石灰?guī)r地層PDC鉆頭仿生PDC齒工作角優(yōu)化試驗(yàn)研究

高 科，孫 陽，劉 婧，孫友宏，張緒良，李 夢(mèng)

(1．吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130026;2．威海市水利巖土工程有限公司，山東威海264200)

0 引言

PDC鉆頭適用于軟到中硬巖石地層的鉆探，具有碎巖效率高、使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性較好、單位進(jìn)尺成本低等優(yōu)點(diǎn)，顯示出良好的破巖性能和可觀的綜合經(jīng)濟(jì)效益，從20世紀(jì)70年代以來，隨著技術(shù)的不斷提升，PDC鉆頭已被廣泛應(yīng)用于石油、地質(zhì)勘探等鉆探領(lǐng)域［1－3］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年全球鉆頭消耗量65%左右為PDC鉆頭。但PDC鉆頭切削齒抗沖擊性能較差，在鉆進(jìn)不同地層時(shí)，其鉆進(jìn)速率、鉆頭壽命均不同，如鉆遇堅(jiān)硬地層時(shí)，如果鉆頭PDC齒后傾角過小，PDC齒受到巖石正面沖擊力過大，極易導(dǎo)致PDC齒的斷裂、崩落而失效。另外在鉆進(jìn)軟巖地層時(shí)，如果鉆頭上PDC齒側(cè)轉(zhuǎn)角選擇不合理，會(huì)導(dǎo)致孔底巖屑不能及時(shí)排離孔底，鉆頭重復(fù)破巖，碎巖速率降低，影響鉆進(jìn)速度。因此，合理地選擇鉆頭PDC切削齒的工作角，對(duì)提高PDC鉆頭碎巖效率和使用壽命有著重大意義。

本文首先分析了PDC齒工作角(后傾角與側(cè)轉(zhuǎn)角)在鉆進(jìn)過程中的作用，并在課題組對(duì)仿生PDC齒及其鉆頭研究基礎(chǔ)上［4－7］，針對(duì)石灰?guī)r地層，通過微鉆試驗(yàn)優(yōu)化鉆頭上仿生PDC齒的工作角(包括后傾角和側(cè)轉(zhuǎn)角)，提高鉆頭的使用壽命和碎巖效率，改善鉆頭的排屑效果。

1 PDC齒工作角

PDC齒工作角的主要參數(shù)包括后傾角α和側(cè)轉(zhuǎn)角β，如圖1所示。

1．1 后傾角

圖1 PDC齒的工作角示意圖

后傾角在PDC齒工作過程中主要起到減少PDC齒的工作震動(dòng)和延長(zhǎng)PDC齒使用壽命的作用。理論上，不考慮PDC齒的本身性能因素，繞鉆頭中心軸回轉(zhuǎn)時(shí)，在相同鉆壓條件下，PDC齒后傾角越小，吃入地層越容易［8］，巖石體積破碎程度大，鉆進(jìn)速度越高，單位體積巖石破碎功越小，越耐磨。但實(shí)際上，對(duì)特定物理力學(xué)性能參數(shù)的PDC齒而言，后傾角越小，受到來自巖石表面的振動(dòng)越大，越容易提前達(dá)到其疲勞破壞強(qiáng)度，失效越快。一般而言，隨著切削巖石硬度、強(qiáng)度和脆性的不斷增大，后傾角也應(yīng)隨之逐漸增大。針對(duì)不同力學(xué)性能的巖石，PDC齒都有一個(gè)最佳的后傾角與之對(duì)應(yīng)。然而，對(duì)于常規(guī)柱形PDC齒而言，后傾角太大或太小都將增加齒與巖石的接觸面積，壓強(qiáng)減小，對(duì)巖石的攻擊力會(huì)下降。在忽略一些次要因素后，單個(gè)PDC齒的受力示意圖如圖2所示，其中F1是通過鉆頭體作用在PDC齒上軸向載荷;F2是水平載荷;FN是巖石對(duì)PDC齒的反作用力;d為切削齒切入巖石深度;PN是水平方向上巖石對(duì)PDC齒的反作用力;Fs是PDC齒與巖石在水平方向上的摩擦力;A為PDC齒與巖石接觸面積;s為PDC齒的水平切削位移;α是PDC齒后傾角，θ是PDC齒切削角，很明顯α=θ。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)李田軍等對(duì)斜鑲圓柱體PDC斜向壓入巖石受力分析進(jìn)行過深入研究，得出 FN、PN、Fs的計(jì)算方法如下［9］:

圖2 PDC齒的受力示意圖

式中:E*——PDC齒彈性模量;v——PDC齒泊松比。

在式(5)和式(6)中，面積A主要跟壓入深度、切入角和圓柱半徑有關(guān)。

根據(jù)公式(6)和(7)可知，F(xiàn)1和F2的大小除了與巖石的彈性性能有關(guān)外，還與PDC齒的尺寸、切入深度d、切削角度θ以及所產(chǎn)生的水平切削位移s有關(guān)。

