基于自掩埋钻探新技术的PDC钻头磨损特性研究

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中图分类号：TE921.1单位代码：11414学号：2013214025题目基于自掩埋钻探新技术的PDC钻头磨损特性研究学科专业机械工程研究方向现代机械设计方法及理论硕士生王兵指导教师喻开安教授入学时间：2013年9月论文完成时间：2016年5月 硕士学位论文独创性声明：本硕士学位论文是作者个人在导师的指导下郑重声明，独立进行研究工作所取得的成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他个人和集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料。对本研究做出贡献的个人和集体，均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者和导师完全意识到本声明产生的法律后果并承担相应责任。作者签名：分逼日期：Ｌ７义导师签名：曰期：硕士学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解中国石油大学（北京）学位论文版权使用的有关规定：，使用方式包括但不限于学校有权保留并向有关部门和机构送交学位论文的复印件和电子版；允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以釆用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。本学位论文属于保密范围，保密期限年，解密后适用本授权书。本学位论文作者如需公开出版学位论文的部分或全部内容，必须征得导师书一面同意，且须以中国石油大学（北京）为第署名单位。作者签名：日期：＾ｒｒ／ｙ．＾）／ｗ导师签名兵“Ｉ：务日期：气－－Ｉ 摘要摘要自掩埋钻探新技术是当今勘探开发领域的前沿性研究课题，用于自掩埋钻探新技术的PDC钻头磨损特性问题是亟待解决的问题。本文基于全尺寸钻头试验台架的试验环境，讨论了自掩埋PDC钻头在干式切削工况下，切削齿的形貌变化问题，得出自掩埋PDC钻头主要形貌变化为烧灼状附着物，崩齿和磨损现象均集中于冠顶部位。针对自掩埋钻头干切削的工况，通过理论研究，引入材料干摩擦学的相关理论，建立了PDC复合片单齿切削磨损理论模型，为今后自掩埋PDC钻头磨损研究提供了有益的铺垫。对影响PDC复合片磨损性能的参数进行了分析，设计了单齿干切削磨损试验。设计了基于人工热电偶的实时温度采集系统，实时监测试验过程中试件的温度变化。分别分析温度，载荷，线速度对PDC复合片磨损规律的影响，结果表明：PDC复合片在试验设计的工况下，主要磨损形式为疲劳磨损；磨损过程中温度最高值为111.7℃，试验设计的温度环境下，PDC复合片的磨损率无较大变化；PDC复合片的磨损率与切削线速度成线性关系，与载荷成递增关系，且载荷越大，磨损率增加速度越快。关键词：自掩埋钻探新技术；切削温度；磨损率；干摩擦-II- ABSTRACTResearchonwearcharacteristicsofPDCbitbasedonnewtechnologyofselfburieddrillingABSTRACTNowanurgentproblemtobesolvedisthecharacteristicsproblemofPDCbitwearwiththenewself-burieddrillingtechnology.Thispaperbasedonfull-scalebittestingtableenvironment,discussesthemorphologyofcuttingteethunderdrycuttingconditioninselfburieddrillingPDCbit,andgetthemainmorphologychangeofthePDCbitistheburningattachment,thephenomenaofcollapseandwearwereconcentratedinthetopposition.Fortheconditionofself-buriedbitdrycutting,throughthetheoreticalresearch,introducethetheoryofmaterialtribological,buildthemodelofPDCtoothcuttingweartheoryandtakeadvantageforthefutureself-buriedPDCwearresearch.AnalysistheparametersthatinfluencethepropertiesofPDC,designtheweartestofsingletoothdrycutting,thesystemofthereal-timetemperatureacquisitionbymanufacture,monitoringthereal-timetemperatureduringexperiment.Analysistheinfluenceoftemperature,loadandlinespeedforthePDCwearrespectivelyandfoundthatthemainwearformisfatiguewearunderPDCexperimentcondition,thehighesttemperatureis111.7℃.ThereisnogreatchangeswiththewearofPDCplateunderexperiment.LinearlyrelationbetweenPDCwearrateandcuttingspeed,thewearratewiththeloadincreasely,andthegreatertheloadis,thefasterincreasedwearrate.KeyWords：Newtechniqueofselfburieddrilling;cuttingtemperature;wearrate;dryfriction-III- 目录目录硕士学位论文独创性声明.......................................................................................I硕士学位论文版权使用授权书...............................................................................I摘要..................................................................................................................IIABSTRACT...........................................................................................................III第1章绪论..........................................................................................................11.1课题研究背景及意义...............................................................................11.1.1研究背景........................................................................................11.1.2研究意义........................................................................................11.2自掩埋钻探新技术发展现状...................................................................21.3PDC钻头磨损研究现状...........................................................................41.4PDC钻头磨损研究存在的问题...............................................................71.5本文的主要研究内容...............................................................................7第2章自掩埋钻头台架磨损试验........................................................................92.1自掩埋PDC钻头.....................................................................................92.2自掩埋PDC钻头台架试验...................................................................102.2.1试验目的......................................................................................102.2.2试验方案......................................................................................112.3试验数据分析.........................................................................................132.4本章小结.................................................................................................18第3章PDC复合片磨损理论研究.....................................................................193.1引言.........................................................................................................193.2PDC复合片的磨损机理.........................................................................193.2.1聚晶金刚石层(PCD)磨损机理....................................................203.2.2碳化钨硬质合金磨损机理..........................................................213.2.3PDC复合片磨损类型..................................................................223.3温度对PDC复合片性能的影响...........................................................233.4PDC复合片磨损模型.............................................................................243.5本章小结.................................................................................................31第4章单齿磨损试验设计..................................................................................32-IV- 