PDC钻头刀具与岩石间的滑动摩擦试验研究

1、英语专业课外文翻译专业： 机械制造及自动化学号： 130220007姓名： 蔡攀攀成绩：导师签名:PDG占头刀具与岩石间的滑动摩擦实验 研究E.KURU? andA.K.WOJTANOWICZ2Middle East Technical University, Turkey.2 Department of Petroleum Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803-6417, U.S.A1 .引言由拖刀组成的 PDC刀具钻削石盘时在刀具 /岩石界面产生摩擦力和热的是有据可查 1,2。实验室试验3和仿真研究表明

2、4:摩擦引起发热率超过钻井液冷却刀具的速度，这 热量大大地降低了钻头的使用寿命。钻孔液快速地流到刀具上，并降低刀具温度：（1）提供对流冷却（2）在岩石/磨平处间添加润滑；（3）除石屑和能降低钻削效率的障碍。通过实验室试验和现场的经验，设计师强化了 PDC刀具的对流冷却，进一步的改进降温的作用可能小，因为两个物理限制。第一， 高泥流流动速度阻碍加工高效，因为它能造成不可接受的钻孔流体侵蚀。第二，对流冷却的限制。如果刀具的升温速度大于冷却速度，那么刀具的温度就不能通过增加冷却液的速度来降低。例如，在碳化鸨硬质合金的摩擦水平实验中就不能使热量从摩擦面快速散去来控制刀 具温度。在钻头上施加一个更大的竖

3、直方向的力，或者给钻头一个较大的旋转速度。这通常是钻削硬质岩石时所需的。增加钻削液的流动速度不能很好地改善对流冷却的原因是PDC层热阻限制热传导4。控制PDC刀具温度的一个可选择性方法是通过减少在刀具和岩石内层的摩擦来减少摩 擦热。金属切削实验5表明：当冷却液通过刀具表面时需要更高的摩擦力才能产生可见热 点。刀具磨损，切削速度，和钻头与岩石磨擦面的摩擦系数等是控制摩擦热的大小的主要因 素。PDC刀具切削机理已经通过单一刀具实验6-9、全尺寸刀具7, 10, 11实验室实验和全尺寸刀具现场实验12-14进行研究。基于广泛的实验室和现场数据，提出了几个模型，这几个模型可以预测 PDC钻头磨损性能1

4、5, 16。Glowka15测量阻力并做了关于阻力系数的值报告。他认为阻力等于切削力和摩擦力的 总和。后来他得出减少摩擦力可以导致阻力系数减少。阻力和渗透力之间的关系跟切削深度没有关系。这表明钻头表面的摩擦系数是恒定不变的。Detournay和Defourny16建立了一个对PDC钻井的行动模式位的现象学模型。 他们通 过使用Glowka的实验数据15验证他们的模型得出来实验室数据，估算的摩擦系数比其他 基于不同岩石种类实验7的报道的都高。他们还说刀具下面的接触摩擦角是等于岩石内部 摩擦角16。他们推测摩擦系数近似等于阻力系数，这一观点有他们估计的阻力系数与 Glowka测量15的阻力系数相比

5、得到验证。至于数据，Hibbs和Sogoian7已经提出一组关于测量滑动摩擦系数的可利用的数据。 他们用一个1.372米长的立式转机床。 在他们实验中，在岩石表面重复滑动的 PDC刀具上的 力被测量。然而，这样的安排不能模拟刀具的切削行为。事实上，PDC刀具的切削行为包括首先切削岩石表面，然后在磨削面上滑动。在 Hibbs实验中， 推力提供连续的进给，法向 力间接地产生向下的位移，刀具切入岩石并不是只在岩石的表面滑动。因此，测量这些切向力等于切割力和摩擦力之和。最后，我的对不同润滑剂对刀具的摩擦影响调查，摩擦系数不是决定性的。尽管摩擦对刀具磨损率的影响有据可查1, 2,但通过采用不同钻削液和添

6、加剂来减少摩擦的数据是不够的。因此，我们要测量摩擦系数的实验因素和研究各种因素对摩擦系数的 影响，例如法向力，滑动速度，钻井液的类型和不同滑动摩擦系数的岩石类型。2 .实验设计这个实验机构的设计是为了测量PDC刀具与岩石表面之间的磨擦系数。用一个单一的刀具钻孔过程中，这个设计能够物理分离两个固有现象：（1）新切出的岩石表面瞬时曝光；（2）在新切出的岩石表面滑动行为。这样的设计可以直接测量的摩擦力且不受切削力的影响。图1表不' 一"般的实验。Fig I Gerrji! vieof*Fig 2 PfircTpfe of EeauircFexK culfer tock i-ichn