假設(shè)巖石為均質(zhì)的，并且PDC齒的形狀和尺寸及PDC齒與巖石之間的水平向摩擦系數(shù)是恒定的，即:E*為常數(shù)，R=6．75 mm，f=0．25，并假定切入的深度d=0．5 mm是一個(gè)固定的值，那么由上述關(guān)系式可以得出其軸向力與后傾角(切削角)的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 軸向力與切入角的關(guān)系趨勢(shì)示意圖

從圖3可以看出，在理論上(不考慮巖石本身物理性質(zhì))，當(dāng)PDC齒切入的角度越大，PDC切削齒吃入巖石所需要的軸向力越小，當(dāng)切入角度＞15°時(shí)，PDC齒切入巖石的軸向力減小幅度變小，最后趨于水平。考慮到實(shí)際鉆進(jìn)過程，當(dāng)切入角過大，PDC齒切入巖石所需要的功率雖然有所減小，但鉆頭鉆進(jìn)速度也相應(yīng)減慢，而且容易造成排屑不暢的問題，此結(jié)果與文獻(xiàn)［10］所述部分觀點(diǎn)相吻合。因此合理的選擇PDC齒切入角度(即PDC齒后傾角)對(duì)鉆頭鉆進(jìn)速度及功率消耗有著重大意義。

1．2 側(cè)轉(zhuǎn)角

在PDC切削齒工作過程中，側(cè)轉(zhuǎn)角主要是對(duì)齒前產(chǎn)生側(cè)向推力，這樣有利于提高切削齒的排屑能力，進(jìn)而防止泥包現(xiàn)象的發(fā)生。一般來說，PDC切削齒的側(cè)轉(zhuǎn)角控制在0°～15°。目前PDC切削齒一般取零。

2 仿生PDC微鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備

2．1 仿生齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用仿生耦合設(shè)計(jì)思想，采用相似原理，分析貝殼體表(圖4)波紋型非光滑特性，研制了仿生PDC齒(圖5)，劉婧等對(duì)具有該仿生結(jié)構(gòu)的PDC齒進(jìn)行相關(guān)的防粘試驗(yàn)［11］及野外鉆進(jìn)試驗(yàn)［12］，試驗(yàn)結(jié)果證明該結(jié)構(gòu)的PDC齒比普通PDC齒具有良好防粘、減阻特性和較佳的碎巖效率。

2．2 仿生PDC齒鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

據(jù)上述PDC切削齒的工作角度和石灰?guī)r的巖性，制定試驗(yàn)方案:采用15°和20°兩種后傾角以及0°和5°兩種側(cè)轉(zhuǎn)角組合，設(shè)計(jì)4種不同工作參數(shù)的PDC微型鉆頭(見圖6)。目的在于通過測(cè)試4種不同工作參數(shù)的PDC切削齒鉆頭的鉆進(jìn)情況，尋找在鉆進(jìn)某種巖層時(shí)仿生PDC切削齒工作的最佳參數(shù)組合。

圖6 微鉆鉆頭設(shè)計(jì)圖

2．3 微型鉆頭的制備

根據(jù)上述設(shè)計(jì)圖紙輸出的工程圖，加工制備仿生PDC齒微鉆頭，采用的PDC尺寸為13．33 mm，鉆頭實(shí)物見圖7。

圖7 仿生非光滑PDC切削齒鉆頭

3 鉆進(jìn)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

3．1 鉆進(jìn)參數(shù)和巖石的選擇

本試驗(yàn)使用的是液壓微鉆實(shí)驗(yàn)臺(tái)(見圖8)，鉆進(jìn)巖石是石灰?guī)r(見圖9)，可鉆性級(jí)別約為6級(jí)。鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)為:鉆壓4600 N，轉(zhuǎn)速180 r/min，泵量30 L/min。

3．2 鉆進(jìn)結(jié)果分析

對(duì)4只鉆頭進(jìn)行2組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)多次重復(fù)測(cè)試并分別取每組試驗(yàn)機(jī)械鉆速的平均值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，曲線圖如圖10所示。

表1 機(jī)械鉆速試驗(yàn)數(shù)據(jù) mm/s

圖10 機(jī)械鉆速曲線圖

從上述機(jī)械鉆速曲線圖可以看出:(1)針對(duì)石灰?guī)r，仿生PDC切削齒的后傾角α變化對(duì)其機(jī)械鉆速的提高有明顯的影響，最佳的后傾角角度為20°;(2)在后傾角角度為20°前提下，側(cè)轉(zhuǎn)角對(duì)仿生PDC切削齒切削巖石效率的影響不明顯。

4 結(jié)論

從仿生耦合理論出發(fā)，根據(jù)貝殼的體表特征研制仿生PDC齒，從力學(xué)角度對(duì)PDC齒受力進(jìn)行計(jì)算，為仿生PDC微鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

進(jìn)行了仿生PDC微鉆頭在石灰?guī)r地層的鉆進(jìn)切削試驗(yàn)，結(jié)果表明:仿生PDC齒在鉆進(jìn)石灰?guī)r地層是后傾角對(duì)其機(jī)械鉆速有明顯的影響，最佳的后傾角角度為20°，側(cè)轉(zhuǎn)角對(duì)鉆進(jìn)效率影響不明顯。以上結(jié)果可以為石灰?guī)r地層用PDC鉆頭的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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