目录4.1试验目的.................................................................................................324.2试验仪器.................................................................................................334.2.1试验台架......................................................................................334.2.2试样夹持装置..............................................................................344.2.3温度采集系统..............................................................................364.3试样制备.................................................................................................384.3.1PDC复合片..................................................................................384.3.2岩样..............................................................................................394.4试验方案.................................................................................................404.5试验步骤.................................................................................................434.6本章小结.................................................................................................44第5章单齿磨损试验数据处理与分析..............................................................455.1单齿磨损试验数据处理.........................................................................455.2PDC复合片的磨损形貌.........................................................................485.3温度对磨损率的影响.............................................................................515.4线速度对磨损率的影响.........................................................................575.5载荷对磨损率的影响.............................................................................595.6本章小结.................................................................................................61第6章结论与展望..............................................................................................626.1研究结论.................................................................................................626.2工作展望.................................................................................................63参考文献..........................................................................................................64致谢................................................................................................................67-V- 中国石油大学（北京）硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究背景及意义1.1.1研究背景随着人类对石油天然气资源的需求量的持续增长，油气田的勘探开发逐渐从常规地带向极端地带进军。过去油气勘探都是集中在平原、沙漠边缘、浅海等自然条件较好，易于展开设备进行施工的地带。近年来，油气勘探已经逐渐扩展到[1]高原、极地冻土带、深海等极端地带。同时，世界各国越来越严格的环保法律规定也对勘探技术的环境安全性提出了更高的要求。新的挑战促使越来越先进的油气勘探技术不断出现。低投入、低风险、环境友好、高回报、自动化和智能化的钻井技术将是未来的发展趋势。为了降低石油勘探的费用和风险，挪威獾式钻探器公司（BadgerExplorerASA）摒弃了传统的钻井技术理念，研发出一种完全不同的勘探方式，即獾式钻探新技术，又被称为无钻机钻井技术。獾式钻探器类似于“有线导弹”或“井下钻井机器人”，主要用于复杂地层以及海洋油气田的勘探工作。该钻探器工作时携带有大量的传感器，钻进过程中能够有效的监测地层参数，并将测量数据及时反馈到地面控制中心。钻进时产生的岩屑通过岩屑输送装置运输到其顶部进行固液分离，岩屑不断被压实在井筒内，整个勘探过程无需起下钻。獾式钻探新技术，是当今勘探钻井技术最前沿科技的集中体现，包含一系列的技术创新，代表着新一代勘探开发技术的发展方向。獾式钻探器的诞生，改变了当前高风险高消耗的勘探方式，表明勘探开发技术已经开始迈入无钻机和自动[2]化钻井时代。1.1.2研究意义獾式钻探新技术与现有传统的钻探方式相比具有显著的优势，主要体现在以下几个方面：（1）勘探过程中不使用陆地钻机或海上钻井平台，对使用环境的要求降低，减少了石油勘探费用，降低了勘探风险。（2）整个装置中无钻杆，钻进过程中，依靠自重施加钻压。-1- 第1章绪论（3）钻进时不产生泥浆，不会伤害地层，使地质信息得到及时、准确的测量。同时避免了对勘探所在地的环境的污染。（4）岩屑被压实在井筒内，不用担心井喷和井漏，提高了钻井过程中的安全性。（5）实现了自动化钻井并且可以远程控制，减少了对人工的使用。（6）獾式钻探属于自掩埋式钻井，到达指定位置，将长期留在井底监测地层信息，提高了设备的使用效率与使用寿命。随着獾式钻探各项技术的不断发展，该技术的优越性越来越凸显出来。研制我国自有的自掩埋式钻探设备对于我国油气勘探领域技术的进步具有重大的意义。在整个自掩埋钻探设备的研制过程中，研制出一种与之相匹配的钻头是整个研制过程中的重中之重。用于自掩埋钻探新技术的钻头必须满足能够在无钻井液的苛刻条件下长期工作的要求，用于自掩埋钻探新技术的特殊结构钻头便是在这样的背景下产生。在综合比较几种油气钻井用钻头后，PDC钻头的优越性显而易见：只有PDC钻头才有将岩屑从井底沿着钻头体内部往上输送的可能。与传统的PDC钻头相比，自掩埋钻探器用PDC钻头在钻探过程中，无钻井液的循环，同时无法起下钻更换钻头，钻头的磨损特性研究便成了研究的重点。1.2自掩埋钻探新技术发展现状自掩埋钻探技术的概念是由挪威专家SigmundStokka和他的团队在20世纪90年代提出的一种新型勘探钻井技术，他们将这一技术命名为獾式钻探技术。全球最早从事獾式钻探技术研究的公司——挪威獾式钻探器公司（BadgerExplorerASA）成立于2003年，其设计的獾式钻探器2006年在美国获得了专利认证，2005年到2010年间，BadgerExplorerASA公司为了增强研发实力，与ExxonMobile、Shell、NorwegianoilcompanyStat-oil等公司签订了样机研发协议，成立技术联盟。随后又逐步收购Calidus公司（井下工具，水下系统和地热工程装备为其特色技术）完成了技术资源整合。2010年4月，BadgerExplorerASA公司通过完成试验样机的概念实验，证明了其原理的可行性，正式进入全尺寸样机试制新时代。接下来的两年内逐步进行了水下钻进实验，页泥岩中钻进实验，2012年8月样机实验已经成功完成。BadgerExplorerASA公司设计的獾式钻探器的实验样机功率约为10kW,整个长度约25m，设计的钻探能力为3000m，预计钻探用时2-6个月，獾式[2]钻探器主体部分结构如图1.1。-2- 中国石油大学（北京）硕士学位论文（1）地层（2）钻头体（3）中心轴（4）驱动马达（5）岩屑通道（6）岩屑通道（7）导向短节（8）外部保护肋（9）地层（10）电缆存储箱（11）电缆排放装置（12）电缆（17）环空（18）井眼（19）井底（20）泵（21）电动马达（22）定向装置（23）环形液缸（24）轴向活动装置图1.1獾式钻探器整体结构Fig.1.1Overallstructureofthebadgerexplorerdrills由于獾式钻探技术现阶段处于实验研发期，并未投入商业化应用，资料保密比较严格，用于獾式钻探新技术的PDC钻头的相关研究内容参考资料很少，现有的资料文献只提到钻头的规格为8.5英寸的特殊结构PDC钻头。在挪威獾式钻探器公司之外，尚未有资料显示其它从事该项研究的公司或者研究单位的存在。自掩埋钻探新技术领域的研究在国内刚刚起步，依托中国石油天然气集团公司“十二五”科技攻关项目，中国石油大学（北京）和中石油钻井技术研究院合作进行自掩埋钻探新技术的基础研究工作，目前已经取得明显的进展。-3- 第1章绪论1.3PDC钻头磨损研究现状在PDC钻头的使用过程中，钻头的磨损受到多种因素的影响，进而会产生多种多样的磨损形式，如图1.2所示。PDC切削齿的磨损问题是研究钻头磨损的主要内容，也是决定整个钻头寿命的基础。在这方面，相关学者和钻头设计人员已经做了大量的研究工作。图1.2PDC钻头的磨损Fig.1.2WearofPDCbit1981年，Hoover和Middleton设计了5个试验钻头，使用不同的岩样来研究其在高转速（500r/min）工况下的切削性能以及磨损特性，试验表明PDC钻头在高速切削中硬岩样的情况下，具有良好的工作性能，然而在切削硬岩样的时候，[3]磨损速度急剧增大。1985年，Zeuch与Finger通过分析PDC钻头切削大理石与花岗岩的破岩效果得出：破岩效率与岩石类型、切削齿形状、切削齿预磨损量等有关；并提出把齿前岩样崩裂后留下的凹台肩与裂纹作为判断岩石破碎方式为体[4]积破碎的依据。1980年代，D.A.Glowka进行了一系列的试验，对PDC复合片在不同工况下的摩擦磨损机理进行研究，指出在350℃之前，350℃至700℃，700℃以上，PDC复合片的摩擦磨损机理是不同的，同时，在相关研究的基础上，建立[5-6]了PDC钻头的设计理论模型，磨损速度模型等相关理论模型。1995年，Kuru和Wojtanowicz通过对PDC复合片和岩石之间摩擦力的研究，指出摩擦系数的变-4- 中国石油大学（北京）硕士学位论文[7]化受切削速度的影响，与岩石硬度关系不大。Ersoy和Waller通过研究胎体取芯钻头，刚体取芯钻头，混合取芯钻头与钻压之间的关系，讨论了在不同钻压情况[8]下取芯钻头的失效机理。1997年，Geoffroy和Minh等研究了单切削齿在轴向力和旋转运动共同作用下的磨损问题，建立了轴向力与切削角度、螺旋运动量之间[9]的关系。进入二十一世纪，研究人员们使用更加先进的方法与设备来研究PDC复合片在磨损过程中各种层面的变化规律与机理。2001年，X.B.Li等人，通过试验研究了PDC复合片和射流破岩相配合的方式钻井硬地层的效率，发现了将PDC[10]复合片适用于硬地层钻井的新方式。2008年，Rashidi等通过引入岩石破碎能量以及钻井强度等概念，综合了多种钻井参数，建立了PDC钻头磨损实时预测模型[11]。2011年，G.M.Gouda等人通过研究不同磨损程度的PDC钻头，建立了应用于已磨损的PDC钻头的数学模型，用来评价PDC钻头的使用价值以及后续使用过程[12]中的钻井参数。