地层岩石对钻头磨损机理及研磨性评价标准研究

The method to measure the rock abrasiveness is still no unified so far. In order to understand the mutual abrasion mechanism between rock and drill tools, a complete method for grading the rock abrasion is proposed. Firstly, X-RD test and high-precision micro-CT test are used to test the surface of rock drilled by different drill bits, and by applying the micro hardness tester the micro-hardness of different peak positions on the friction surface of rock is measured. Therefore, the characterization parameters and mathematical description methods for the micro-hardness heterogeneity of the rock surface are obtained. The rock breaking process of drill bits with different types is abstracted into two action modes: rolling and sliding. The surface morphology of drill bit after static press-in, sliding-in drilling and rolling drilling is observed respectively, thereby the mechanism of the particles on rock surface intruded into the drill bit and the wear mechanism of the drill bit are revealed. Then according to the theory of elasticity and contact mechanics, the contact force calculation model for bit invading and cutting rock is established. Combined with the surface micro-hardness heterogeneity of the rock and the bit wear mechanism, the calculation model of bit wear rate based on stratum-bit interaction expressed by parameters such as drilling procedure parameters and rock properties is constructed. The rock property parameters in the calculation model of wear rate are extracted and normalized, and the evaluation index and grading method of rock abrasiveness are put forward. It is of great significance for enriching the theory of tribology and guiding the design and optimization of the bit.

岩石研磨性测定至今还没有统一的方法。为了认清岩石与工具之间的相互磨损机理，提出完善的岩石研磨性分级方法，首先利用X-RD试验和高精显微CT试验测试不同钻头钻进后的岩石表面，再利用显微硬度仪测量岩石摩擦表面不同峰值位置的微观硬度，从而得到岩石表面微观硬度非均质性的表征参数和数学描述方法。将不同类型钻头破岩过程，抽象成滚动和滑动两种作用方式，分别观察钻头静压入、滑动钻进和滚动钻进后的钻头表面形貌，从而揭示岩石表面微观侵入钻头机理和钻头磨损机理。然后根据弹性力学和接触力学理论，建立钻头压入和切削岩石的接触力计算模型，结合岩石的表面微观硬度非均质性和钻头磨损机理构建出由钻进规程参数和岩石性能等参数表达的地层-钻头共同作用的钻头磨损率计算模型。提取磨损率计算模型中的岩石属性参数，并进行归一化，从而提出岩石研磨性评价指标和分级方法。对于丰富摩擦学理论、指导钻头的设计和优选有着重要意义。

岩石的研磨性至今还没有统一的评价方法和分级标准，其评价手段多是基于一些实验数据的曲线拟合及数理统计分析得出的经验模型。在钻头的适应性评价方面也往往忽略了岩石对钻头磨损程度的影响。针对上述问题，以摩擦学原理为基础，深入分析不同类型钻头与地层之间的磨损机理，建立岩石研磨性的评价指标和分级方法。根据岩石和钻头表面的形貌特征建立了表面粗糙度的分形表征方法，结合磨损后的钻头表面形貌和能谱分析结果，确定了PDC钻头复合片、牙轮钻头牙齿和钻头保径齿的磨损机理。根据牙轮钻头和PDC钻头各自的破岩特点，分别建立单齿压入岩石和单个切削齿切削岩石的接触力模型，结合岩石的破碎条件推导出地层对钻头牙齿及保径的反作用力。然后将地层-钻头两体摩擦副的表面接触形貌和受力情况相结合得到了二者的真实接触面积计算模型，根据PDC钻头滑动摩擦和牙轮钻头滚动摩擦的特征分别计算了滑动和滚动条件下的摩擦系数。由于钻头与岩石之间的滑动摩擦会产生大量的热，根据摩擦表面接触面积公式结合热传导理论揭示了滑动摩擦条件下的地层-钻头温升过程及温度分布情况，得到了在一定温度范围内地层与钻头之间的真实接触面积变化情况。应用能量守恒定律分析了钻井液循环的实际传热过程，得到了钻井液冷却条件下的井底温度场。然后根据钻头的磨损机理分析了不同磨损形式下磨损率的影响因素，结合井底的实际摩擦力及温度场分布情况建立了钻头磨损方程。以钻头的磨损量为评价指标，对影响钻头磨损的各岩石属性进行数值分析，得到了岩石对钻头磨损的主控因素。研究表明，岩石各因素影响钻头磨损的主次顺序为：石英含量>内摩擦角>表面分形维数>内聚力>弹性模量>泊松比。最后将钻头磨损方程中的钻头相关参数和工况参数进行标准化处理，建立了滑动条件和滚动条件下的岩石研磨性评价指标，根据不同岩性的计算结果给出了岩石研磨性的分级标准。该方法具有很好的适用性，对于丰富摩擦学理论、指导钻头的设计和优选有着重要意义。