钻头性能评价手册

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1、钻头性能评价手册如今油田和矿山使用的硬质合金球齿的确是高质量的工程材料。每种牌号的球齿都具有其独特的适用于特定的设计和条件的性能。本手册讨论了一些常见的失败问题以及与之相关的材料特性。本手册旨在给此领域工程师提供实践指导作用，他们可以利用低倍显微镜工作。考虑到这点，本手册特意删减了大部分高倍率或电子扫描照片，而低倍照片比较容易用在此方面作对比。本手册讨论了七种类型的球齿失效方式，它们并不包括所有的失效方式，也没有述及多失效模式，既多种失效机制同时进行。但是，仔细鉴别和观察断口，也许可以发现一种改进钻头性能的解决方法。本手册中七种失效方式分别是：1.磨损2.破裂3.热冲击4.圆锥面以下断裂5

2、.剪切损坏6.表面裂纹产生及生长7.剥落13类型1——磨损因为在球齿上没有发生过量破裂，从球齿上观察的是全部的预期寿命，所以磨损被认为是以切削机理破坏。图1所示是典型的具有光滑表面的局部磨损的球齿。图2展示了新的结果，平坦磨损。完全磨损球齿显现平坦的并且几乎与圆锥面齐平。根部排列的球齿，不是平坦的磨损，而将是如图3所示经常在外缘剩下平坦的磨损齿背。正常磨损是通过在被钻的岩石中硬矿物质穿透球齿中的软粘结相部分发生切削作用并带走了球齿中的一小块，在加载期间，球齿面对岩石的相对运动和接触面积越大，所观察到材料磨损就越大，同时在球齿表面可观察到相当深的刮痕或磨损标志，如图4及图5所示。如图6所示的

3、重刮痕表面，可推测它是在不正常操作情况下钻头的过度滑动磨损而产生的。如果球齿上存在较少或没有破裂，则钻头寿命取决于磨损，提高材料耐磨性是有益处的。耐穿透性就是通常所说的“硬度”测定。这个性能是通过材料抵抗标准载荷下金刚石压头压痕或穿透的能力。这种类型的通用测试是洛氏硬度测试，测试产生的数据称为洛氏A硬度。这些数据与这方面材料的耐磨性密切相关。13在硬质材料制造之前，必须仔细观察以确信没有其它失败机理。除了平滑的、平坦磨损面外，表面破坏还可以显示出其它的破坏机理，如剥落、剪切这些紧随着磨损发生。较硬的碳化物的移动能严重地恶化其它材料损坏机理，如果已经作用，将导致钻头性能显著降低。类型2——缺

4、陷破裂缺陷破裂通常在钻头的早期寿命中呈现出来。也可以称作“早期破坏”。这种类型的损坏是由破裂引起的，该破裂由载荷循环在硬质合金中的缺陷处产生应力集中而引起的，由这种类型损坏产生的断口标志是很特殊的，并容易辨别。由于这种损坏是由硬质合金内部缺陷引起的，裂纹源在合金内部而不是与球齿外部相连，断口表面将呈现如图8所示的几种截然不同的标志类型。断口的光滑部分称作“镜子面”（图8中的标志B），粗糙部分（图8中的标志A）称作“锯齿”，引起损坏的缺陷（图8中的标志C）总是“镜面”的中心区域。镜面，或者光滑平坦部分，仅有少量或没有枝状裂纹，因为在损坏的早期阶段，裂纹的扩展是很慢地，仅有足够能量在单一地方线

5、性扩展。锯齿型裂纹或从初始点扩展到的最远区域，它呈现一粗糙断口，具有明显散射状图形。分支和散射区域图形是裂纹以高速径向扩展的结果。引起损坏的缺陷越大，断口的镜面部分也越大，如图9所示。缺陷损坏仅是呈现出这些损坏的特征，并且仅是在球齿内部开始破坏的诸多类型中的一种。13因为没有材料能做得完美无缺，因此所有的球齿都有一定程度的缺陷。在通常条件下，这些缺陷小且数量少，不足以引起较大的问题。如果由于极端的工作环境或质量问题而产生缺陷使钻头寿命缩短，可采用以下几种补救措施。首先如果它确实是质量问题，卖方代表应尽快地正确处理问题，然而如果损坏特别是由特别严酷的环境引起的，可通过材质和工艺选择来解决问题

6、，可用较韧的材料（具有较高的临界应力强度参数K1c），或许牺牲一些耐磨性。材料韧性越好，破裂损坏的敏感性越低。为了减少缺陷的大小及其存在的数量，可给球齿施加一个烧结－热等静压烧结周期，它在一次操作中结综了热处理和热等静压操作，或者在烧结后处理即热等静压。对低钴牌号，热等静压尤其重要。如果确定辨别是裂纹损坏，上面概述的解决方法之一就可解决问题。类型3——热冲击在所有类型的钻探中，包括油田、矿山、水井、风洞等，都曾观察到钻头的热冲击损坏。，在大约右角位置，它的唯一破坏机制是产生一种与众不同的双轴或由几条交叉近直角的裂纹，如图11所示。在一个球齿表面上能观察到从仅几条到数百条的裂纹。热冲击破坏可

7、通过钻头设计降到最小量，即减少钻探时球齿和岩石接触的时间。13这种损坏模式机理是在热的球齿表面迅速冷却产生了平面应力。应力释放是通过在某一方向产生裂纹的方式实现的，最高残余应力与初始裂纹相垂直，因此，进一步释放应力仅能发生在初始裂纹的垂直方向。这种类型的热应力场的范围很短，并随裂纹向深处扩展而迅速减弱，在表面下0.01英寸到0.1英寸之间的深度上裂纹变得稳定，此时球齿的总稳定性是材料抵抗这些裂纹进一步扩展的函数,或者称为