2012年，Hamade等采用遗传算法，对PDC取芯钻头进行优化，[13]用以选取最优的设计参数以及钻进参数。2013年，Yahiaoui等从材料成分的角度，分析PCD烧结剂中钴的不同含量，烧结界面的不同结构等因素对PDC复合片性能的影响，并采用有限元方法对PDC复合片的各个性能进行分析，之后采用试[14]验进行验证。2014年，Kanyanta等通过对PDC复合片疲劳磨损现象的研究，指出PCD烧结剂中含有较大尺寸的聚晶金刚石微粒的，烧结完成的PDC复合片表现[15]出更好的抗冲击断裂的性能，同时，其疲劳极限也提高了10%-15%。Z.Liu等在前人的研究基础上，建立了新型的PDC钻头磨损预测模型，可以在不知道钻压和转速的情况下预测PDC钻头的磨损情况，通过该模型计算出的机械钻速与实际钻[16]速误差小于5%。在对PDC复合片的深入研究过程中，各国研究人员也提出了多种减少PDC复合片磨损，延长PDC复合片使用寿命的方案。比如斯伦贝谢的子公司Smith钻头公司，通过创新PDC复合片结构，设计出了PCD层可以旋转的新型结构PDC复合片。这种转动PDC复合片能够使磨损均匀分布在PDC复合片的所有切削边缘上，减少了局部磨损过于剧烈的现象，有效地延长了PDC复合片的[17-19]使用寿命。国内对于PDC钻头磨损的相关研究始于二十世纪九十年代，研究人员最初的研究方向主要在PDC钻头的受力分析方面，随着研究的不断深入，逐渐开始讨论PDC钻头在使用过程中的磨损问题。1995年，魏昕等通过使用PDC复合片切削花岗岩，分析了PDC复合片的破岩机理。通过观察PDC复合片的微观形貌，认为PDC复合片的主要磨损机理为PDC复合片受机械载荷的作用引起的聚晶金刚石层-5- 第1章绪论[20-22]微裂纹产生并扩展而导致的金刚石颗粒的微观解理破碎。1996年，孙明光等研究了两种不同结构的PDC取芯钻头在不同钻井参数下的磨损状况，指出PDC钻[23]头切削齿的磨损状况与钻压成非线性关系。1997年，李树盛等分析了PDC钻头在几种典型的回旋运动下切削齿的运动状态，指出PDC钻头回旋引起的冲击载荷[24]和切削齿反转是导致钻头切削齿破损的直接原因。1999年，刘杰等采用PDC切削齿在卧式车床上磨削岩样的方式，研究了PDC复合片的体积磨损速度与切削参数的关系，并建立了相关模型。模型指出，PDC复合片的体积磨损速度与钻压成[25]指数关系。进入二十一世纪，国内的研究人员采用更多的新型设备来研究PDC复合片的磨损规律，并从机理上加以讨论。2003年，邹德永利用微型钻头模拟PDC钻头切削破岩的过程，对PDC钻头的磨损规律与岩石研磨性进行了研究，建立了根据研磨性系数预测PDC切削齿磨损寿命的理论模型。在低研磨性地层中，PDC切削齿的寿命高达350小时，而在高研磨性地层，PDC切削齿的寿命降低低到10[26]小时以下。2007年，徐根等通过研究PDC复合片在合成过程中，残余热应力的变化，探讨了不同的界面形式对于PDC复合片性能的影响，尝试使用应力释放法研究PDC复合片残余热应力的分布，最终开发出具有过渡层的PDC复合片。新型PDC复合片磨耗比显著增加，同时PCD层界面上的径向拉应力以及外侧面的轴向[27-31]拉应力分别减少了82.5%和94.2%，性能提高十分显著。2009年，梁尔国等研究了切削面积、切削弧长等因素对切削齿受力的影响规律，得到了切削齿受力与[32]岩石可钻性，接触弧长与切削齿磨损高度的函数关系式。陈波利用扫描电镜对PDC磨损断面进行了分析，得出了PDC的磨损主要为磨粒磨损，并伴随着粘着磨损和疲劳磨损。利用软件计算了磨损断口的图像的分形维数，得出磨损面的分形[33]维数为1.5左右。2010年，牛明远研究了将石墨作为固体润滑剂应用到金刚石[34]钻头的制作中，用以降低胎体磨损量，进而延长钻头寿命的方法。张绍和利用PDC复合片在立式车床磨削岩样的方法模拟PDC钻头切削岩石，根据钻头切削齿的出露量和线速度对PDC复合片的磨损规律进行研究，得出不同斜镶角的切削齿[35]对应的最佳出露量。2011年，孔栋梁通过研究现场资料，得出在砾岩层的地质条件下，切削齿受到较大的冲击载荷，进而导致切削齿发生崩刃和脱落等冲击损[36]坏是PDC钻头在砾岩层的主要损坏机理。2014年，邓明凯等通过仿真分析研究了前倾角和侧转角对PDC钻头切削齿破岩效果的影响，结果表明：侧转角在5°[37]时破岩效果最好，而且磨损概率相对较低。西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室使用有限元分析软件，对各种工况下PDC复合片切削岩石过程中的-6- 中国石油大学（北京）硕士学位论文温度场进行研究，得出PDC复合片切削磨损的岩石所消耗的功比切削完好的岩石所消耗的功减少26.9%，同一个PDC复合片切削刃上各点的切削线速度不同，温[38-41]度也不相同。1.4PDC钻头磨损研究存在的问题就PDC钻头磨损研究分析而言，前人研究的方向主要在经典摩擦学方向和石油钻井工程方向。就经典摩擦学方向而言，研究人员主要使用SEM，EDX等设备，对磨损后的PDC复合片进行微观研究，从机理上分析PDC复合片磨损的原因与规律。就石油钻井工程方向而言，研究人员主要依据钻压，机械钻速，钻杆转速等钻井参数，研究PDC钻头的使用寿命以及磨损速度，同时依据井场获得的数据对PDC钻头的结构设计，布齿方式进行优化。随着PDC钻头使用的范围越来越广泛，一些前人研究中鲜有提及的影响因素日益显现出来。（1）钻头工况方面：传统的PDC钻头，在使用过程中都是使用钻机，配合一系列的钻井装备，在钻井液的冲刷，润滑下进行钻进。自掩埋钻探新技术的提出，使得PDC钻头在无钻井液存在的工况下进行钻井成为可能。在无钻井液存在的工况下，对于PDC钻头的磨损问题尚无研究人员进行研究。（2）PDC复合片工作温度方面：PDC复合片在工作过程中，受到多种载荷循环作用，工作环境恶劣。现有的对于PDC复合片的磨损研究中，进行的试验都集中在载荷，速度，切削角度等方向，对于PDC复合片在工作过程中的温度变化鲜有研究。1.5本文的主要研究内容结合自掩埋PDC钻头的实际工况，本文进行了自掩埋PDC钻头全尺寸台架试验，对试验结果进行分析之后，提出了以单齿干式磨损试验为基础对自掩埋PDC钻头磨损规律进行研究的方案。主要以切削几何学理论，高温摩擦磨损理论，干摩擦理论等为基础进行研究。论文主要内容包含以下几部分：（1）自掩埋PDC钻头全尺寸台架试验；（2）PDC复合片磨损理论研究；（3）单齿磨损试验装置设计与试验；（4）单齿磨损试验结果分析与讨论。根据以上研究内容，本文采取理论分析与试验研究相结合的研究方案：-7- 第1章绪论（1）通过全尺寸自掩埋PDC钻头台架试验，研究自掩埋PDC钻头在干式钻井过程中，PDC复合片的变化规律与损伤类型，讨论自掩埋PDC钻头的设计可行性。（2）基于切削几何学理论、干摩擦磨损理论，在前人研究的基础上，进一步分析岩样性质、切削参数等对于PDC复合片磨损的影响，并推导相应的理论计算模型。（3）结合温度、载荷、切削速度等对切削参数有直接关系的影响因素，设计单齿磨损试验装置，进行磨损试验。。（4）通过试验数据分析温度、载荷、切削速度与PDC复合片磨损率的影响规律，得出磨损率受各参数变化影响的变化曲线，讨论磨损率变化的现象与原因。-8- 中国石油大学（北京）硕士学位论文第2章自掩埋钻头台架磨损试验2.1自掩埋PDC钻头从传统设计角度来说，PDC钻头冠部工作面有五个基本要素，分别为内锥、冠顶、外锥、肩部和保径，如图2.1所示。图2.1PDC钻头冠部形状要素Fig.2.1Shapeandstructureofthecrown简单来说，现有设计理论认为，内锥起到维持钻头稳定性的作用；冠顶部位最先接触岩石，是破岩过程中受力最大的地方；外锥主要影响钻头的转速和耐磨性；保径部位镶嵌有保径齿，保证井筒直径。适用于自掩埋钻探新技术的PDC钻头，因其无钻井液，内排屑的特殊工作环境，其结构与传统的PDC钻头大不相同。经过长期的研究，现初步定型为8.5英寸直径的特殊结构钻头，如图2.2所示。钻头冠部形状除了传统的内锥外锥型，另外还讨论了球型冠部结构的可行性。钻头体中空，留有岩屑通道，用以配合其它机构将岩屑从中部通道向上输送。-9- 第2章自掩埋钻头台架磨损试验图2.2两种自掩埋PDC钻头Fig.2.2TwokindsofselfburyingPDCbit2.2自掩埋PDC钻头台架试验2.2.1试验目的摩擦学研究的目的是将研究结果正确运用到各种工程零部件上。因此，采用实际运行试验所取得的试验结果是最有说服力的，这也是一种工程零部件使用性能的最终检验方法。同样地，在PDC钻头的设计、使用、研究过程中，从井场获得的第一手数据也是最有说服力的。但是，实际运行试验要取得可靠的研究结果，往往需要大量的统计数据，这使得实际运行试验成为一种周期长，费用高的研究方法。在无法进行实际运行试验的情况下，可以考虑使用不同的试验机进行模拟试验。试验设计得越接近实际工况，得到的数据就越理想，这就要求在试验设计的过程中，尽可能地接近实际工况。台架试验是相对于在实验室内的模拟试验的基础上，更接近于实际使用工况的试验方法。这种试验方法可以控制众多参数，同时易于排除偶然因素。台架试验的试验数据，相对于模拟试验，更加接近于实际使用工况，更能表现出工程零件的摩擦磨损特性。对自掩埋PDC钻头进行全尺寸台架试验，目的是为了在尽可能接近实际工况的情况下，研究自掩埋PDC钻头的摩擦磨损特性，同时检验设计方案的实际效果。-10- 中国石油大学（北京）硕士学位论文2.2.2试验方案在自掩埋PDC钻头的设计完成后，进行全尺寸的钻头台架试验。按照已完成的设计方案，自掩埋PDC钻头为8.5英寸直径的内排屑PDC钻头。依据设计图纸加工完成的钻头体，利用西南石油大学的钻头试验机进行钻井台架试验。如图2.3所示，西南石油大学的钻头试验机是国内少数几个能进行全尺寸钻头试验的试验机。该试验机能够真实模拟钻井的工况，钻杆与岩样夹具都能够旋转，可以模拟多种钻井工况下，钻头与岩石的相对运动形式。试验机安装有转速传感器，钻压传感器等多种器件，可以实时测量各种切削参数。钻杆中空，可以进行钻头水力学试验。钻头试验机采用液压加载系统，能够提供较高的钻压，钻压最高能够达到40kN以上，达到了自掩埋PDC钻头实际使用过程中的钻压环境。图2.3钻头试验机Fig.2.3Drilltestingmachine试验使用不同设计参数的自掩埋PDC钻头进行试验。在试验过程中，自掩埋PDC钻头受到多种外界因素的影响，无法专门研究其中一个或者几个因素对于自掩埋PDC钻头的摩擦磨损特性的影响，因此采用数理统计的方法观察统计各个刀翼上PDC复合片的磨损状况。在每次试验之后，观察不同位置PDC复合片的磨损现状，进行分类研究，得出不同位置PDC复合片的磨损趋势。具体钻头的类型如-11- 第2章自掩埋钻头台架磨损试验表2.1所示。岩样选用武胜砂岩，南充砂岩和灰岩，岩样形状为模型规格（长×宽×高）为320mm×320mm×320mm的正方体岩样。表2.1试验钻头的类型Table2.1Typeoftestdrillbit钻头编号钻头类型1外螺旋短刀翼大口小螺距2外螺旋长刀翼小口大螺距3内螺旋短刀翼大口4外螺旋短刀翼大口大螺距5外螺旋长刀翼大口小螺距6球头小口7球头大口8外螺旋短刀翼大口小螺距9外螺旋短刀翼大口大螺距经过对试验参数的选择，得到了自掩埋PDC钻头的试验方案，试验过程中无钻井液，全程为干切削工况，试验参数如表2.2：表2.2自掩埋PDC钻头台架试验参数Table2.2ThetestparametersofselfburiedPDCdrillrig材料自掩埋PDC钻头岩样武胜砂岩，灰岩，南充砂岩转速(r/min)10-50载荷(kN)10-20试验时间(min)0-30介质空气润滑条件干摩擦自掩埋PDC钻头的台架试验过程如图2.4所示，将加工完成的自掩埋PDC钻头以及试验用岩样安装在钻头试验机上，检查各锁止机构状况，之后加载钻压进-12- 中国石油大学（北京）硕士学位论文行钻进。试验结束后，将钻头提起进行观察，注意记录钻头在试验之后的各种变化，对观察到的各种PDC复合片的表面形貌进行统计与记录，记录表面形貌变化的类型，发生位置，并进行记录。图2.4自掩埋钻头台架试验Fig.2.4Benchtestofselfburyingbit2.3试验数据分析在自掩埋PDC钻头台架试验过程中，通过试验台架的控制软件采集钻进的载荷、扭矩、转速等参数，通过秒表记录试验时间，试验结束后对自掩埋PDC钻头进行清理，观察各部位磨损状况。