PDC钻头切削齿失效分析.pdf

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1、２０１５年第４４卷石油矿场机械第９期第４４页犗犐犔犉犐犈犔犇犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０１５，４４（９）：４４４９文章编号：１００１３４８２（２０１５）０９００４４０６犘犇犆钻头切削齿失效分析张富晓ａ，黄志强ｂ，周已ｂ（西南石油大学ａ．化学化工学院；ｂ．机电工程学院，成都６１０５００）摘要：对ＰＤＣ钻头失效切削齿进行宏、微观形貌观察，研究其失效原因和失效机理，并提出相应改善措施。结果表明：ＰＤＣ钻头切削齿的主要失效形式为齿的断裂、磨损和脱落；

2、切削齿失效的主要原因是由于冲击刮削破岩对切削齿造成的损伤和切削齿材料本身的性能较差、两相结合强度不高。可从材料配方、结构设计及制造等方面进行改进。关键词：ＰＤＣ钻头；切削齿；失效分析中图分类号：ＴＥ９２１．１文献标识码：Ａ犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１３４８２．２０１５．０９．０１１犉犪犻犾狌狉犲犃狀犪犾狔狊犻狊狅犳犘犇犆犅犻狋犆狌狋狋犲狉ａ，ＨＵＡＮＧＺｈｉｑｉａｎｇｂ，ＺＨＯＵＹｉｂＺＨＡＮＧＦｕｘｉａｏ（犪．犆狅犾犾犲犵犲狅犳犆犺犲犿犻狊狋狉狔犪狀犱犆犺犲犿犻犮犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵；犫．犆狅犾犾犲犵犲狅犳犕犲犮犺

3、犪狀犻犮犪犾犪狀犱犈犾犲犮狋狉犻犮犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犛狅狌狋犺狑犲狊狋犘犲狋狉狅犾犲狌犿犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犆犺犲狀犵犱狌６１０５００，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：ＰＤＣｃｕｔｔｅｒｆａｉｌｕｒｅｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｆｏｒｍａｌｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｆａｉｌｕｒｅｃａｕｓｅｓａｎｄｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｍａｉｎｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｏｆＰＤＣｃｕｔｔｅｒｆｏｒｂｒｅａｋｉ

4、ｎｇｔｅｅｔｈ，ｗｅａｒａｎｄｓｈｅｄｄｉｎｇ．Ｔｈｅｍａｉｎｒｅａｓｏｎｆｏｒｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｏｆｃｕｔｔｉｎｇｔｅｅｔｈｏｎｔｈｅｏｎｅｈａｎｄｓｃｒａｐｉｎｇｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｄｕｅｔｏｉｍｐａｃｔｄａｍａｇｅｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｔｅｅｔｈ；ｔｈｅｏｔｈｅｒｉｓｄｕｅｔｏｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｔｅｅｔｈｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｉｔｓｅｌｆｉｓｎｏｔｓｔｒｏｎｇ，ｔｗｏｐｈａｓｅｂｏｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｉｓｎｏｔｈｉｇｈ．Ｍｅａｓｕｒｅｓｃａｎｂｅｔａｋｅｎｆｒｏｍｔｈｅｍ

5、ａｔｅｒｉａｌｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｕｓｅｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ＰＤＣｂｉｔ；ｃｕｔｔｅｒ；ｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓ基于ＰＤＣ钻头破岩效率高、钻速快、进尺多、寿聚晶金刚石复合片是由金刚石微粉（０．５～２．５命长等优点，其在石油钻井工业中发挥着重要作用，ｍｍ）与ＷＣＣｏ硬质合金底层（５～２０ｍｍ）在高温、［１］估计占全部钻井进尺的８０％以上。７０％以上的超高压（１３００～１５００℃，５～７ＧＰａ）条件下烧结而［２３］［５］ＰＤＣ钻头失效是因ＰＤＣ切削齿损坏而造成

6、的。成的一种复合超硬晶体材料，如图１所示。聚晶金刚石复合片（ＰｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＤｉａｍｏｎｄＣｏｍｐａｃｔ简称ＰＤＣ）作为ＰＤＣ钻头切削齿，是最主要的切削单元，其性能在很大程度上决定了ＰＤＣ钻头的［４］钻进效果和使用寿命。因此，有必要对ＰＤＣ切削齿开展失效分析，研究其失效原因、失效机理以及影响因素；为进一步提高ＰＤＣ切削齿的耐磨性、抗冲击韧性等综合性能提供参考。图１ＰＤＣ钻头切削齿收稿日期：２０１５０３２３作者简介：张富晓（１９８７），女，四川自贡人，实验师，硕士，主要从事化工机械研究，Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｆｘ０８２３

7、＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。第４４卷第９期张富晓，等：ＰＤＣ钻头切削齿失效分析·４５·２．１．１冲击剥落１失效钻头的选取与工况分析ＰＤＣ切削齿的剥落是由于受到交变的切向冲对油田现场收集的失效钻头进行失效部位取样击压缩和法向拉伸应力作用，达到一定程度后，萌生和统计，并根据国际ＩＡＤＣ钻头磨损分级标准进行裂纹形成微碎片，最终导致ＰＤＣ金刚石层和硬质合［６］金层的破碎和局部剥落，如图６所示。在钻进硬地分级，如图２～５所示。结果表明：ＰＤＣ钻头的失效形式主要表

8、现为切削齿的磨损和断裂，并伴有少层时，粘滑振动使钻头受不规则的较大瞬间冲击，在量的金刚石层脱落和掉齿现象。磨损主要发生在冠短时间内承受超负荷而导致切削齿发生剥落、折