張素慧

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

PDC切削齒是鉆頭最主要的切削單元，其性能在很大程度上決定了鉆頭的鉆進(jìn)效果和使用壽命[1]。因此，加強(qiáng)對(duì)PDC切削齒的優(yōu)選評(píng)價(jià)和合理使用，對(duì)礦用鉆頭的生產(chǎn)試制和提高鉆頭壽命具有指導(dǎo)意義。相關(guān)文獻(xiàn)概述了PDC切削齒發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì)[2-4]、不同廠家PDC的鉆鑿特性[5-7]、地層應(yīng)用情況[8-9]以及切削齒的后傾角、溫度、線速度和鉆壓對(duì)磨損量的影響規(guī)律[10]。目前，通過(guò)檢測(cè)得到的耐磨性、抗沖擊韌性等參數(shù)只是PDC切削齒在單個(gè)性能方面的體現(xiàn)，而實(shí)際鉆進(jìn)并不是單一的地層[9]。由此本文從PDC切削齒性能評(píng)價(jià)角度出發(fā)，對(duì)PDC選型進(jìn)行綜合評(píng)估。

1 試驗(yàn)材料與方法

選用6種礦用1308型PDC切削齒(編號(hào)1#-6#表示)，每種3片共計(jì)18片進(jìn)行試驗(yàn)。由于PDC切削齒需要釬焊在鉆頭體上，試驗(yàn)前先將PDC加熱到750℃。磨耗比、磨削時(shí)間按照《聚晶金剛石磨耗比測(cè)定方法》測(cè)試[11]。吸收功采用落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 PDC切削齒性能測(cè)試結(jié)果

六種PDC切削齒的熱磨耗比如圖1，其結(jié)果用3片的平均值表示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 786-2011規(guī)定[12]，4#和3#PDC切削齒磨耗比大于30萬(wàn)為高磨耗比片。5#、6#、1#、2#磨耗比值介于9～28.5萬(wàn)之間，為低磨耗比片。

圖1 PDC的磨耗比Fig.1 The abrasion ratio of PDC

PDC切削齒磨削砂輪的時(shí)間變化曲線如圖2(a)，1#-6#磨削總時(shí)間(單位：s)分別為：277、159、209、205、231、227，其中2#、4#、3#切削齒磨削時(shí)間短磨削速度快。圖2(b)為圖2(a)的線性擬合曲線，用y=kx+b表示，式中y為磨削效率，k為平穩(wěn)性系數(shù)。k越大，說(shuō)明PDC切削齒在初期磨削較快，隨著磨削量的增加磨削時(shí)間變長(zhǎng)，進(jìn)尺變慢，磨削效率降低；k越小曲線越平穩(wěn)。圖2(b)中5#、2#、4#切削齒k值較小平穩(wěn)性好，可用于避免來(lái)回起下鉆更換鉆頭的地層。

圖2 PDC磨削砂輪的時(shí)間變化曲線Fig.2 Time variation curve of PDC grinding wheel

抗沖擊韌性的結(jié)果如圖3。其中2#吸收功數(shù)值最大，平均為900J且數(shù)據(jù)的離散性較小，說(shuō)明抗沖擊韌性較高，可用于破碎地層、軟硬夾層等不均質(zhì)地層。其次為1#和5#，吸收功次之且數(shù)據(jù)存在一定的離散性。最后為4#和6#吸收功離散性較大。

圖3 PDC的抗沖擊韌性Fig.3 The impact toughness of PDC

2.2 PDC切削齒優(yōu)選評(píng)價(jià)方法

上述試驗(yàn)結(jié)果是PDC切削齒在單個(gè)性能方面的體現(xiàn)，而實(shí)際鉆進(jìn)中通常并不是單一的地層[9]，由此引入優(yōu)化設(shè)計(jì)理念優(yōu)選出綜合性能較好的PDC切削齒。采用評(píng)價(jià)與決策方法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)為：磨耗比、磨削時(shí)間、平穩(wěn)性、抗沖擊韌性。加權(quán)評(píng)價(jià)法[13-14]是將評(píng)價(jià)對(duì)象中的各項(xiàng)指標(biāo)依照重要程度，給予不同的權(quán)重。加權(quán)系數(shù)通過(guò)判別表計(jì)算法根據(jù)目標(biāo)的重要程度進(jìn)行計(jì)算，原則是：兩目標(biāo)同等重要各2分；A比B重要，A給3分B給1分；A比B重要的多，A給4分，B給0分。加權(quán)系數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)式(3)(4)。

(3)

(4)

式中g(shù)i為第i個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)的加權(quán)系數(shù)，ki為第i個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)的總分，n為評(píng)價(jià)目標(biāo)數(shù)，PDC切削齒的總評(píng)分W采用(5)式計(jì)算。