试验共进行23组，获得了大量的试验数据，如表2.3所示：-13- 第2章自掩埋钻头台架磨损试验表2.3自掩埋PDC钻头台架试验数据Table2.3TheselfburyingPDCbitbenchtestdata钻压转速时间试验编号钻头编号岩样有无井底(kN)(r/min)(s)11武胜砂岩无103830021武胜砂岩有103830031武胜砂岩有103816541武胜砂岩有103821151武胜砂岩有103839562武胜砂岩有103825772武胜砂岩有103813582武胜砂岩有103820793武胜砂岩无1038311103武胜砂岩有1038209114武胜砂岩有1038232124武胜砂岩有1038226135武胜砂岩无1038618145武胜砂岩有1038273156武胜砂岩无1038328166武胜砂岩有1038101177武胜砂岩有1038108188灰岩无1538447198灰岩有153898209灰岩有1538340219灰岩有1538198229南充砂岩无1038467239南充砂岩有1038438经过试验之后，PDC复合片出现了多种多样的宏观形貌变化，如图2.5所示。-14- 中国石油大学（北京）硕士学位论文(a)(b)（a）PDC复合片的崩齿（b）PDC复合片的磨损图2.5PDC复合片的磨损Fig.2.5ThewearofPDCcutter从图2.5中可以看出，自掩埋PDC钻头在钻进试验中，出现了两种典型的PDC复合片损坏类型，即崩齿和磨损。PDC复合片的崩齿的形貌为表面PCD层的脱落，试验钻头上发生的崩齿现象呈现出脱落层厚度较薄，但是面积较大的特点，并未出现其他钻井工况中，切削齿PCD层以及硬质合金层大量脱落的现象；PCD层脱落后出现的表面形貌较为粗糙，凹凸不平，表明按照自掩埋PDC钻头的实际工况设计的钻井参数，不足以导致整颗PDC复合片的破坏。图中PDC复合片的崩齿发生在经过砂轮打磨后的切削刃位置，这表明，经过打磨后的PDC复合片切削刃角度为直角，相对于成品PDC复合片预制的倒角，更容易发生应力集中现象或者过量冲击载荷积聚的现象，进而发生崩齿。PDC复合片的磨损发生位置为PDC复合片与岩样接触并进行切削的位置，磨损面平整且光滑，无肉眼可见的裂纹，磨损位置处于PCD层，说明该处PDC复合片的磨损类型属于正常的磨损类型。在自掩埋PDC钻头的钻进试验中，还存在着其它类型的PDC复合片表面形貌发生变化的情况，如图2.6所示。-15- 第2章自掩埋钻头台架磨损试验图2.6PDC复合片的形貌变化Fig.2.6TheMorphologychangeofPDCcutter图2.6中所示PDC复合片的形貌变化，为烧灼外貌的灰褐色附着物，使用扁口工具螺丝刀可以在表层留下划痕。形貌变化发生的位置多变，内锥，锥顶，外锥均有发现。分析认为，由图2.4所示试验过程可以看出，在自掩埋PDC钻头钻进试验的过程中，岩屑大量堆积在钻头刀翼附近，又由于不存在钻井液的冷却效果，PDC复合片和岩样的接触部位积聚了大量的热量无法散出，导致局部温度的升高。由于岩样是多种复杂成分的混合体，在局部高温高压的作用下，岩样中含有的某些成分粘附在PDC复合片的表面，形成附着层。至于在这一过程中是否存在着化学反应，还需要将PDC复合片取下后，进行化学成分分析。在试验过程中，发现PDC复合片表面附着有灰褐色灼烧状附着物的现象集中出现在少数几次试验之中，其余大部分试验均未出现表面有附着物的现象，也表明了该现象的产生，与岩样的成分有密切关系。-16- 中国石油大学（北京）硕士学位论文在统计了各次试验之后，自掩埋PDC钻头上PDC复合片发生表面形貌变化的类型以及位置，获得PDC复合片磨损试验数据如表2.4所示。表2.4PDC复合片表面形貌变化分布数据Table2.4TheSurfacemorphologychangedistributiondataofPDCcompositesheet位置内锥冠顶外锥形貌变化类型崩齿020磨损020烧灼2194对自掩埋PDC钻头的磨损数据进行分析，得到了不同PDC复合片表面形貌变化类型的数量规律，如图2.7所示：图2.7PDC复合片表面形貌变化分布规律Fig.2.7TheDistributionofsurfacemorphologyofPDCcompositesheets-17- 第2章自掩埋钻头台架磨损试验从图2.7中可以看出，自掩埋PDC钻头在台架试验过程中，PDC复合片的主要表面形貌类型为表面有烧灼状灰褐色附着物，共有25处PDC复合片出现该形貌变化。崩齿和磨损的现象各出现两处，远远少于表面灼烧状灰褐色附着物现象出现的数量。崩齿和磨损现象发生的位置均出现在冠顶位置，同样的，灼烧状灰褐色附着物出现规律也以冠顶为主，达到19处，而内锥和外锥分别为2处和4处，远少于发生在冠顶的数量。在试验过程中，PDC复合片的表面灰褐色附着物现象发生在少数几次试验中，这表明PDC复合片表面灰褐色附着物现象的发生不具有普遍性。发生表面有灰褐色附着物现象的PDC复合片数量远高于发生崩齿以及疲劳磨损现象的PDC复合片的数量。试验结果表明，现有的自掩埋PDC钻头设计方案，具有较好的摩擦磨损性能，磨损现象不明显，同时形式较为单一；机械损坏形式同样较为单一，只有表面PCD层脱落一种现象，未发生整颗切削齿的脱落等现象；在试验工况下，能够进行长时间的干切削钻进。2.4本章小结本章通过自掩埋PDC钻头试验台架研究，分析了自掩埋PDC钻头主要的几种PDC复合片表面形貌变化类型，研究了各表面形貌变化类型的分布规律以及出现频次，得出自掩埋PDC钻头的切削齿主要表面形貌变化类型为表面附着物。崩齿现象和磨损现象出现频次较低，且出现位置集中在冠顶部位。试验表明现有的自掩埋PDC钻头具有良好的摩擦磨损特性，达到了预期设计要求。-18- 中国石油大学（北京）硕士学位论文第3章PDC复合片磨损理论研究3.1引言在前文所述自掩埋PDC钻头的台架试验中，观察到PDC复合片发生了多种多样的表面形貌变化。这些形貌上的变化对于PDC钻头的性能有何影响，影响PDC复合片表面形貌变化的因素有哪些，依据现有理论能否对这些现象进行解释，这都关系到自掩埋PDC钻头下一步的设计与优化。从钻井的本质上来说，自掩埋PDC钻头钻井的过程，就是钻头与地层岩石相互作用的过程。在钻头的各个结构中，钻头胎体只是起到固定、支撑切削齿的作用，在合理的钻头设计下，不会与未破碎的岩石进行接触，绝大部分时间都是与切屑进行接触。一般情况下，对于切削齿磨损到一定程度的钻头，即认定为失效钻头，而此时，钻头胎体往往是完好无损的，因此，钻头胎体的磨损速度一般来讲不在钻头磨损行为的讨论范围之内。PDC复合片的磨损，简单来说，就是钻头上镶嵌的PDC复合片在外加载荷的作用下，不断破碎着岩石，同时岩石也不断地对PDC复合片进行着磨损。PDC复合片的磨损速度有快有慢，其自身的材料学性能、岩石性质、钻头的结构参数、钻进时选取的钻井参数等因素都对PDC复合片[42]的磨损速度有着重要的影响。根据现有的钻井理论分析，自掩埋PDC钻头的台架试验中，崩齿现象的发生主要是由于PDC复合片受到大量冲击载荷的影响，导致表面聚晶金刚石层的脱落。这一现象并非传统意义上的磨损现象。PDC复合片表面烧灼状的灰褐色附着物现象，经过分析认为与切削过程中高温高压下的的物理、化学现象有关。因此，本章将主要分析用于PDC钻头的PDC复合片的磨损机理，以及各相关因素对复合片磨损速度的影响，并在理论模型上加以讨论，崩齿现象以及表面烧灼状灰褐色附着物的现象暂不属于本次讨论的范围。3.2PDC复合片的磨损机理[43]材料磨损是伴随着摩擦而产生的必然结果，这是一种不可避免的现象。PDC复合片是一种具有其独特的材料学特点的新型材料。在PDC复合片制造过程中，选定的粘接剂的类型、聚晶金刚石的粒度、粘接剂和聚晶金刚石的比例，都是决定PDC复合片磨损机理的内在原因。PDC复合片在钻井过程中，受到的各种各样-19- 第3章PDC复合片磨损理论研究的机械载荷以及PDC复合片和岩石之间相互的摩擦磨损行为是决定PDC复合片磨损方式的外在原因。图3.1PDC复合片结构Fig.3.1PDCstructure如图3.1所示，PDC复合片由聚晶金刚石层（PCD）和碳化钨硬质合金基体两部分组成，虽然其材料性能都是相似的，具有既硬且脆的特点，但是在切削破碎岩石的过程中，二者的磨损机理并不相同。同时，由于钻头的工作环境的不同，钻进地层的岩石性质的不同，也使得PDC复合片所产生的磨损的类型有所不同。3.2.1聚晶金刚石层(PCD)磨损机理聚晶金刚石层是由聚晶金刚石颗粒和粘结剂经过高温高压烧结而成，在钻井的过程中，金刚石颗粒的硬度要超过所有的可能遇到的磨蚀性颗粒，而聚晶层的金属烧结物，除了在极端高温的环境下会对磨损性能产生影响，在一般的工况下对磨损性能起不到明显的影响。[5-6]Glowka等人总结了聚晶金刚石层的磨损机理大致为以下4类：（1）残余应力引起的磨损。PDC复合片中的聚晶金刚石层，是在高温高压之下烧结而成的，由于其烧结材料中的聚晶金刚石和粘结剂等原材料具有各不相同的热膨胀系数，存在着一定差异，因此，聚晶金刚石层在从高温冷却到常温之后，-20- 中国石油大学（北京）硕士学位论文内部产生了一定的残余应力。聚晶金刚石层的烧结过程中，存在着金刚石表面石墨化、金刚石溶解、析出、聚晶形成与长大等过程，对烧结工艺要求较高。假若在烧结过程中工艺设计不当，将会在更大程度上加大其内部的残余应力。此外，在钻进过程中，作用于PDC复合片的各部位的载荷不同，由于聚晶金刚石层的金刚石和粘接剂的弹性模量不同，也会使聚晶金刚石层内部残余应力增大。当聚晶金刚石层内部残余应力大于分子或晶体之间的结合力时，其内部材料之间就会出现裂纹并碎散，严重削弱了其抗冲击能力。（2）机械载荷引起的磨损。在PDC复合片工作时，如果遇到较大的冲击力的作用，或者受到的拉伸应力增大时，金刚石层会由于整体破碎而失效。和众多的硬而脆的材料一样，烧结完成的PCD层的各处都有可能存在着微小裂纹，在不断变化的循环应力下有可能扩大。又由于PCD层内部金刚石晶粒之间的粘结强度比金刚石单品的强度大，因此除非存在粘结缺陷，很少在晶粒边界处产生裂纹，裂纹往往是穿过晶体而发展。裂缝只是为了适应金刚石单品已经发生裂缝的平面而局部地改变方向，一般都是按照不稳定方式沿直线扩展。（3）热物理原因引起的磨损。由于聚晶金刚石层是由聚晶金刚石颗粒和粘结剂混合后烧结而成，两种不同的材料的热膨胀系数难以达到相同，因此，PCD层对于温度变化具有一定的敏感性。在实际钻井过程中，由于摩擦功的存在，PDC复合片所做的功有一部分转化为热量，使得PDC复合片的温度不断升高。当温度升高到一定程度的时候，由于PDC复合片中各成分的热膨胀系数不同，由此而产生的内应力超过了各种物质之间的结合力，从而使PDC复合片内产生裂纹或使金刚石颗粒剥落。（4）热化学原因引起的磨损。作为碳元素的同素异形体，在温度较高的情况下，金刚石会转化为石墨。在氧元素存在的环境下，这一温度将会下降到850℃。同时，在较高温度下，PDC复合片也会与地层岩石中的不同成分发生化学反应，这也有可能影响到整个PDC复合片的性能。3.2.2碳化钨硬质合金磨损机理碳化钨硬质合金基体，主要起到支撑，固定聚晶金刚石层的作用。在钻头的设计中，由于设计参数的不同，有的PDC复合片在切削岩石过程中，同样存在着碳化钨硬质合金基体与岩石进行摩擦接触的状况。就机械载荷对PDC复合片磨损的影响来说，碳化钨硬质合金基体和聚晶金刚石层是类似的。但是碳化钨硬质合-21- 第3章PDC复合片磨损理论研究金的磨损机理又与聚晶金刚石层存在差别，这主要是与两者的材料上的性质的差[43]别有关。在碳化钨硬质合金的使用过程中，结构过载与疲劳是影响着其使用寿命的一个重要因素。结构过载与疲劳，是指整块材料由于所受到的应力变化所导致的宏观失效与损耗。常规来说，对一定体积的材料在一定的应力增大情况下，体积越大，遭遇与产生裂缝的可能性就越大。当经受应力集中时，材料中的空隙与缺陷是产生裂缝的发源地。在碳化钨硬质合金基体中，这种空隙与缺陷可能是烧结过程中不完全浓缩所形成的内在孔隙，也可能是在使用过程中经受应力而形成的。在PDC钻头切削岩石时，由于PDC复合片与岩石的相互作用产生了机械荷载，这种载荷诱发了切削结构中的高压缩应力。在高压缩应力和温度升高的情况下，碳化钨和钴晶粒会滑移，进而产生了塑性变形，在滑移过程中产生了微观的空隙和裂缝。而当碳化钨硬质合金卸载后，在卸载前产生的压缩性塑性变形，导致残余拉伸应力的发展，同样又产生，或者加剧了裂缝的发展。这种裂缝随着机械载荷的持续增加而不断延伸扩展，最终产生宏观上的裂纹，甚至脱落。在PDC钻头钻进的过程中，不断地对PDC复合片加载与卸载，由此可见，这种疲劳是出现初始缺陷的根源，也是裂缝稳定发展的原因。由于适当的烧结工艺技术能够有效地消除空隙与缺陷的形成，而实际使用过程中，工况的变化所产生的裂缝具有其特殊性，这里我们对使用中发展的裂缝不再作过多的讨论3.2.3PDC复合片磨损类型对于PDC复合片的磨损类型，不同的研究人员基于自己研究的重点对其有着[44]不同的分类。基于现代摩擦学的角度有以下几种常规的分类方式：（1）疲劳磨损一般来说，对于相互接触着的，发生滚动摩擦或者滑动摩擦的材料表面，材料表面的疲劳磨损是不可避免的。这一磨损主要是受到PDC复合片受到的宏观应力场，PDC复合片和岩石表面形貌以及其材料学性能的影响。在PDC复合片切削岩石的过程中，当不断变化的应力场达到PDC复合片表面材料的极限时，发生材料的脱落。