岩盘上研磨，总时间为300s。通过对质量损失进行测量得知，砂岩试样上牙轮钻头切削齿材料的磨损率是石灰石试样140 倍。金属样品的硬度顺序为：低碳钢＜高碳钢＜WC-Co 合金。材料的磨损率取决于其硬度（Hm）与磨料硬度（Ha）之比。当（Ha/Hm)＜1时，意味着磨料不易划伤材料，磨损率极低。然而，当(Ha/Hm)＞1.2时，磨料更能划伤材料，会导致高磨损率。测试中使用的三种材料中低碳钢的硬度值为460HV、高碳钢为700HV、WC-Co 合金为1320HV。砂岩的主要成分石英的硬度值为1100HV、岩石碎片为950HV、长石为875HV，均是较为坚硬的物质，而石灰岩主要由方解石组成，其硬度为110HV，小于试样的硬度。试样对石灰石的磨损试验表明，其耐磨性随硬度增加而增加。因此，在钻遇砂岩地层时，牙轮钻头齿外层的WC-Co 合金由于硬度高而磨损缓慢，但当该层损坏后，齿将面临严重的磨损。

1.1.2 划痕测试

该测试旨在模拟硬质矿物颗粒在钻头上滑动时产生的磨损情况。该测试是在抛光的钻头材料上滑动锋利的金刚石触针来进行的。攻角（θc）定义为测针切割面与试样表面之间的夹角，在磨损过程中选择不同攻角。本次实验选择的攻角范围为6°～86°。通过扫描电子显微镜（SEM）检查样品的划痕表面。用金刚石触针对低碳钢和高碳钢试样进行划痕。在微铣中，材料被移到磨损槽的侧面，并且材料不会从表面上去除，而在切削过程中，在槽的末端会形成切屑，并且材料会从表面上去除。结果表明，当θc＜36°进行划痕试验时，铣的过程占主导地位，而当36°≤θc≤86°时，铣和切削过程都发生。86°以上的磨损主要是由切削引起的。Osburn的研究结果证明岩石硬度对碳化钨钻头的磨损有强烈影响，在高温下磨损更为严重（热磨损），导致钻头热疲劳，因此在牙轮钻头制造过程中，WC晶粒必须具有完美的结构，以便获得最大的抗断裂性。牙轮钻头的主要失效模式如下：冲击压裂、热疲劳、磨损和由于过载引起的机械疲劳。

1.2 PDC钻头的磨损机理

相对而言，PDC 钻头比传统牙轮钻头的工作效率更高。在正常钻进条件下，PDC 钻头50%以上的钻进能量被刀具磨损所消耗。因此，为了更好地提高钻头效率，应对钻头与岩石之间的相互磨损作用进行深入研究。Dunn 认为PDC 钻头失效的主要原因是由于烧结过程中产生的拉应力诱发裂纹，并在整个金刚石台面和基材中传播。PDC 钻头通常会遇到如下问题：①金刚石层碎裂；②螺柱断裂；③磨粒磨损；④液压性能差；⑤清洁效率不足；⑤在钻头上施加大钻压时钻头的偏离；⑥由于碳化钨螺柱的粘合不良而划伤刀具的复合层；⑦热失效。PDC 钻头的主要失效原因是由于摩擦热和岩石的高磨蚀性。根据磨损机制的类型可将PDC 钻头划分为四种主要失效模式：平滑磨损、微碎裂、严重破裂（剥落）和分层。其中平滑磨损主要发生于由于机械和热负荷而被抛光的单个金刚石晶体，该类型的磨损相对较轻，因为磨损并不严重。沿PDC 刀具或刀片的金刚石台面边缘发生微碎裂的主要原因是热疲劳、机械疲劳和钻头切削力的作用。严重破裂（剥落）是导致PDC 刀具损坏并缩短钻头寿命的最严重故障类型，这种故障通常发生在高硬度的地层中，由钻头与井筒底部的冲击载荷造成；金刚石和WC层的分层主要是因为两个层之间热膨胀系数的不匹配。根据所产生裂缝的尺寸、形状、大小和分布，可以将压裂分为四类：微压裂、中压裂、大压裂和极限压裂。在微压裂中，裂缝非常薄，只有几微米的厚度。对于这一类别，裂缝与金刚石台面平行，并且单个裂缝平面的宽度和长度不超过3mm。在中压裂，裂缝的厚度大于0.1mm，长度和宽度约为5mm和8mm，裂缝平行于金刚石台面，不延伸到WC基体。在大压裂（剥落）中，裂缝很厚并延伸到WC 层中，长度约为8mm，宽度可达12mm，这种类型的故障很严重，会导致金刚石台面的大部分损失。极限压裂是最有害的，将剥落一半以上的金刚石台面和大部分WC层。PDC刀具故障的主要类别为：①金刚石和基体层界面附近的分层；②金刚石和台面基体的塑性变形；③切割边缘的崩刃；④金刚石台面崩刃和金刚石晶粒的脱落；⑤磨粒磨损；⑥热疲劳。