7、n摩擦实验表明物理原理如图2所示。安装在自由悬浮试验架顶的气缸活塞上把两个PDC刀具推向一个岩石旋转盘两侧。换句话说，岩石旋转盘是“挤”在两刀具之间。由于刀具与 岩石之间的摩擦力，岩石转盘带动测试框架向下运动。安装在框架上的应变计用来衡量切向力的大小，同时，刀具的法向载荷等于作用于活塞力上的力。摩擦系数等于切向力与的法向载荷的比值。关于实验具体步骤在其他地方说明17。校准后，据估计，整体摩擦系数的计算精度为11%在实验中，一个厚 0.089米，直径0.267米的岩石转盘由一个 3相直流电机的由水平轴带动在垂直于水平的平面内旋转。圆盘前面的部分被“挤”两个圆柱PDC刀具之间。每次都以宽1.344

8、 X10-2m,深0.08米的进给。 后部有两个钢刷不停地清理转盘。由一个闭式液压系统离心泵提供循环连续的钻孔液冲刷岩石通红的两侧。3 .结果通过使用四种岩石研究岩石的岩性和摩擦系数之间的关系：贝雷砂岩，曼柯斯页岩，金矿砂岩和塞拉利昂白花岗岩。 表1给出这些岩石的单轴抗压强度。在这些实验中，三种钻孔液：水，水基钻孔液和油基钻孔液转化柴油中的盐的水乳液与钻削屑形成泥浆。从钻孔收集的泥浆保证了实际化学，固体成分的影响热老化。钻井泥浆的性能在表 2中给出了，实验结 果总结表3给出了。Tible i. Rock Mmpt吗 testedRock typeBulk(kfi/m1)P«trosi

9、l>Fermeabi ity (rnJ)Umaxi-al connprgeivp strcngtli (kPa)Berea sandstone21 DO34洱瑜5NumxM sandtirtne琢口JOIS 区,579Mancos shale:2540他(79Sierra-White gunite250V I14.432Title 2 PropertiH of dHIJng fliidi 解MDnlli呻 MidDnilingProperttWBM*OBM；PropertyWBMf08M；Dtnniy14381班Chlorides ppm)5 J00aowixipHq机§Cat

10、： on evhanef apicii)necu； 10m：l20jolids12MAPI fill radon10515(% by证糖M(10 '啪1频嘲High-gravity solids1110Vi明式的旧洌)0.032。蜘. by wigni)fklby vobim?)0力Yield point (ft)7.76.7Water (% by volunr)n27Gd 中 rrn罩 h Id sec 10 nunt.9.5.1144P& PnfWBM = w&tcn based mitd tOBM = g l-bisid lUid胃金匕泊 3. Summary i

11、ncastired value厚口F fHclion tuefficien lsFriction胸 Ft一 I J% 1>ftock l,peFluid typex l-D JEtefcu mncihl071cWdiciWat er-based mudKEOiL based mu*d7$Nuagel sandAtDneWater-based mud6COiJbasd mudKUAir1 10Man.uoh bihalrWaicr-bBifci mihd必Oil-bused mud睛Saerra-White raniteWatcr-l>aied mitd68Oil-based mud

12、了 3Wawr basciJ mudbJwith lubricantArt20贝雷砂岩和水的实验用贝雷砂岩和水做了了 24个初步的实验研究，进一步的开发一个可靠的试验方法。由 于这种砂岩与水接触强度会迅速下降。为了防止刀具从潮湿的岩石的表面造成隆脊，小于其临界抗压强度变得非常关键。因此，当岩石吸收更多水，刀具的法向载荷必须从 450牛顿降低到10牛顿。同时，刀具在岩石的接触表面小心的对准对获得平稳运行是至关重要的。以 0.3352米/秒恒定的滑动速度滑动，平均摩擦系数为0.082.最初是用氧化铝研磨轮做的实验。但是实验中氧化铝研磨轮表面被抛光，而不是切削。 因此，后来的实验用贯穿在岩表面的钢刷