(5)

由此評(píng)價(jià)指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)如表1。PDC切削齒各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)根據(jù)2.1中測(cè)試結(jié)果采用十分制評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)獲得如表2。PDC切削齒總評(píng)分如下表3。

表1 技術(shù)指標(biāo)的權(quán)重表Table 1 Weight table of technical indicators

表2 技術(shù)指標(biāo)評(píng)分表Table 2 The score sheet of technical indexes

表3 指標(biāo)加權(quán)評(píng)分表Table 3 The weightedscore sheet of indexes

表3中的結(jié)果表明，綜合性能較好的PDC切削齒為2#和4#，其總評(píng)分大于8分。其次5#，其總評(píng)分大于7分。最后為1#、3#和6#。因此，在不均質(zhì)、軟硬交替地層中鉆進(jìn)時(shí)，優(yōu)先選用綜合性能好的2#和4#切削齒，制造礦用鉆頭時(shí)，也可將2#和4#用于PDC鉆頭外片。

3 PDC鉆頭現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述PDC切削齒優(yōu)選評(píng)價(jià)方法并指導(dǎo)生產(chǎn)應(yīng)用，采用2#、5#、6#不同分值段的PDC切削齒制作6只Φ113弧角鉆頭并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)為潘二煤礦11123底抽巷進(jìn)行瓦斯抽采鉆孔施工。試驗(yàn)采用西安院ZDY3200S鉆機(jī)，Φ63.5的螺旋鉆桿。鉆孔傾角20°～60°，設(shè)計(jì)孔深40～150m。地層開(kāi)孔段有2m左右灰?guī)r相對(duì)較硬，其余為泥巖砂巖相對(duì)較軟。鉆進(jìn)工藝：P=5～7MPa，N=100～130r/min，靜壓水。

共試驗(yàn)6只鉆頭，分別焊接了2#、5#和6#PDC切削齒。表4為鉆頭的鉆進(jìn)情況表，圖4(a)(b)(c)分別為焊接了2#、5#和6#PDC切削齒的鉆頭鉆進(jìn)后的照片。采用2#PDC切削齒制作的弧角鉆頭累計(jì)進(jìn)尺最大，平均為1992m，鉆頭壽命最長(zhǎng)。圖4(a)中復(fù)合片未出現(xiàn)崩片情況，出現(xiàn)了一定程度的磨損，屬于正常的鉆進(jìn)磨損。對(duì)照上述試驗(yàn)結(jié)果PDC切削齒抗沖擊韌性好，吸收功較大且穩(wěn)定性好，磨耗比值稍低，但總體表現(xiàn)出較好的綜合性能。采用5#PDC切削齒制作的鉆頭累計(jì)進(jìn)尺次之，平均為1470m。圖4(b)中出現(xiàn)了2個(gè)復(fù)合片崩片，導(dǎo)致鉆頭鉆進(jìn)效率降低。對(duì)照上述試驗(yàn)結(jié)果，5#PDC切削齒磨耗比較大，抗沖擊韌性也相對(duì)較高，但存在一定的離散性，綜合性能次之。采用6# PDC切削齒制作的鉆頭累計(jì)進(jìn)尺最低，平均1016m，圖4(c)中復(fù)合片崩刃較多，導(dǎo)致鉆頭鉆進(jìn)效率下降，造成鉆頭提前失效。分析原因主要是其吸收功差異較大，穩(wěn)定性表現(xiàn)一般，綜合性能評(píng)分比前兩種PDC切削齒低。

表4 鉆頭鉆進(jìn)數(shù)據(jù)表Table 4 The drilling data sheet of drill bit

圖4 鉆頭使用后的照片F(xiàn)ig.4 The photos of used drill bits

4 結(jié)語(yǔ)

本文從影響PDC切削齒性能的幾個(gè)主要參數(shù)出發(fā)，通過(guò)試驗(yàn)得出6種PDC切削齒受熱后的磨耗比、磨削時(shí)間、平穩(wěn)性和吸收功。同時(shí)引入評(píng)價(jià)與決策方法，采用判別表計(jì)算法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)賦予不同的權(quán)重，根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，優(yōu)選出綜合性能較好的PDC切削齒，并選用不同分值段的PDC切削齒制作了Φ113弧角鉆頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。總評(píng)分較高的PDC切削齒在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中表現(xiàn)出較好的綜合性能，鉆頭累計(jì)進(jìn)尺大壽命長(zhǎng)且PDC切削齒不容易崩刃。該方法為提高PDC切削齒的選型、鉆頭的生產(chǎn)試制及其在不均質(zhì)地層的應(yīng)用提供了依據(jù)。