1.2.1 PDC钻头的测试

通过对PDC 钻头进行不同工况下的测试，以评估它们在复杂的钻井条件下的性能和适用性。测试分为破坏性测试和非破坏性测试。

1.2.1.1 破坏性测试

在破坏性测试中，钻头的刀具将被破坏，无法重复使用。该测试的目的是通过模拟真实的井下条件，来评估刀具在这些条件下的性能。破坏性测试又可分为磨损测试和冲击测试。

磨损测试是指刀具在岩石上的耐磨损能力，耐磨性主要取决于岩石中矿物质的硬度。通常使用花岗岩或硬砂岩等高磨蚀性岩石作为测试对象。磨损试验在立式转塔车床（VTL）上开展。刀具被固定在VTL 上，岩石样品放置在刀具下方。刀具以一定深度（通常小于1mm）处压入岩样，岩样以固定转速旋转，并以螺旋模式从岩石外圆周横向移动到轴心。使用计算机程序来控制VTL 的滑动速度。在干式VTL 测试中，刀具没有冷却介质，因此大部分摩擦热进入刀具，加速了金刚石向石墨的转变过程。该测试可以评估PDC刀具在高温下的稳定性以及刀具的耐磨性。由于钴的存在，PDC刀具的金刚石层在接近700℃时会转化为石墨，当温度升高时，金刚石向石墨的转变会加速。湿式VTL测试（使用空气或水）可以评估刀具在中等温度下的使用寿命。在这种情况下，发生的磨损主要取决于岩石的磨蚀性，并可以通过刀具的重量损失来衡量其磨损情况。VTL测试的另一个目标是研究金刚石颗粒在与花岗岩或硬砂岩等硬质岩样摩擦时对其微碎裂和气泡的抵抗力。

冲击测试是测试刀具从给定高度并在15°～25°变化的倾斜角下受到的冲击情况。在20～100J 的冲击能量下测试的22 个刀具的结果显示：只有6 个刀具在测试中没有受到损害，为0%散裂，其余刀具均有60%～80%散裂，平均整体散裂度为68%。而在钻井领域，刀具可接受的散裂强度需要低于30%。因此，冲击测试可用于评估刀具的质量。

1.2.1.2 半破坏性测试

研究人员开展了WC-Co陶瓷和金刚石等材料的微米和纳米压痕测试以及微米和纳米划痕测试，用以测量刀具的硬度和杨氏模量，上述测试对于测量PDC 刀具的机械性能和揭示PDC 刀具的主要磨损机制至关重要。

Ndlovu等人对嵌入钴中的不同碳化钨进行了微米和纳米压痕测试，用以测量WC-Co的机械性能，并将获得的结果与晶粒微观结构的影响联系起来。在微划痕测试中研究了硬质合金的磨损，并发现WC晶粒尺寸越小，划痕宽度和深度越小；因此较细的WC 晶粒具有更好的抗划伤性。

Xie研究了不同类型WC-Co陶瓷的抗磨性能，通过使用微划痕测试来监测此类材料的塑性变形和失效，并将磨损特性与基于材料损失测量的多种材料相关联。

Sawa对天然金刚石压痕进行了杨氏模量实验。实验获得的曲线显示出高度的弹性恢复，测试用天然金刚石的杨氏模量为1090～1217GPa。

Abbas 研究了不同品牌PDC 刀具的磨损情况。使用微米和纳米划痕设备对样品进行评估。结果表明，微米和纳米划痕测试结果主要取决于测试材料的几何形状，因此可以获得可量化的磨损情况。此外，纳米划痕测试还可以显示测试后的失效阶段。

1.2.2 非破坏性测试

非破坏性测试主要用来检查刀具内部的空隙和缺陷，特别是金刚石与碳化物界面处的问题。非破坏性测试中最常使用的技术是显微测试和CT 扫描。CT 扫描是使用0.2～800MHz 的超声波来检测金刚石台面中的分层和空隙，即可以检测到小缺陷，也可以确定它们的大小和位置。声发射韧性测试(AETT)可用于定量评估PDC刀具在高压和高温(HPHT)烧结过程中产生的金刚石—金刚石晶粒之间的冲击强度。

2 改进牙轮钻头和PDC钻头的新方法

2.1 增强性刀片

Sneddon 介绍了一种新的复合过渡层(CTL)技术可以改善PDC钻头的耐磨性。该技术生产的刀具的过渡层由相互结合的PDC片和烧结的WC-Co颗粒组成。刀具的外层完全是PDC，然后逐渐增加WC-Co的用量，内层由100%的WC-Co 组成。复合PDC-WC-Co 层的制造使刀具呈圆形或弯曲形状，比传统刀具具有更高的抗冲击性。

2.2 金刚石增强刀片

科布等人研发了金刚石增强刀片(DEI)技术，其刀片由复合聚晶金刚石制成，主要用于牙轮钻头。该技术已开展了多次商业化实验，结果表明，使用金刚石增强刀片可减轻恶劣钻井条件下的钻头磨损。

3 结论

（1）磨蚀磨损是牙轮钻头发生的主要磨损类型。对花岗岩或硬砂岩等坚硬地层进行磨削是牙轮钻头磨损的主要原因。

（2）PDC 钻头最常见的磨损类型是磨损和冲击。当PDC 钻头在高温环境中钻进时，热降解会引起磨粒磨损，导致金刚石转化为石墨（石墨化）。

（3）使用先进的钻头刀具测试仪器，可以更好地了解牙轮钻头和PDC钻头在各种钻孔条件下的耐用性。