13、清理转盘表面。即使不能有效的刷洗研磨岩石，他们有效地清除的刀具和沉积在转盘上表面产生的岩屑。除了不断的对岩石表面进行刷洗，还要在每次运行之前进一步的修复PDC刀具。初步试验的第二个目的是找出滑动速度对摩擦系数的影响。进行了十三个实验。 在每一种情况下，该实验以最低的滑动速度 0.3352米/秒开始，并逐渐增加至最高速度 1.74米/ 秒。如图3所示，当的滑动速度增加的同时摩擦系数减小。贝雷砂岩和水基泥浆的实验使用贝雷砂岩和水基泥浆进行20多次测试。在这些实验钻头平稳运行是不可能的。一个相对高的孔隙度和粘土含量的贝雷砂岩通过分散泥的侵袭增强岩石孔隙度。这种入侵造成粘着力减少。当刀具与岩石之间的滑

14、动摩擦力超过了内摩擦力时，岩石颗粒从表面被除去， 脊的形成。除了所有实验中的五个实验，只要刀具推向那块石头，就可以观察到犁沟形成这一现象。这些实验平均摩擦系数为0.081。贝雷砂岩和油基泥的实验贝雷砂岩用水基和油基泥浆作实验时观察了相似的行为。采用油基泥浆入侵毛孔导致岩石的软化刀具起垄。刀具起垄使实验无法进行，因为测量的切向力不代表滑动摩擦，而是代表的软化岩石内部的剪切。只有四个实验，以0.3352m/s的滑动速度的实验提供可靠的结果。 平均摩擦系数为0.075。金矿砂岩和水基泥浆的实验贝雷砂岩的实验清楚地表明精确测量摩擦力需要一个更加巩固的、强大的和不太多孔岩石样品。因此金矿砂岩被接下一系列

15、的实验选定。采用水基泥浆进行了十个试验。所有试验钻头运转都流畅，毫不困难的记录了滑动摩擦力。刀具起垄的影响非常小，钢刷有效的清洗新的岩石表面。所有的测试都是以0.3352m/s滑动速度进行。平均摩擦系数为0.066。金矿砂岩和油基泥浆的实验以0.3352m/s的滑动速度做10个实验。所有的实验运转平稳，准确测量摩擦力，平均 摩擦系数为0.08。此外，进行了滑动速度对摩擦力的影响研究。摩擦系数从 0.3352m/s时 的0.085下降到1.74m/s时的0.074 ,如图3所示。曼柯斯页岩和水基泥浆的实验以0.3352m/s的滑动速度进行8个实验。用曼柯斯页岩做实验主要问题是每个转动的岩石必须重

16、新定表面。 当刀具暴露在泥里曼柯斯页岩粘在金属表面的趋势更明显的。因此，刀具、钢刷的每个实验过程的排水时间需要缩短到最低限度。在实验中也显现出曼柯斯页岩的另一个特性：当刀具的磨削岩石表面时岩石表面剥落磨屑，使岩石表面变得不规则的，记录摩擦力变得更困难。因为这种特性，在这 8组实验后石盘将废弃不能使用。对于这些实3摩擦系数的平均值为0.084。«, I*djw- NufgH Kan<lEl«HW-Oii-Ba»e Mtod- Berea iiindMAM-Wvter* Slert Whii Vrmi后5l-BMuri。* I i ,，-1Ls >L0rs

17、SLIDING 5：TED,向5F哈一 3. FfTt-cl of JdiTiE speed on叫而cient of Irictian For variousrock$.曼柯斯页岩和水基泥浆的实验以0.3352m/s的滑动速度进行8个实验。用曼柯斯页岩做实验主要问题是每个转动的岩石必须重新定表面。 当刀具暴露在泥里曼柯斯页岩粘在金属表面的趋势更明显的。因此，刀具、钢刷的每个实验过程的排水时间需要缩短到最低限度。在实验中也显现出曼柯斯页岩的另一个特性：当刀具的磨削岩石表面时岩石表面剥落磨屑，使岩石表面变得不规则的，记录摩擦力变得更困难。因为这种特性，在这 8组实验后石盘将废弃不能使用。对于这些