（2）磨粒磨损-22- 中国石油大学（北京）硕士学位论文在外界硬颗粒或者相互接触的摩擦副表面上的微小的粗糙峰在摩擦过程中，引起的表面材料的脱落，称为磨粒磨损。PDC复合片切削岩石是一个极其复杂的过程。岩石中存在着多种复杂成分，复杂微观结构。自掩埋PDC钻头的结构特点，又决定着在PDC复合片的周围存在着大量的岩屑，包括PDC复合片自身脱落的微小细屑。这些岩屑，细屑以及岩石的结构，表面都存在着多种多样的微小粗糙峰。它们有的比PDC复合片的硬度低，有的接近甚至超过PDC复合片的硬度。当PDC复合片和岩石表面的粗糙峰在接触过程中，受到的应力超过其极限值之后，粗糙峰就会发生变形或者脱落，继而留下裂缝。在PDC复合片和岩石不断的相互运动过程中，这一粗糙峰脱落的现象不断发生，进而材料也不断发生着脱落，进而影响着材料的表面的形貌。表面形貌的变化又进一步推动着粗糙峰脱落现象的发生。这一流程循环发生，就产生了磨粒磨损（3）黏着磨损当摩擦表面发生相对运动时，存在着黏着效应。在这一效应的作用下，材料表面接触点位置的材料在发生剪切变形后，被剪切的材料有的发生脱落，有的转移到其它材料表面，这就是黏着磨损。PDC复合片切削岩石的过程中，承受着巨大的载荷，使得在相互接触的粗糙峰位置，极易产生瞬间的高温，在高温高压的作用下，接触点很容易产生黏着效应，材料黏着后，又在巨大载荷的作用下发生脱落或者迁移。3.3温度对PDC复合片性能的影响在材料工作的过程中，温度是一个影响重大的，不可忽视的因素。在自掩埋PDC钻头台架试验中，PDC复合片表面存在的灰褐色烧灼状附着物也揭示了在自掩埋钻头工作的过程中，温度会对钻头切削齿造成影响。有文献指出温度对材料[45]的摩擦学性能的影响大体分为以下几个方面：（1）表面及次表层组织结构变化；（2）材料机械性能变化；（3）摩擦化学变化；（4）扩散和粘附现象的增加。由于自掩埋钻探用PDC钻头特殊的设计要求，钻头在无钻井液的工作环境下工作，无法得到良好的散热，因此，PDC钻头在工作时，温度将高于普通工作环-23- 第3章PDC复合片磨损理论研究境下的PDC钻头。这就要求我们在研究PDC钻头的磨损特性的时候，引入温度对于PDC复合片磨损特性的影响。3.4PDC复合片磨损模型随着科学技术的进步，摩擦学相关理论也在不断进步完善中，材料的干摩擦工况下的接触理论揭示，两个相互接触的表面，在材料表面粗糙度的影响下，并不是完全贴紧的面接触。在材料表面存在着高度不同的粗糙峰，而材料的接触，实际上是发生在这些粗糙峰上的点接触，如图3.2所示。图3.2固体接触状态Fig.3.2Solidcontactstate在这里定义两种接触面积，即实际上发生接触的粗糙峰位置的接触点的面积称为实际接触面积A，将宏观角度上两个表面相互接触的面积称为名义接触面积rA。从图中可以看出，在两个表面接触的过程中，A仅占到A的一部分，二者是ara并不相等的。从摩擦力的产生机理来说，摩擦力的产生一方面由于粗糙峰在载荷作用下，在相对滑动时产生剪切作用；另一方面，材料表面还存在着粗糙峰之间相互的黏着，咬合等现象。现在假设材料在摩擦的过程中，剪切作用与黏着作用-24- 中国石油大学（北京）硕士学位论文相互独立的，并且二者可以叠加，则材料摩擦时的总摩擦力f可以表示为黏着摩[43,46]擦力f与机械摩擦力f之和：adfff(3.1)ad如果用摩擦系数来表示这一关系，则为：(3.2)ad[43]根据材料的干摩擦理论，干摩擦时的黏着摩擦力可以表示为：fA(3.3)ara式中：是指在干摩擦状态下被剪切的材料的剪切强度极限，在这里，可以认aa定为是岩石的剪切强度极限。A为相互接触的材料之间的实际接触面积。r干摩擦的黏着摩擦系数分量可以表达为：Araa(3.4)aPp式中：p为实际的压力分布密度，P为载荷。因此，由黏着作用而产生的摩擦力可以表示为：af(3.5)as式中：是干摩擦状态下材料的受压屈服极限，同样的，在这里认定为岩石的受s压屈服极限。在摩擦的过程中，材料表面的粗糙峰压入较软的材料的表面，如果粗糙峰的硬度超过较软的表面的剪切强度，就会产生犁沟。摩擦副表面的粗糙峰形状各异，现有的理论大都近似为锥体，球形，矩形等形状。在此，我们选取球形粗糙峰峰顶形状来讨论影响摩擦力的机械分量f的因素。d在两种材料相互接触的过程中，粗糙峰峰顶与接触表面之间的几何关系如图[46]3.3所示。-25- 第3章PDC复合片磨损理论研究图3.3球状微凸体与表面接触关系Fig.3.3Thesphericalsurfacecontactrelationshipwithasperity接触过程中，粗糙峰承受载荷的面积可以用接触面的水平投影A来表示：l12Ar(3.6)l02同样地，在接触过程中，承受犁削力的面积可以用接触面的垂直投影A表示：p22r0sin22Artan(3.7)p0在此，我们假设相互接触的材料屈服极限p是各向同性的，则有：fpA(3.8)dpPpA(3.9)l因此，根据上式可得：-26- 中国石油大学（北京）硕士学位论文FAp4r0(3.10)dPAR3l0式中：F为切向力，P为载荷。由上述公式可以看出，与rR/成正比，表示粗糙峰压入接触材料的表面越d00深，则摩擦系数越大。基于上述理论分析的基础，得到了讨论PDC复合片磨损理论方程的前提要求，即PDC复合片的工作条件相对稳定，没有发生崩齿，脱落等机械损坏，PDC复合片一直保持正常而又稳定的磨损状态，磨损现象全部发生在聚晶金刚石层位置。根据钻头实际工作过程中，PDC复合片运动轨迹为圆周运动的几何学特征，引入摩擦功的的概念，对PDC复合片磨损速度的理论方程进行推导。在此，首先总结出几条假设：（1）PDC复合片的磨损量很小，磨损全部发生在PDC复合片的聚晶金刚石层上，不考虑自锐作用下硬质合金基体的磨损。（2）在PDC复合片工作过程中，摩擦力做的功的一部分转化为PDC复合片的磨损，在此引入摩擦功转化系数，表征摩擦力做的功导致的PDC复合片磨损的强度。根据假设（2），摩擦功的分量导致了PDC复合片的磨损，复合片的正常磨损主要是摩擦功产生：VW(3.11)式中：V为PDC复合片磨损掉的体积，为摩擦功转化系数，表示PDC复合片磨损的强度，W为摩擦力所做的功。图3.4PDC复合片的运动过程Fig.3.4ThemotionprocessofPDC-27- 第3章PDC复合片磨损理论研究如图3.4所示，PDC复合片在切削过程中，在微分长度dl上，PDC复合片受到的摩擦力为：dfpdl(3.12)式中：为PDC复合片和岩石间的摩擦系数，dl为PDC复合片与岩石接触的微分长度，p为PDC复合片的载荷密度，考虑到PDC复合片的弧形边缘与岩石进行接触，在此定义载荷密度为压力和弧长的比值。PDC复合片在切削过程中，转过微分角度d时，走过的微分路程为：rdsd(3.13)180根据式(3.12)和(3.13)，可以得到，在切削过程中，摩擦力所做的微分功为：prdwdfdsdld(3.14)180式中：r为摩擦部分至钻头中心的距离，即PDC复合片的偏心距。如果PDC复合片转动切削一周，则PDC复合片所做的功为：prla360Wdld(3.15)180l0式中：a为PDC复合片经过一周的切削之后，PDC复合片与岩石的接触弧长的增加量，与切削参数和材料性质有关。计算化简得：W2pra(3.16)假设钻头转速为N，总的工作时间为t，则摩擦功为：W2praNt(3.17)则PDC复合片磨损掉的体积为：VW2praNt(3.18)由式(3.4)和(3.10)可得，PDC复合片在切削过程中与岩石间的摩擦系数为：Fac(3.19)adpP式中：F为PDC复合片的切向力，P为PDC复合片的载荷。c-28- 中国石油大学（北京）硕士学位论文整理得：lFac(3.20)adpl代入式(3.18)得：2()lFraNtacVW(3.21)l则磨损率v为：V2()lFraNacv(3.22)tl式中：为反映PDC复合片磨损强度的物理量；a为PDC复合片切削一周后，接触弧长的增加量；r为摩擦部分至钻头中心的距离，即PDC复合片的偏心距；为a岩石的剪切强度极限；l为PDC复合片切削岩石产生的弧长；F为PDC复合片在c切削岩石过程中的切向力，与PDC复合片受到的钻压，PDC复合片的空间设计参数有关。由于a和均与材料性质，切削参数等有关，可将方程(3.22)简化为：V2A(lFrN)facv(3.23)tl式中：A为PDC复合片磨损性能系数，与切削参数，材料的性能有关。f上述推论是基于材料在任何温度之下性能都是相对稳定的假设所建立的，但是客观上，随着温度的增高，材料的性能往往出现硬度下降，屈服强度降低等各种变化，这就导致粗糙峰之间接触所产生的摩擦力的变化。另一方面，在载荷不变的情况下，材料性能的下降引起了微观上接触的粗糙峰的数量上的增加，导致接触的材料之间实际接触面积发生增大。[47]有文献指出，摩擦力的机械分量与材料硬度之间是反比例的关系，即：11/2f()(3.24)dH式中：H表示材料的硬度，为系数。而硬度的变化可以表示为：HHexp(T)(3.25)0-29- 第3章PDC复合片磨损理论研究式中：H为材料的硬度，H为材料在273K时的硬度，T为热力学温度，为与0材料有关的系数。由公式可见，PDC材料的摩擦系数与温度的关系比较复杂，受到众多因素的影响。在PDC材料摩擦的过程中，当黏着磨损占主要作用时，PDC材料的摩擦系数呈现出随温度升高而升高的趋势，而当磨粒磨损起主要作用时，摩擦系数呈现随温度升高而下降的趋势。因此，温度对摩擦系数的影响呈现出多种的趋势。这也就意味着，上述的理论计算同样具有其局限性，不能解释所有工况下，材料摩擦磨损的变化规律。[48]具体到PDC复合片切削岩石的工况下，F.C.Appl等指出，讨论PDC复合片在干式切削下的磨损规律，可以引入关于温度的函数，用来表征温度对于PDC复合片在切削过程中磨损的影响。其表达式为：dVFdNnCdfT(3.26)dVArp式中：V为PDC复合片磨损掉的体积，V为岩石磨损掉的体积，C为系数，FdrdNn为载荷，A为PDC复合片切削面的投影，fT为关于温度的函数，由试验获得p的数据拟合而出。基于同样的思想，考虑在公式(3.23)中引入关于温度的函数，来表征温度对于PDC复合片切削过程中的影响，则修改后的磨损模型公式为：V2Af(alFrNfTc)v(3.27)tl式中：A为反映PDC复合片磨损强度的物理量；r为摩擦部分至钻头中心的距离，f即PDC复合片的偏心距；为岩石的剪切强度极限；l为PDC复合片切削岩石产a生的弧长；F为PDC复合片在切削岩石过程中的切向力，与PDC复合片受到的c钻压，PDC复合片的空间设计参数有关；N为PDC复合片的转速；fT为温度函数，由试验数据拟合得到。-30- 中国石油大学（北京）硕士学位论文3.5本章小结本章讨论了在自掩埋PDC钻头台架试验中出现的磨损现象，以切削几何学理论、高温摩擦磨损理论，讨论了PDC复合片的摩擦磨损过程中，各种因素对于PDC复合片磨损的影响，并推导了相关计算公式，为后期试验研究进行了铺垫。-31- 第4章单齿磨损试验设计第4章单齿磨损试验设计在深入分析了切削温度参数、钻压、切削线速度等参数对PDC复合片磨损速度的影响的基础上，根据PDC复合片磨损试验研究的机理和实际工况要求，设计了单齿干式切削磨损试验，并使用试验装置进行了磨损试验。4.1试验目的磨损试验的目的，是为了对工程应用过程中，出现的磨损现象进行模拟，进而精确分析各种条件对于材料的磨损性能的影响，优化各个参数。因此，试验设计过程中，应尽可能地使试验工况接近于实际工况。试样制备加工中心孔试样清洗试样购买(电火花打孔机)(超声波清洗机)试验方法温度试样装夹岩石破碎试验参数钻压试验机设备控制转速结果检测磨损率电子天平温度温度记录仪图4.1PDC复合片单齿磨损试验的技术路线Fig.4.1TechnicalrouteofweartestofsinglePDCcutter-32- 中国石油大学（北京）硕士学位论文PDC复合片的磨损特性试验的技术路线如图4.1所示，其中包含了试样制备，试验方法，结果检测三部分。试验选用郑州新亚复合超硬材料有限公司生产的直径16mm、高度13.2mm的PDC复合片，通过磨损试验，研究载荷，温度，切削线速度对其摩擦磨损性能的影响。4.2试验仪器试验仪器是试验的重要组成部分。PDC复合片单齿干式切削磨损试验仪器主要包括试验台架、温度采集系统、夹持与调节装置等组件，如图4.2所示。1342（1）配电箱（2）控制柜（3）试验台架（4）数据采集系统图4.2试验仪器Fig.4.2Thetestinstrument4.2.1试验台架试验台架采用山东中石大石仪科技有限公司设计的岩石破碎机理及抗钻特性评价试验装置，如图4.3所示。该试验台架主要由动力系统、进给系统、供水系统、数据采集系统、配电柜及主架组成。其中，动力系统由电机、减速皮带轮、调频器等组成，可提供30-800r/min的动力输出。进给系统包括液压泵站、油缸等，可提供最大钻压3000kg，最大进给行程550mm。数据采集系统由数据采集卡、模数-33- 第4章单齿磨损试验设计转换器、压力传感器、位移传感器、速度传感器及扭矩传感器组成，可采集钻压、进尺位移、转速、扭矩等参数。