PDC钻头复合片磨损规律研究刘杰樊冀安摘要：在理论分析的基础上，建立了一种简便实用的复合片磨损实验方法，即采用了复合片在车床上磨损方式模拟PDC钻头切削齿切削岩石的方法进行了大量的实验研究。

研究分析了复合片齿的体积磨损速度与切削正压力、切削线速度、磨损弦长及岩性间的关系，并由实验结果得出了复合片磨损速度模式。

主题词：聚晶金刚石复合片钻头切削钻头磨损速度岩样数学模型实验室试验中图分类号：TE821.1文献标识码：A文章编号：1001-0890(1999)01-0037-03Study on PDC Cutters Wearing MechanismLiu Jie，Fan Ji'an(Drilling Research Department, Petroleum Exploration &Production Research Institute,Beijing 100083,China)Abstract：A simple and effective wearing experimentation method that lets PDC cut rock in a lathe so as to simulate PDC bit working behavior bottomhole,is established based on theoretic analyses. The relations between PDC bit volumetric wearing speed and cutting force, cutting linear velocity, wearing subtebse length, lithology are investigated, and therefore a wearing speed model is put forward based on experimental results.Keys：polycrystalline diamond compact cutter,cutting,bit wear,mathematical model,lab testing引言PDC钻头复合片（Polycrystalline Diamond Compact）是聚晶金刚石钻头复合片的简称，它由两层组成，一层是聚晶金刚石切削层(一种人造超硬材料)；另一层是硬质合金（碳化钨）衬底层。

PDC钻头是用聚晶金刚石复合片镶嵌于钻头钢体（或焊于钻头胎体）而制成的一种切削型钻头，它以聚晶金刚石复合片作为切削刃，以负刃前角剪切方式破碎岩石。

PDC钻头的问世是80年代石油工业方面的一项突出成就，它为石油钻井工程带来了一场新的技术革命。

国内外许多钻井专家和学者对如何提高PDC钻头破碎岩石的效率和改进PDC钻头的性能进行了多方面的研究，而对于切削齿磨损的研究则较少。

因此，有必要建立一套实验方法对复合片切削齿进行分析研究，使其更接近于实际情况，具有更大的使用价值。

试验研究表明，在实验室内模拟PDC钻头工作方式，可以得出与PDC钻头复合片实际磨损相符的结论，从而为PDC钻头的合理设计和正确使用提供可靠的理论根据。

一、理论分析1．PDC钻头复合片磨损机理PDC钻头齿的材料、结构和制造工艺是决定其磨损机理的内在因素，而机械载荷以及摩擦热是决定切削齿磨损方式的外部原因。

从理论上讲，可把“磨损”定义为切削齿表面材料的微观和宏观的磨耗和破裂。

聚晶金刚石层磨损方式主要分为：（1）宏观失效：冲击振动与疲劳；（2）微观失效：冲击振动与疲劳、热振动。

碳化钨-钴硬质合金基体的磨损方式可分为：（1）宏观失效：结构过载与疲劳、冲击振动和疲劳、热冲击和疲劳；（2）微观失效：磨蚀磨损、热疲劳。

聚晶金刚石层及碳化钨-钴基体的磨损方式决定了复合片的磨损方式。

机理分析和使用结果表明，复合片磨损主要为机械载荷磨损和热磨损。

本文主要研究机械载荷磨损，而不对热磨损进行研究(另有专题研究)。

2．PDC钻头复合片磨损速度理论分析认为，复合片在一定的条件下，即不发生热磨损及破坏性机械损坏的状况下，保持正常的、缓慢的、逐渐的磨蚀性磨损状态。

在实际工作中，磨损速度通常定义为单位时间内复合片所磨损掉的体积值。

为了推导出关于复合片磨损速度的理论方程，首先做如下假设：(1)复合片与井底接触面上的压力均匀地分布在聚晶层和碳化钨基体上，接触面是一平面；(2)复合片的磨损量是微量的；(3)摩擦功与复合片磨损体积成正比；(4)只考虑复合片底部的磨损和摩擦，复合片侧面的磨损和摩擦忽略不计。

根据PDC钻头工作原理，综合PDC钻头运动学、动力学和摩擦学的知识，推导出了PDC钻头复合片磨损速度的理论方程：V t =KfPN／L（1）式中Vt——PDC钻头复合片体积磨损速度，mm3/s;P——复合片切削正压力，N;N——切削线速度，m/s;L——复合片磨损弦长，mm；Kf——岩性系数，与岩性、钻头结构、泥浆性能和水力因素等条件有关。

三、实验方法和实验装置1．实验方法复合片磨损实验是在CW6140型车床上用选定的复合片切削有代表性的岩样来完成的。

正压力由车床上的进刀手柄控制，通过车削测力仪把电信号输送给示波器显示压力波形并记录、计算出数值；切削线速度由车床的转速及岩样的外径得到；在一定走刀长度下进行实验。