18、实3摩擦系数的平均值为0.084。曼柯斯页岩和油基泥浆的实验对于这个较小拓展实验， 在曼柯斯页岩和油基泥浆的实验中刀具， 钢刷也发生上个实验 类似的情况。摩擦力难以测量，因为大块岩石碎片脱落使得岩石表面凹凸不平。 10个实验 的平均摩擦系数为 0.088 。塞拉利昂白花岗岩和水基泥浆的实验塞拉利昂白花岗岩比金矿砂岩更加质密、更加坚硬。以 0.3352m/s的滑动速度做10个 实验。所有的实验都运转平稳，测试摩擦力都没有困难。平均摩擦系数为0.068。刀具没有产生任何大的碎片而且清洁能够非常有效的刷清洁岩石，泥浆流。用于商业中的水基泥浆润滑剂减少钻孔摩擦做了另外的五个实验。润滑油是植物油与自然发

19、生的甘油酯混合而成。这些测13t中使用了最大推荐量一一3%勺体积。平均摩擦系数为0.063，比没有润滑油环境的平均摩擦系数低了10%。塞拉利昂白花岗岩和油基泥的实验用塞拉利昂白花岗岩和油基泥浆做的10个实验中，运转平稳，滑动摩擦力测量精确，平均摩擦系数为0.073。实验又说明了滑动速度对摩擦力的影响。结果如图3显示，当滑动速度的增加摩擦系数保持不变。干摩擦试验用塞拉利昂白花岗岩，以空气为介质，0.3352m/s的滑动速度做了 5个实验。所有实验运转平稳，测定摩擦力时刀具没有任何大的振动或损坏的现象。平均干摩擦系数为0.12 ,比湿摩擦高出50%用金矿砂岩和相同滑动速度再做五个干摩擦实验。在岩石

20、表面可以看到轻微磨损，平 均值摩擦系数为0.11。4 .讨论在这个新的实验中， 摩擦力的测量结果有很好的离散，用气缸提供正向力。 在塞拉利昂白花岗岩的实验中，滑动平稳，刀具的摩擦角很小。细粒度质密岩石在很小振动时能够确保 滑动平稳，且不在岩石表面上发生剪切作用。贝雷砂岩晶粒粗大、剪切强度较低。在实验中可以看到严重的表面的磨损和振动。当作用在刀具上的力增加时就会导致振动的加剧。在塞拉利昂白花岗岩的实验中就不会看到这种现象。其中刀具的正应力低于岩石抗压强度。这个观察结果与现有摩擦理论是一致的14,15。图4-8表示测量的法向力、 摩擦力大小的点。倾斜直线的斜率等于摩擦系数。 考虑到由 实验误差造成

21、的数据的离散。我们认为摩擦系数符合 Amonton摩擦理论，而且与法向载荷无 关。塞拉利昂白花岗岩和油基泥浆实验中，当滑动速度增加时摩擦系数保持不变。除塞拉利昂白花岗岩实验外，摩擦系数随着滑动速度的增加而减小（图 3）。这一现象与现有摩擦理 论一致。MOftMAL POKE.9 4. fttJtCfl %r，cct Wirfi； Mid ItlOiOD fbrctJ for Bud 国mi- nont uid u»itr./ »«WtMJlLFWCt,« IF ri| Jbfiwttn nomtl *Z rwtrfra fn» Rm hiiQC

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23、RH#gn WE al and -nctHin farrct frr dry hur：Kin cb该理论认为，当摩擦现有的摩擦理论基于粘着滑动现象阐述了滑动速度对摩擦的影响。运动平稳时，随着滑动速度的增加摩擦系数有小的变化。然而，摩擦运动不稳定时，由粘着作用引起的摩擦力随着滑动速度的增加而迅速下降，但是对滑动摩擦影响非常小。因此，随着速度的增加，通过相应的减小滑动速度幅值的大小来测量滑动摩擦力的平均值。在砂岩的软表面和页岩的粘软表面上会产生粘滑运动。另一方面，细粒度和坚硬的花岗岩表面提高了刀具的连续运动。因此，在塞拉利昂白花岗岩的实验中摩擦力保持恒定。实验结果还表明：在使用不同类型的岩石和润滑

24、油时摩擦系数没有明显的变化。然而， 湿摩擦系数几乎为干摩擦系数的一半。摩擦系数对润滑液的类型的不敏感性可以通过分析PDC刀具在工作时的润滑机理来解释。在钻孔过程中存在边界润滑。在边界润滑，润滑剂的流变性能对切削不重要的，因此， 水基泥浆、油基泥浆和水之间的流变差异对摩擦力测量没有 影响。另外，边界润滑的主要作用是在两运动表面之间形成的一层膜减少固体/固体界面的直接磨损作用。由长链分子构成的膜提供了以下属性：在分子链的强大的吸引力抗表面粗糙的渗透；抗剪强度低；局熔点；最后一个情况在这些实验中并没有涉及到，尽管润滑剂的固相高熔点对要求较高温度的钻孔域是有利的。可能前两个条件可以解释这种情况。因为测