供水系统则为试验钻头提供冲洗泥浆或冷却液。配电柜则由液压泵控制系统与电机控制系统构成。主架是整个试验架的支撑部分，包括支撑架、轴承动力头、岩心夹持器、冲洗液收集体等。23111114（1）主架（2）进给系统（3）动力系统（4）供水系统图4.3试验台架Fig.4.3Theexperimentalbench4.2.2试样夹持装置在进行试验设计的时候，选定本试验所研究的参数为PDC复合片的载荷即（PDC复合片承受的钻压）、温度、转速。从实际工况等方面考虑，由于PDC复合片在钻头上空间位置各不相同，因此所设计的夹持与调节装置要使得PDC复合片径向位置可调，且调节范围达到50mm左右。考虑到PDC复合片以及PDC复合片夹持装置上需要连接传感器，因此需要对试验台架进行改造，设计岩样夹持装置，安装在钻杆上，在保证PDC复合片和岩样的相对运动符合实际钻井工况的情况下，使PDC复合片静止，岩样转动。根据以上试验要求设计了岩样夹持装置与PDC复合片夹持装置。（1）岩样夹持装置根据试验台架的尺寸以及负载能力等因素，选定立方体型石块作为岩样，设计其长宽高分别为200mm×200mm×100mm。从拆装方便的角度考虑设计了如图-34- 中国石油大学（北京）硕士学位论文4.4所示的岩样夹持装置。在岩样夹持装置四个边框上分别设计有一个螺纹孔，以用作固定岩样，调节岩样位置。在背面设计有螺纹连接孔，通过螺纹轴与试验台架的钻杆进行连接。图4.4岩样夹持装置Fig.4.4Therockclampingdevice（2）PDC复合片夹持装置图4.5PDC复合片夹持装置和后倾块Fig.4.5ThePDCclampingdeviceandbackwardblocks-35- 第4章单齿磨损试验设计PDC复合片夹持装置主要由圆筒盘、径向调节块、销钉、夹子、后倾块、压齿块及螺钉等组件构成，如图4.5所示。该调节装置可实现径向位置的无级调节，便于随时调整PDC复合片的径向位置。其中，由于需要配合热电偶的使用，后倾块上设计有螺纹通孔，以配合热电偶的使用。后倾块设计PDC复合片的后倾角为15°，使用压片对PDC复合片进行固定。4.2.3温度采集系统由于PDC复合片在磨损试验中切削岩样，不断深入到岩样的内部，同时磨损试验的工况为干摩擦，无冷却液的存在，切削产生的岩屑无法及时清理，因此，PDC复合片与岩样的接触区周围很容易被岩屑覆盖，工作环境恶劣。同时，试验要求温度采集系统能够实时测量PDC复合片的温度，且能够测量较高的温度；在恶劣的环境下具有稳定的工作能力。试验台架结构紧凑，横梁之间间距较小，难以容纳大型温度检测设备。这就要求温度测量设备具有响应快、体积小、稳定性高等优点。在比较了常用的温度测量方式的优缺点以及适用范围之后，选择了人[49-52]工热电偶测温配合温度记录仪记录温度的温度采集方式。表4.1几种温度测量方法主要特点比较Table.4.1ThemainfeaturesofseveraltemperaturemeasuringmethodComparison测量设备测量瞬测量平温度测点位测量结能否适用方法对切削齿时温度均温度置果精度本次试验温度影响自然热电偶否是无表面低否人工热电偶是否有内部较低是薄膜热电偶是否影响小表面或内部高否等效热电偶否是无表面低否红外热像仪是否无表面较高否红外感光照相是否无表面较高否红外辐射高温计是否无表面较高否热敏涂料否是是内部很低否金相学法否是否表面或内部低否热氧化法否是无表面低否-36- 中国石油大学（北京）硕士学位论文为了尽可能准确地测量到接触区的温度，需要使热电偶的探头尽可能地接近PDC复合片与岩样的接触区，这也是磨损现象发生的区域。在分析了PDC复合片的结构特征以及材料特征后，决定在PDC复合片的碳化钨硬质合金基体端加工圆形小孔，以达到尽可能地使热电偶探头贴近聚晶金刚石层背面的目的。在试验设计的过程中，考虑到PDC复合片磨损掉的体积形状是不规则的，难以准确地测量具体失去的体积，因此试验设计采用失重法测量PDC复合片磨损掉的质量，再经过计算处理后，用以表征磨损量。失重法的测量形式对热电偶的固定方式提出要求：常规的高温胶水粘结的方式由于难以彻底祛除高温胶水，极易影响磨损质量的测量准确度而无法被采用；贴片粘结由于粘结强度无法保证能够适应试验中剧烈的震动，并且粘结点很难接近接触区而无法被采用。在对比了贴片粘结、高温胶水粘结、机械结构连接等连接方式之后，选定机械结构连接方式。在PDC复合片夹具背面加工出螺纹孔，配合热电偶的M8紧固螺丝进行固定。热电偶选取了上仪集团上海仪表厂生产的WZP-176订制型端面热电偶，探头直径3mm，长15mm，引线长度2000mm，引线外部覆有有金属耐磨保护层。热电偶类型为K型热电偶，温度测量范围为-270℃--1372℃，结构如图4.6。图4.6端面热电偶Fig.4.6Endsurfacethermocouple将所有温度采集系统的组件安装完成后，热电偶采用螺纹连接与PDC复合片后倾块连接，热电偶上的弹簧处于压缩状态，从而给热电偶探头持续提供预紧力，确保热电偶探头与探头前端的温度测量点时刻处于接触状态，保证了温度测量的-37- 第4章单齿磨损试验设计准确性。温度记录仪采杭州联测自动化技术有限公司生产的SIN-R201D型温度记录仪，能够以每秒一次的采样频率连续记录72小时的数据。安装完成的温度测量装置如图4.7。图4.7温度测量装置Fig.4.7Thetemperaturemeasuringdevice4.3试样制备4.3.1PDC复合片试验选择郑州新亚复合超硬材料有限公司生产的直径16mm、高度13.2mm的PDC复合片。该复合片在耐磨性、耐热性及抗冲击性等各个物理机械性能方面都达到国际先进水平，特别适用于中硬地层、非均质地层及强研磨性地层。在分析了PDC复合片的结构特点以及材料特点后，确定了PDC复合片的加工[53-57]方式以及具体工艺流程。采用电火花打孔机在PDC复合片圆心位置加工直径为3mm的小孔。试验选用的PDC复合片的碳化钨硬质合金基体是导电的，而聚晶金刚石层不导电，因此在加工的过程中，可以确保在电火花打孔机加工至无法进给的位置时，即为穿透了碳化钨硬质合金基体，到达聚晶金刚石层与碳化钨硬质合金基体的连接界面。对PDC复合片进行孔加工之后，使用超声波清洗机清洗30min，烘干之后称重，备用。加工完成后的PDC复合片如图4.8。-38- 中国石油大学（北京）硕士学位论文图4.8PDC复合片试样Fig.4.8ThePDCsample4.3.2岩样用于磨损试验的岩样要求具有较高的可钻性等级，硬度等性能，以便在PDC复合片的磨损试验中获得较好的试验效果。本次试验选择的岩样为为山东五莲花花岗岩，其模型规格（长×宽×高）为200mm×200mm×100mm，岩样加工完成后对岩样进行检查，保证岩样能够平整地安装在岩石夹持装置上，且试验表面光滑。对岩样进行岩石可钻性试验和压入硬度试验之后，计算获得岩样的压入硬度和可钻性等级，岩样的性能参数如表4.2：表4.2岩样的性能参数Table.4.2Theperformanceparametersofrocksample项目数值3密度(g/cm)2.52压入硬度(kg/mm)105可钻性等级Ⅷ经过加工处理完成的岩样如图4.9所示：-39- 第4章单齿磨损试验设计图4.9岩样Fig.4.9Rocksamples4.4试验方案考虑到自掩埋PDC钻头在井下的实际工况，钻压、转速、PDC复合片温度是影响PDC复合片磨损的主要影响因素。因此本文根据岩石破碎机理及抗钻特性评价试验装置的性能参数确定试验参数，进行变钻压、变转速、变温度区间的摩擦磨损试验。（1）转速实际工况中，预设计的自掩埋PDC钻头的转速为50~150rpm，假定钻头匀速运动，钻头自转时，PDC复合片和岩样的相对运动速度为：v2Rn(4.1)式中：R为PDC复合片做相对圆周运动时的半径，n为试验台架的钻杆的转速。（2）温度在试验的初始温度的选择上，由于试验台架间隙较小，难以使用大型的加热装置，在轻便易用的前提下，选择采用酒精喷灯加热的方式对PDC复合片进行加热，将初始温度选定为室温、150℃、250℃。试验所需高温通过酒精喷灯进行加热获得，加热过程通过热电偶连接温度记录仪进行监测。使用该温度测量装置测-40- 中国石油大学（北京）硕士学位论文得的温度的变化具有一定的“滞后性”，不能像速度一样实现精确控制。为了使试验环境尽量精确，将试验中的升温过程分为两个阶段，即首先以酒精喷灯直接加热，在距离目标温度30℃左右时，开始控制酒精喷灯与PDC复合片的相对位置，降低PDC复合片温度上升的速度，进行缓慢加热，逐步地靠近试验温度。如图4.10所示，该方法能够获得较准确的初始温度。图4.10磨损试验升温过程Fig.4.10Weartestheatingprocess（3）载荷考虑到自掩埋PDC钻头在全尺寸台架试验的过程中，施加钻压不超过20kN，同时实验室试验台架的承载能力有限，超过600N的载荷，会引起试验台架的剧烈震动，进而对PDC复合片产生剧烈的冲击载荷，这与试验设计的工况是不相符的。因此，设定使用试验台架加载的载荷为200N、400N、600N三种。经过计算，PDC复合片单齿磨损试验参数选择如表4.3所示：表4.3PDC复合片磨损试验参数-41- 第4章单齿磨损试验设计Table.4.3ThePDCweartestparameters材料PDC复合片温度(℃)0-300切削线速度(m/s)0.5-1.2载荷(N)200-600试验时间(min)30介质空气润滑条件干摩擦图4.11电子天平和超声波清洗机Fig.4.11Electronicbalanceandultrasoniccleaningmachine试验过程中，在每次试验前、后用石油醚超声清洗PDC复合片试样30分钟，并烘干，用电子分析天平(精确度0.1mg)称量三次PDC复合片试样质量，取平均。将使用电子天平测量得到的试样磨损前后失去的质量进行换算，得到磨损试验中，PDC复合片失去的体积，进而计算求得磨损率，电子天平和超声波清洗机如图4.11所示。磨损率的表达式为：VV(4.2)wt3式中：V为磨损量，mm；t为切削时间，s。-42- 中国石油大学（北京）硕士学位论文4.5试验步骤试验操作步骤主要分为以下五步：（1）装夹岩样：将长×宽×高为200mm×200mm×100mm的岩样放入岩石夹持装置；预紧夹持装置四周四个螺钉；调节岩样位置，使得岩样表面水平，拧紧螺钉；将岩样与夹持装置通过螺纹连接杆连接到试验台架的钻杆上。（2）安装PDC复合片夹持与调节装置：将PDC复合片装入后倾块，并将后倾块用螺钉拧紧；将径向调节块装入圆筒盘，调节PDC复合片径向位置与刻度标尺对齐，通过径向调节螺钉固定径向位置，并通过径向固定螺钉顶紧径向调节块；将后倾块装入径向调节块，用游标卡尺测量侧倾调节块方形段下边沿线与径向调节块上边沿线距离，调节达到试验所需高度；转动后倾块到试验所需角度处，用销钉穿过径向调节块孔、夹子孔等装置的通孔，并通过夹子两端的光孔利用螺钉抱死夹子与径向调节块；将安装好的调节装置装夹在试验架进给系统的四爪卡盘上，调节卡盘位置使得调节装置正对动力系统的钻杆。（3）连接测试系统：将PDC复合片夹持装置上安装的热电偶引线接入温度记录仪，等待采样。（4）试验：打开配电柜开关，启动试验台架软件，设定转速，启动钻杆旋转。控制进给系统进给到与岩石接触处，使得PDC复合片缓慢接触切削破碎岩石，避免由于加载过快引起的振动与冲击。待PDC复合片接触切削岩石时，记录此刻温度记录仪上的时间，开始采集温度值；同时记录此时位移传感器数值，点击试验台架软件保存按钮，开始采集扭矩、钻压、位移数据。观察试验数据，待30min后，点击试验台架软件导出按钮，导出数据到excel表格，结束采样；记录此刻温度记录仪上的时间，同样把采集到的温度数据导出到excel表格。关闭电机，钻杆停止转动，等待下一次试验。在需要设定PDC复合片初始温度的试验时，使用酒精喷灯对PDC切削齿进行加热到预设温度。之后再按照前述步骤进行试验。（5）拆卸设备；钻机维护及保养；打扫试验场。考虑到试验过程中由于装置振动、试验仪器误差及试验参数调节不准等客观因素导致试验进程较慢，数据偏差大。为了获得真实可靠的试验数据，试验过程中要反复多次测量，才能达试验要求。-43- 第4章单齿磨损试验设计4.6本章小结本章主要详述了PDC复合片单齿磨损试验过程。根据试验要求，分别针对PDC复合片的钻压、转速、温度区间等各个变量，设计了径向位置可无极调节的试验装置，实时监测PDC复合片磨损过程温度的温度测量系统，介绍了试验所用仪器及试验方案，并根据试验方案，进行了单齿磨损试验。-44- 中国石油大学（北京）硕士学位论文第5章单齿磨损试验数据处理与分析5.1单齿磨损试验数据处理在单齿磨损试验过程中，通过试验台架的控制软件采集钻进的载荷、扭矩、切削时间、转速等参数；通过温度采集系统采集PDC复合片实时的温度变化；使用电子天平称量PDC复合片的质量变化，测得通过磨损失去的质量，进而计算获得磨损率。