实验之前，对车削测力仪进行标定，实验时，采用Mettlerae 240型精密电子天平(精度0.01mg)型称复合片重量，用游标卡尺来测量岩样的直径和长度。

（1）复合片的选择实验所选用的复合片是国内某家合资企业的产品，规格为φ13.3mm×4.5mm，磨耗比为10～12万。

对其进行人为加工，分别模拟复合片在三种不同磨损程度下切削岩石的情况，即轻度磨损（包括新片）、中等磨损和严重磨损。

（2）岩样的选择选用代表软、中、硬的黄砂岩、重二砂岩、香二砂岩、花岗岩等岩样，并将其加工成φ220mm×500mm的圆柱形。

主要用复合片切削香二砂岩来进行实验。

另外还切削部分花岗岩、黄砂岩和重二砂岩。

岩样的主要机械性能见表1。

2．实验装置实验装置如图1所示，它包括车床、QB07型测力仪、应变仪、示波器、HP2225A型喷墨打印机、数字电压表等。

图1 实验装置3．实验条件（1）实验中切削齿刃前角为20°，侧偏角选择为0°。

（2）实验采用的正压力是按常规PDC钻头破岩时的钻压折算而成的，考虑到实验时正压力加载实际情况，一般不超过2000N。

（3）实验中切削线速度分为0.4m/s、0.8m/s、1.2m/s、1.6m/s、2.0m/s五档。

（4）选取复合片磨损面聚晶层弦长作为复合片磨损程度对复合片自身磨损速度影响的最主要参数,所选用的聚晶层弦长分别为1.40mm、7.04mm、11.20mm。

四、实验结果及分析1．岩性对复合片磨损的影响采用相同的正压力、切削线速度等参数，对不同岩性的岩样进行复合片磨损实验。

实验结果如图2所示。

图2 岩性—复合片磨损关系1.黄砂岩；2.香二砂岩；3.垂二砂岩由图2可见，复合片的体积磨损量与所破碎岩石岩性有密切关系：V w =AfVc（2）式中Vw——复合片切削岩石的体积磨损量，mm3；Vc——复合片切削岩石的体积，10-3m3；Af——岩性系数，与岩性、材料等有关。

由式(2)可见，岩性相同时，复合片体积磨损量与破岩体积成正比；岩性不同时，岩石胶结愈密实，硬度愈大，石英含量愈多，那么它对复合片的磨损影响就愈大；在破碎相同体积岩石时，复合片体积磨损量与岩性系数成正比。

2．正压力对复合片磨损速度的影响用新复合片，采用五种固定的切削线速度，进行了多次正压力和复合片磨损速度关系的实验。

实验结果证明，在一定切削线速度下，复合片磨损速度随正压力的增大而迅速增大。

其幂函数可表示为Wv∝Fα式中W——复合片磨损速度，10-4mm3/s；vF——复合片切削正压力，N；α——正压力指数，香二砂岩α值为0.55～1.10，花岗岩α值为0.93～1.62。

由式(3)可见，复合片磨损速度与正压力的α次方成正比关系，其正压力指数随切削线速度的增加而增加。

破碎相同体积岩石时，正压力越大，复合片磨损量就越大，其磨损速度也越大。

3．切削线速度对复合片磨损速度的影响使用新复合片，在正压力不变的条件下，改变切削线速度进行切削香二砂岩和切削花岗岩的实验。

实验结果表明，复合片磨损速度与切削线速度的β次方成正比：∝VβWv（4）——复合片磨损速度，10-4mm3/s；式中WvV——复合片切削线速度，m/s;β——线速度指数,香二砂岩β值为0.94～1.05，花岗岩β值为0.98～1.29。

由式(4)可见，PDC复合片的磨损速度与切削线速度的β次方成正比关系。

正压力不变，复合片磨损速度随线速度增加而增加。

但线速度指数β随着正压力增加而增加。

4．磨损弦长对复合片磨损速度的影响分别模拟新片、中等磨损、严重磨损三种情形复合片切削香二砂岩，进行磨损弦长与复合片磨损速度的关系实验，实验结果见图3。

图3 复合片磨损弦长——磨损速度关系1.F=570N,V=1.2m/s;2.F=705N,V=1.2m/s。

由图3可见，复合片磨损速度与其磨损长度的关系可表示为∝LγWv式中L——聚晶层磨损弦长，mm;γ——弦长指数,负值，香二砂岩γ值为-0.37～-0.48。

由式(5)可见，复合片与岩石的接触面随着复合片磨损弦长的增大而增大;因正压力不变，复合片上的比压力减小，磨损速度变慢。

5．复合片磨损速度模式的建立通过一系列实验，并对实验数据进行处理和分析，可以得到复合片磨损速度的综合模式：W v =AfFαVβLγ（6）可见，复合片磨损速度与正压力、切削线速度、磨损弦长以及岩性有关，而且都呈指数关系。

正压力指数、线速度指数为正，弦长指数为负，这与磨损速度的理论推导基本吻合，说明实验结果是可靠的。

五、结论1．复合片磨损速度与岩石的岩性关系密切。

岩石抗压强度增加，岩石中石英含量及粒度增大，复合片的磨损速度随之增大。

2.磨损速度与切削正压力的α次方成正比。

随正压力增加，破岩速度增大，同时磨损速度也增大。

正压力指数α值为0.93～1.62。

3．复合片磨损速度与切削线速度的β次方成正比。

切削线速线增加，磨损速度加快。

切削线速度指数β值为0.98～1.29。

4．复合片磨损速度随磨损程度的增加而变慢，因而需要加大正压力才可提高钻速。

5．复合片磨损速度模式对PDC钻头的布齿设计和合理使用具有指导作用，还可用于预测钻头使用寿命。

作者简介：刘杰，1967年生。

1989年毕业于石油大学（华东）钻井工程专业，1995年获工学硕士学位。

现在石油勘探开发科学研究院钻井工艺研究所从事新型高效金刚石钻头的研究和设计工作，工程师。