25、试液体似乎并没有表现出在抗剪强度、分子的大小、分子力之间的任何重大差异， 只是仅仅说明边界润滑的作用是一样的。 因此，在使用这些不同类型的流体的实验中，摩擦系数表现出轻微的变化。进一步的化学分析这个现象的验证是又必要的。由于岩石表面的滑动摩擦和岩石基质的内部摩擦之间的相互作用，重要的现象可以看 到。因为贝雷砂岩可以被液体软化，刀具的滑动运动产生的剪切应力等于岩石层剪切强度。因此，观察到的岩石颗粒从岩石的表面去除代替刀具在岩石的表面上纯滑动。贝雷砂岩的计算摩擦系数等于软化岩石层的内摩擦角。在塞拉利昂白花岗岩实验中，岩石表面保持不被破坏，因此这表明接触面的摩擦比岩石的内摩擦低。摩擦系数对岩石的类型

26、不敏感表明， 对这些试验中使用的大多数岩石来说， 测得的摩擦 力不代表岩石和 PDC刀具之间的纯滑动作用。 然而，测量的切向力具有两个影响： 松软岩石 内晶粒间的摩擦； 岩石和PDC刀具之间的摩擦力。在岩石类型的实验中，这两个力的合力是相同的。松软岩石的滑动摩擦系统通过调整相对运动降低摩擦力和在硬质的岩石和金属的 实验中测试摩擦系数的结果接近。5 .结论和建议构造的这个中型实验设备能够成功的测量岩石表面与PDC刀具之间的滑动摩擦，结果表明：测量摩擦系数是依据法向力，因此满足Amoncon摩擦理论。当滑动速度增加时，摩擦系数减小或者恒定，滑动速度对质密的岩石来的影响不是很明显。基于不同岩石类型与

27、润滑液的一系列的实验中，岩石类型、润滑液的种类对摩擦系数影响不大，然而干摩擦系数比湿润摩擦高50%-100%岩石与钻孔液之间的反应和滑动速度决定摩擦机理，但对摩擦系数有很少的影响， 相对位移和速度是影响摩擦产热和热交换的主要因素。为了提供更好的重修机制，还需要进一步改进机构结构，这个机构通过用其他的 PDC刀具代替钢刷或研磨工具可以被完成。流体的饱和对岩石切削的摩擦系数的影响仍需进一步研究才能说明。6 .致谢非常感谢土耳其的教育部和路易斯安那州立大学石油工程系的经济支持（LSU）。以及Marty White, Bob Walen, Keith Reckling and Del Leggatt在

28、实验材料的供应。特别感谢路易斯安那州立大学的同事 Raymond Gostkowski, Allen Kelly和已故的John Vincent在本研究的不同阶段给予援助，我们也感激两位匿名评审人对他们的援助参考文献1 .Ortega A. and Glowka D. A. Studies of the frictional heating of polycrystalline diamond compact drag tools during rock cutting. Sandia National Laboratories, Rept. SAND80-2677 (June 1982).2

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33、formation twin bands in the wear process of polycrystalline diamond tools. In Wear of Materials (Edited by Ludema K. C., Glaeser W. A. and Rhee S. K.) pp, 485,91. Am. Soc. Mech. Engng (1979>10 .Lee M. and Hibbs L. E., Jr. Role of deformation twin bands in the wear process of polycrystalline diamo

34、nd tools. In Wear of Materials (Edited by Ludema K. C., Glaeser W. A. and Rhee S. K.) pp, 485,91. Am. Soc. Mech. Engng (1979).11 .Hoover E. R. and Middleton J. N. Laboratory evaluation of PDC drill bits under high-speed and high-wear conditions. J. Petrol Technol, pp. 2316-2321 (1987).12 .Cheatham C. A. and Loeb D. A. Effects of field wear on PDC bit performance. Paper SPE/IADC 13464, Proc. 1985 SPE/IADC Drilling Conf., New Orleans, La (6-8 March, 1985).13 .Cheatham C. A. and Loeb D. A. Effects of field wear on PDC bit performan