试验参数如表5.1所示：表5.1单齿磨损试验参数Table5.1Theparametersofsingletoothweartest初始温度(℃)载荷(N)转速(r/min)室温2006015040080250600100--120--140本次试验共切削岩样45块，加工PDC复合片，并进行磨损试验45片，获得了大量的试验数据。由于试验过程中，夹持装置振动较大，引起载荷不断波动，因而数据处理需要取力传感器的平均值作为实测载荷，经过计算后的载荷与设定载荷存在一定的差值。为了更准确地分析转速与PDC复合片磨损率之间的关系，将PDC复合片的转速进行转换，转换为PDC复合片的切削线速度进行分析，具体关系如下：2Rrv(5.1)601000式中：v为PDC复合片的切削线速度，m/s；R为PDC复合片的转动半径，此处为160mm；r为试验台架主轴转速，r/min；经过磨损试验的PDC复合片，经过超声波清洗机的清洗以及保温箱烘干之后，采用电子天平称量出经过磨损失去的重量，经过计算获得PDC复合片经过磨损失去的体积，进而得到以体积表征的磨损速度，即磨损率，具体计算公式如下：-45- 第5章单齿磨损试验数据处理与分析mV(5.2)wt-43式中：V为PDC复合片的磨损率，10mm/s；m为PDC复合片经过磨损后失去w3的重量，mg；为PDC复合片的密度，3.51mg/mm；t为PDC复合片进行切削的时间，此处为1800秒。经过数据计算，得到了PDC复合片在不同初始温度之下的磨损试验数据，表5.2为PDC复合片在室温下的磨损试验数据：表5.2室温下PDC复合片磨损试验数据Table5.2WeartestdataofPDCatroomtemperature试验编号时间线速度载荷初始温度稳定温度磨损率-43(s)(m/s)(N)(℃)(℃)(10mm/s)118000.520710.741.81.58218000.539811.957.92.37318000.561413.168.73.64418000.6721110.548.11.90518000.6740710.164.83.16618000.6760112.982.45.06718000.8419713.947.82.22818000.8440112.772.23.95918000.8459314.187.36.33101800120312.351.92.69111800139114.583.24.59121800158914.9104.17.441318001.1720913.362.83.011418001.1739910.486.45.381518001.1760711.9109.48.55-46- 中国石油大学（北京）硕士学位论文表5.3为PDC复合片在初始温度为150℃下的磨损试验数据：表5.3150℃下PDC复合片磨损试验数据Table5.3WeartestdataofPDCattemperature150℃试验编号时间线速度载荷初始温度稳定温度磨损率-43(s)(m/s)(N)(℃)(℃)(10mm/s)118000.5189155.740.11.74218000.5405141.256.42.37318000.5594150.667.73.64418000.67214161.449.61.90518000.67411162.163.23.01618000.67603155.981.14.91718000.84201147.150.12.37818000.84401141.173.53.95918000.84587153.288.96.491018001206164.754.72.531118001392150.981.64.591218001597154.6105.27.591318001.17194146.561.62.851418001.17391152.488.45.541518001.17609156.3110.28.86表5.4为PDC复合片在初始温度为250℃下的磨损试验数据：-47- 第5章单齿磨损试验数据处理与分析表5.4250℃下PDC复合片磨损试验数据Table5.4WeartestdataofPDCattemperature250℃试验编号时间线速度载荷初始温度稳定温度磨损率-43(s)(m/s)(N)(℃)(℃)(10mm/s)118000.5192250.643.21.58218000.5411257.455.12.22318000.5611244.669.43.79418000.67201262.450.42.06518000.67402260.164.53.01618000.67601257.983.75.06718000.84197243.151.12.22818000.84399249.472.93.64918000.84607255.788.26.491018001188259.853.12.531118001393261.682.74.111218001602251.1105.77.441318001.17199249.159.83.011418001.17407260.689.55.221518001.17597255.3111.78.715.2PDC复合片的磨损形貌在PDC复合片的磨损试验中，选择的PDC复合片加工有45度倒角，因此，PDC复合片就有两条切削刃。我们在讨论过程中，把PDC复合片的聚晶金刚石层水平朝上放置，将上层的切削刃称为内侧切削刃，将下层的切削刃称为外侧切削刃。试验结束后，观察到PDC复合片主要的磨损位置在外侧切削刃部位。如图5.1。-48- 中国石油大学（北京）硕士学位论文(a)(b)（a）PDC复合片未磨损状态（b）PDC复合片磨损后图5.1PDC复合片的磨损形貌Fig.5.1ThewearmorphologyofPDC从图5.1（a）中可以看出，未磨损的PDC复合片，外切削刃与内切削刃以及PCD层与碳化钨硬质合金层的交界线相平行，而从图5.1（b）中可以看出，磨损后的PDC复合片，外切削刃被磨损掉之后，磨损区域与未磨损区域交界处为圆弧状的不规则边界。磨损区与未磨损区的圆弧状边界仍然处在PCD层的范围，说明试验当中，磨损发生的区域控制在了PCD层，PDC复合片失去的材料全部为聚晶金刚石材料，这也证明了采用失重法称量PDC复合片的失重，之后采用聚晶金刚石材料的密度进行计算的正确性。使用工具显微镜对磨损区域的形貌进行观察，如图5.2所示；之后将焦点对焦至磨损区和未磨损区的边界处，进行局部放大，放大后的PDC复合片表面磨损形貌图5.3所示：-49- 第5章单齿磨损试验数据处理与分析图5.2PDC复合片磨损区的微观形貌Fig.5.2ThemicrostructureofPDCwearregion图5.3PDC复合片磨损区的局部放大Fig.5.3ThelocalamplificationofPDCwearregion-50- 中国石油大学（北京）硕士学位论文从图5.2和图5.3中可以看出，在磨损边界的两侧，PDC复合片的聚晶金刚石层的微观形貌未见显著区别，两侧均没有显著划痕以及材料的整片脱落。这表明PDC复合片在磨损的过程中，磨损区的材料随着摩擦行为的进行，表面的粗糙峰在交变载荷的作用下逐渐脱落，为典型的疲劳磨损行为。5.3温度对磨损率的影响在PDC复合片的磨损试验中，由于试验条件的不同，试验过程中温度的变化过程也是各不相同的。图5.4是在设定载荷为600N，PDC复合片的线速度为1m/s，起始温度为室温，150℃，250℃的工况下，PDC复合片的实时温度变化曲线。图5.4磨损试验中的温度变化Fig.5.4Thetemperatureofweartest由图5.4中可以看出，在初始温度为室温(14.9℃)的情况下，由于PDC复合片的温度为室温，在不存在热源的情况下，其温度随着室温的变化而进行微小的变化，实时温度较低。当PDC复合片与岩样接触，进行切削的时候，我们认为有一-51- 第5章单齿磨损试验数据处理与分析部分的摩擦功转化为热量，因此，相当于给PDC复合片增加了一个处在聚晶金刚石层边缘的热源。随着PDC复合片不断地切削岩样，摩擦力不断地做功，PDC复合片的温度也就不断地升高。在这一过程中，由于PDC复合片中，聚晶金刚石层的热传导系数非常高，因此PDC复合片也在进行着高效率的散热。温度的升高伴随着PDC复合片的散热，直到PDC复合片切削岩样做功的效率与PDC复合片散热的效率趋于相同，PDC复合片的温度才会稳定在一个温度值上。由于PDC复合片在切削岩样过程中，所受载荷以及来自岩样的冲击力在忽大忽小地无规律变化着，因此在切削过程中的摩擦力也在不断变化。这一变化导致了切削过程中的摩擦功不断变化，也就导致了在温度升高的过程中，温度变化曲线不是一条平滑的曲线，而是不断波动着的，上升的曲线。在150℃以及250℃两个初始温度下，PDC复合片被提前加热。在切削过程中，由于PDC复合片本身具有一定的温度，在单位时间内散热的量超过了PDC复合片切削岩样所产生的热量，因而在切削过程的初始阶段，温度呈不断下降的趋势。在下降的过程中，PDC复合片的散热效率与PDC复合片切削岩样做功的效率不断接近。当二者趋近相等时，PDC复合片的温度也就逐渐稳定下来，处在某一个温度值上。同样地，由于摩擦功的不断波动，在150℃初始温度以及250℃初始温度下，PDC复合片温度的变化曲线也是波动的，逐渐趋近于某一个温度值，而非一条光滑曲线。在相同初始温度下，不同的工况下，PDC复合片的温度变化也是各不相同的。图5.5为初始温度为室温，线速度为1m/s的工况下，不同载荷下PDC复合片的温度变化曲线。从图中可以看出，在较小载荷下，PDC复合片温度上升缓慢，在较大载荷下，PDC复合片温度上升较为迅速。在经过一段时间的升温过程后，PDC复合片的温度均稳定在一定值的附近，并有着微小的波动。-52- 中国石油大学（北京）硕士学位论文图5.5磨损试验中的温度变化(1m/s,室温)Fig.5.5Thetemperatureofweartest(1m/s,roomtemperature)在不同的切削线速度，不同的载荷，不同的初始温度下，对PDC复合片进行切削时，PDC复合片的温度的变化趋势是各不相同的。如表5.2-5.4所示，通过试验得到了不同工况下，PDC复合片温度趋于稳定时的温度值。通过对比试验数据发现，在相同的载荷和初始温度下，随着切削速度的增加，PDC复合片的稳定温度不断上升。例如：在室温，载荷为200N，切削线速度分别为0.5m/s，0.67m/s，0.84m/s，1m/s，1.17m/s的工况下，PDC复合片的温度趋于稳定后的温度值分别为41.8℃，48.1℃，47.8℃，51.9℃，62.8℃。从数据中可以看出，在切削线速度超过0.67m/s之后，PDC复合片的稳定温度并没有继续上升。这是由于试验过程中，在低速的试验工况下，试验台架的震动较大，切削的过程中伴随着冲击现象。当切削线速度提高后，冲击现象逐渐减少。这一现象导致了稳定温度的变化趋势并不是逐渐递增的现象的发生。对比其它工况下的试验数据，同样存在着相似的数据变化趋势。-53- 第5章单齿磨损试验数据处理与分析在不同的温度区间下，PDC复合片的磨损率随着切削参数的变化而不断变化。图5.6为在600N的载荷下，PDC复合片磨损率的变化曲线。图5.6不同温度下PDC复合片的磨损率(载荷600N)Fig.5.6ThewearrateofPDCatdifferenttemperatures(withloadof600N)从图5.6中可以看出，PDC复合片的磨损率随着切削线速度的上升而不断增加，呈现出近似线性上升的趋势。室温，150℃，250℃的起始温度下，PDC复合片的磨损率的变化曲线近似重合在一起，说明不同的起始温度下，相同的载荷和切削线速度的工况下PDC复合片的磨损率大小是相近的。说明相同的工况下，PDC复合片的起始温度对于PDC复合片磨损率的影响较小。-54- 中国石油大学（北京）硕士学位论文(a)(b)（a）载荷200N（b）载荷400N图5.7不同温度下PDC复合片的磨损率Fig.5.7ThewearrateofPDCatdifferenttemperatures图5.7是在200N，400N的载荷下，PDC复合片磨损率的变化曲线。从图中可以看出，和载荷为600N的工况相似，在200N，400N的载荷下，PDC复合片的磨损率随着切削线速度的增大而呈现上升的趋势，不同的起始温度下，相同的载荷和切削线速度的工况下PDC复合片的磨损率大小是相近的。说明相同的工况下，PDC复合片的起始温度对于PDC复合片磨损率的影响较小。图5.8不同温度下PDC复合片的磨损率(线速度0.5m/s)Fig.5.8ThewearrateofPDCatdifferenttemperatures(withlinearvelocityof0.5m/s)-55- 第5章单齿磨损试验数据处理与分析图5.8为在0.5m/s的线速度，不同载荷下PDC复合片的磨损率变化曲线。可以看出，在相同的线速度下，随着载荷的增加，PDC复合片的磨损率呈现上升的趋势。当载荷从200N升高到400N的时候，室温，150℃，250℃的初始温度下PDC-43-43-43复合片磨损率增加量分别为0.7910mm/s，0.6310mm/s，0.0.6410mm/s；而在载荷从400N升高到600N的时候，PDC复合片磨损率的增加量分别为-43-43-431.2710mm/s，1.2710mm/s，1.5910mm/s。这表明随着载荷的增加，PDC复合片磨损率的增加速度逐渐增大，PDC复合片磨损率与载荷并非简单的线性关系。不同初始温度下的PDC复合片的磨损率曲线较为接近，说明在200N，400N，600N的载荷下，PDC复合片的磨损率的上升趋势是相似的，这表明在线速度为0.5m/s的工况下，初始温度对PDC复合片磨损率的影响不大。(a)(b)（a）线速度0.67m/s（b）线速度0.84m/s(c)(d)（c）线速度1m/s（d）线速度1.17m/s图5.9不同温度下PDC复合片的磨损率Fig.5.9ThewearrateofPDCatdifferenttemperatures-56- 中国石油大学（北京）硕士学位论文图5.9是在不同起始温度，不同载荷，线速度分别为0.67m/s，0.84m/s，1m/s，1.17m/s的工况下，PDC复合片的磨损率的变化曲线。从图中可以看出，在同样的线速度下，PDC复合片的磨损率均随着载荷的增加而增加，不同的起始温度对于PDC复合片磨损率影响不大，随着切削线速度的增加，PDC复合片的磨损率逐渐增大。5.4线速度对磨损率的影响为了研究PDC复合片切削线速度与PDC复合片磨损率的关系，我们对削线速度、PDC复合片的磨损率等数据进行了分析。在载荷不变的情况下，由于试验采用全新PDC复合片切削岩样的光滑表面，改变切削线速度进行试验。因此，不同PDC复合片的试验工况时相同的。在对PDC复合片进行超声波清洗之后，使用工具显微镜对PDC复合片磨损区域进行观察发现，PDC复合片磨损区域表面光滑，无剥落，崩齿现象的发生，无明显的犁沟，划痕等现象。宏观上判断，PDC复合片在该试验中主要的磨损形式为疲劳磨损。在测得大量有关数据之后，处理得到PDC复合片切削线速度与PDC复合片磨损率的关系如图5.10。图5.10不同切削线速度时PDC复合片磨损率变化曲线(初始温度室温)Fig.5.10PDCwearratesunderdifferentcuttingspeed(withroomtemperature)-57- 第5章单齿磨损试验数据处理与分析从图5.10上可以看出，在初始温度为室温的工况下，载荷不变，PDC复合片的磨损率随着切削线速度的增加而增加。在载荷增加的情况下，磨损率增加的速度变得更大。这是由于载荷增加，PDC复合片和岩样之间的摩擦力同样增大，继而加大了PDC复合片的磨损速度。同样地，随着切削线速度的增加，在同样的时间内，PDC复合片所切削的距离也在增加，这就导致了PDC复合片疲劳磨损现象的加剧。PDC复合片磨损率与PDC复合片切削线速度的关系，可以用公式5.3来表示：Vavb(5.3)w式中：a和b为相关常数；v为PDC复合片的切削速度，m/s；V为PDC复合片的w-43磨损率，10mm/s。根据Origin软件对试验数据进行分析，在载荷分别为200N，400N，600N时，曲线拟合相似度Adj.R-Square值为0.99118，0.99920，0.99676。说明在不同的载荷下，PDC复合片的磨损率使用线性拟合的拟合度较好。在载荷分别为200N，400N，600N时，拟合获得的曲线的斜率分别为2.18378，4.46221，7.3074。说明随着载荷的增大，PDC复合片磨损率增大的速度逐渐增加，磨损的速度逐渐增快。(a)(b)（a）初始温度150℃（b）初始温度250℃图5.11不同切削线速度时PDC复合片磨损率变化曲线Fig.5.11PDCwearratesunderdifferentcuttingspeed同样地，图5.11是初始温度分别为150℃和250℃的情况下，PDC复合片磨损率的变化曲线。从图中可以看出，在150℃初始温度下以及250℃初始温度下，-58- 中国石油大学（北京）硕士学位论文PDC复合片磨损率与切削线速度的关系与初始温度为室温的工况下PDC复合片磨损率与切削线速度的关系相似，二者都为线性增加的趋势。其中，在150℃初始温度，200N，400N，600N载荷下，磨损率变化曲线进行线性拟合的Adj.R-Square值分别为0.97072，0.99408，0.99714，拟合曲线的斜率分别为1.70751，74903，7.85838。说明在150℃初始温度下，PDC复合片磨损率的变化适用线性拟合的拟合度较好。拟合曲线斜率逐渐变大，说明PDC复合片的磨损速度逐渐变快。在250℃初始温度，200N，400N，600N载荷下PDC复合片磨损率的变化情况适用线性拟合后获得的曲线，Adj.R-Square值分别为0.97832，0.99699，0.96733，曲线的斜率分别为1.99448，4.25391，7.32059。同样说明了在250℃初始温度下，PDC复合片的磨损率具有较高的线性拟合度，且PDC复合片的磨损速度逐渐增大。综上所述，在不同的温度区间内，PDC复合片的磨损率随着切削线速度的增大而增大，且二者呈线性关系。5.5载荷对磨损率的影响根据试验测得的试验数据，在初始温度为室温，载荷为200N，400N，600N的工况下，PDC复合片的磨损率如图5.12所示：图5.12不同载荷时PDC复合片磨损率变化曲线(初始温度室温)Fig.5.12PDCwearratesunderdifferentload(withroomtemperatures)-59- 第5章单齿磨损试验数据处理与分析从图5.12上可以看出，在初始温度为室温，在一定的切削速度下，PDC复合片的磨损率随着载荷的增大而迅速增大。根据表5.2的数据计算得出，初始温度为室温，载荷从200N增加到400N的情况下，线速度为0.5m/s，0.67m/s，0.84m/s，-431m/s，1.17m/s时PDC复合片的磨损率增加量分别为0.7910mm/s，-43-43-43-431.2610mm/s，1.7310mm/s，1.910mm/s，2.3710mm/s。而当载荷从-43400N增加到600N的时候，PDC复合片磨损率的增加量为1.2710mm/s，-43-43-43-431.910mm/s，2.3810mm/s，2.8510mm/s，3.1710mm/s。由此可见，PDC复合片的磨损率在载荷从400N增加到600N的时候，增加的速度大于载荷从200N增加到400N时的磨损率增加的速度。这一现象表明，PDC复合片的磨损率变化与载荷的关系较为复杂，不能单纯地认为磨损率的变化趋势为某一个正比关系。在试验过程中，载荷的加载存在着忽大忽小，变化频繁的特点。同样地，在实际钻井现场中，PDC钻头磨损现象也表现出随着钻压的增大而急剧增加的特点。因此，可以解释为：一方面，当载荷增加时，PDC复合片和岩石之间的摩擦力增大，导致PDC复合片磨损的加剧；另一方面，随着载荷的增大，岩石反作用于PDC复合片的不断变化的冲击力不断增大，由此导致PDC复合片的疲劳磨损加剧。这种疲劳磨损容易导致PDC复合片聚晶金刚石层的剥离，崩齿现象的发生，继而进一步降低PDC复合片的耐磨性等切削性能。(a)(b)（a）初始温度150℃（b）初始温度250℃图5.13不同载荷时PDC复合片磨损率变化曲线Fig.5.13PDCwearratesunderdifferentload-60- 中国石油大学（北京）硕士学位论文从图5.13上同样可以看出，PDC复合片的磨损率随着载荷的增大而不断增大。同时根据表5.3和表5.4的数据计算出，PDC复合片的磨损率在载荷从400N增加到600N的时候，增加的速度大于载荷从200N增加到400N时的磨损率增加的速度。因此，PDC复合片磨损率与载荷的关系不是单纯的正比关系，而是其他逐渐增加的关系，PDC复合片的磨损率随着载荷的增大而迅速增大。5.6本章小结本章主要以单齿磨损试验数据为基础，分析了温度，切削线速度，载荷对PDC复合片磨损率的影响规律，拟合出了PDC复合片磨损率与切削线速度的理论关系式，并且得出不同初始温度区间下，PDC复合片在同工况时，磨损率变化不大的规律，PDC复合片的磨损率的增长率，随着载荷的增大而加速增大的规律。分析了不同载荷，切削线速度对于PDC复合片稳定温度的影响，得出PDC复合片的稳定温度随着载荷的增大，切削线速度的增大而增大的规律。-61- 第6章结论与展望第6章结论与展望6.1研究结论本文通过台架试验，理论分析，室内模拟试验，三种途径进行了自掩埋用PDC钻头切削齿磨损规律研究，主要研究成果如下：（1）通过自掩埋PDC钻头试验台架研究，分析了自掩埋PDC钻头主要的几种PDC复合片表面形貌变化类型，研究了各表面形貌变化类型的分布规律以及出现频次，得出自掩埋PDC钻头的切削齿主要表面形貌变化类型为表面附着物。崩齿现象和磨损现象出现频次均较低，且出现位置集中在冠顶部位。试验表明现有的自掩埋PDC钻头具有良好的摩擦磨损特性。（2）在前人PDC钻头磨损规律研究的基础上，着力分析了在干式切削下，处于干摩擦磨损工况下PDC复合片磨损现象的形成过程；并以此为基础，推导了基于干摩擦磨损理论的磨损计算理论模型：V2Af(alFrNfTc)v(6.1)tl（3）以试验设计变量为基础，并考虑加工工艺要求设计了单齿磨损试验装置，进行了单齿磨损试验。针对实际钻头不同位置的不同工况，试验选取了端面热电偶测温的方式，选取PDC复合片温度，切削线速度，载荷，PDC复合片磨损率作为研究对象。采用失重法采集了PDC复合片的失重，同时采集了实验过程中PDC复合片的温度变化数据，试验台架扭矩，钻压，转速等数据。（4）利用试验数据计算了不同工况下PDC复合片的磨损率以及稳定工作温度；分析了温度，切削线速度，载荷对PDC复合片磨损率的影响规律，拟合出了PDC复合片磨损率与切削线速度的理论关系式，并且得出不同初始温度区间下，PDC复合片在同工况时，磨损率变化不大的规律，PDC复合片的磨损率的增长率，随着载荷的增大而加速增大的规律。分析了不同载荷，切削线速度对于PDC复合片稳定温度的影响，得出PDC复合片的稳定温度随着载荷的增大，切削线速度的增大而增大的规律。总之，本文从自掩埋PDC钻头实际工作环境出发，进行了全尺寸台架试验，研究了自掩埋PDC钻头干切削的磨损规律，对于切削参数对PDC复合片磨损规律的影响做了深入研究，加工出试验装置进行试验，同时建立了相关的理论模型，为自掩埋PDC钻头设计分析做了有益铺垫，具有一定的理论参考价值。-62- 中国石油大学（北京）硕士学位论文6.2工作展望由于时间和作者知识水平的限制，研究深度还需进一步提高。在此，结合本论文中出现的问题对后续研究工作提出几点建议：（1）PDC钻头磨损理论模型还需要实际使用过程中的井场统计数据来检验，同时，公式中大量的参数还需要实际试验来确定精确值，这都是下一步工作中需要继续努力的方向。（2）单齿干式切削试验中，热电偶的测点位置距离接触区有一定的距离，这意味着现有的测量数据仍然距离实际接触区的温度有一定的差距。在后续研究中，需要继续尝试使用新型的温度测量方式来更加精确地测量接触区的温度。这有助于精确研究PDC复合片在干切削过程中的磨损机理与温度的关系。（3）在单齿PDC磨损试验中，由于受实验室条件的制约，没有对于更高温度区间，更高的PDC复合片稳定温度状态下，磨损规律进行研究。这将是下一步研究的重点，在保温设备的帮助下，研究超过350℃的工况下，PDC复合片的磨损规律。这有助于PDC自掩埋钻头进一步的设计方案的确定以及冷却系统的设计。（4）在进行自掩埋PDC钻头试验的过程中，受岩样尺寸以及其它因素的限制，试验时间相对较短。在后续研究中需要进行长时间，变参数的试验来继续验证自掩埋PDC钻头的设计方案。同时，对于自掩埋PDC钻头的减磨方案的研究也可以多加尝试，比如研究转动切削齿是否适用于自掩埋PDC钻头。-63- 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致谢致谢本文是在导师喻开安教授指导下完成的，从论文选题、研究方案确定、试验装置设计、加工制造到试验过程所遇困难的攻关上都凝结了他大量的心血。在科学研究以及日常生活中，喻老师给予了我无微不至的关怀，特别是喻老师严谨的治学态度、开拓的思维方式以及平易近人的性格给我留下了深刻的印象，为我今后的工作和学习提供了良好的导向。在论文结尾之际，再一次向导师致以衷心感谢。在PDC复合片磨损试验装置设计和试验过程中，还得到了陈应华老师、张凯博士、李阳硕士的大力支持，在此表示深深的感激。感谢同门师兄黄巍，吕义超在试验方法上的指导，感谢同门李文星，刘昱博，曹童童，柳西和在试验过程中的帮助。感谢母校提供优良的科研环境和生活环境，让我安心求学。最后，感谢父母在我求学过程中一直以来的支持与鼓励。陪伴我度过每个奋斗的日夜。感谢关心我的亲朋好友们给予的无私支持。-67-