錐形P D C齒的研制及室內(nèi)試驗(yàn)評價(jià)

楊順輝（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

錐形P D C齒的研制及室內(nèi)試驗(yàn)評價(jià)

楊順輝
（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）①

為了提高PDC鉆頭的破巖效率和鉆頭壽命，研制了一種與常規(guī)PDC復(fù)合片不同的錐形PDC齒。設(shè)計(jì)并加工了5種不同齒形的錐形PD C齒，在試驗(yàn)室進(jìn)行了耐磨性、抗沖擊性和破巖試驗(yàn)。分析了錐形PDC齒的磨損形式和沖擊損壞形式，并與常規(guī)PDC切削齒的耐磨性及抗沖擊性進(jìn)行了對比，探討了錐頂直徑和切削角對錐形PD C齒的耐磨性和抗沖擊性的影響規(guī)律；分析了錐形PDC齒的錐頂直徑、切削角、切削深度等參數(shù)對錐形PDC齒受力的影響規(guī)律，并與常規(guī)PDC齒的受力進(jìn)行了對比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：在相同吃入深度下，錐形PD C齒的綜合受力普遍低于常規(guī)P D C齒，在硬巖中可以獲得更高的破巖效率。這些室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為錐形PDC齒結(jié)構(gòu)改進(jìn)和新型PDC鉆頭設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

PDC鉆頭；錐形PDC齒；花崗巖；機(jī)械鉆速

PDC鉆頭由于沒有運(yùn)動(dòng)部件，具有故障率低、破巖效率高、使用壽命長的特點(diǎn)，目前在石油鉆井中得到了廣泛的應(yīng)用。但在強(qiáng)研磨硬性地層中，因沖擊和熱磨損而導(dǎo)致PDC鉆頭的壽命短、機(jī)械鉆速低。為了提高P D C鉆頭在硬地層中的破巖效率，國內(nèi)外科研院所和鉆頭廠家從鉆頭齒型設(shè)計(jì)、布齒結(jié)構(gòu)、復(fù)合片加工、鉆頭制造進(jìn)行了各種各樣的改進(jìn)［1 13］。2010年，美國Novatek International公司的Hall，Durrand等人發(fā)明了一種錐形PDC齒（U S20100071964），并試制出以前傾角切削巖石的新型PD C鉆頭。在試驗(yàn)室內(nèi)鉆進(jìn)Sierro花崗巖等硬巖石，鉆進(jìn)速度高達(dá)21．33m／h［14 15］。新型PD C切削齒的研制成功為提高硬地層的鉆井速度提供了一種新的思路。目前國內(nèi)對這種錐形PDC齒的性能和破巖機(jī)理的研究還處于起步階段。本文設(shè)計(jì)并制造了一系列錐形PD C齒，并在試驗(yàn)室進(jìn)行了磨損試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和破巖試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為錐形PDC齒結(jié)構(gòu)改進(jìn)和新型PDC鉆頭設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 錐形PDC齒設(shè)計(jì)與試制

為深入研究錐形PD C齒的齒形尺寸對破巖效率和耐磨性及抗沖擊性的影響規(guī)律，進(jìn)一步優(yōu)化錐形PD C齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)并試制了5種具有不同錐頂直徑的錐形PDC齒。錐形PDC齒的結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

圖1 錐形PDC齒結(jié)構(gòu)

表1 錐形PDC齒結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 耐磨性試驗(yàn)

2．1 試驗(yàn)原理與方法

耐磨性試驗(yàn)在立式車床上進(jìn)行，如圖2所示。試驗(yàn)巖樣為桂林紅花崗巖，其莫氏硬度為7級，與石英硬度相當(dāng)。試驗(yàn)參數(shù)如下：固定吃深1．5mm；旋轉(zhuǎn)切削速度0．591 m／s；刀架橫向進(jìn)給速度0．533m m／s；切削總路程3 117m。

圖2 磨損試驗(yàn)示意

2．2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．2．1 錐頂直徑對磨損速度的影響

保持正切削角17°不變，錐頂直徑分別為2．0、2．5、3．0、3．5和4．0 m m的錐形PD C齒各進(jìn)行一次磨損試驗(yàn)，測量每個(gè)齒的磨損高度，試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 5種不同錐頂直徑齒的磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可知：隨著錐頂直徑的增大，磨損速率呈降低的趨勢。錐頂直徑為2．0 m m時(shí)，磨損速率最快；錐頂直徑大于2．5 m m后，磨損速率雖然隨錐頂直徑增大呈降低趨勢，但降低幅度不大。

與?16 m m復(fù)合片相比，首次試制的錐形P D C齒耐磨性偏低。因此，下一步需要進(jìn)一步改進(jìn)據(jù)晶金剛石層的材料配方，優(yōu)化合成工藝參數(shù)，提高聚晶金剛石層的耐磨性。

2．2．2 切削角對磨損速度的影響

用錐頂直徑為2．0 m m的錐形P D C齒，分別以5°、9°、13°、17°、和21°的切削角進(jìn)行磨損試驗(yàn)，測量每種切削角度下齒的磨損高度，試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 錐頂直徑2．0 m m齒在5種不同切削角度下的磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3可以看出：切削角對磨損速率的影響沒有明顯的規(guī)律，也就是切削角對磨損速率的影響不太顯著。

從磨損后的錐形P D C齒可以看出，錐形P D C齒的主要磨損形式為正常的研磨性磨損，沒有碎裂、折斷等現(xiàn)象，其磨損速度取決于聚晶金剛石層的耐磨性。因此，提高聚晶金剛石層的耐磨性，可提高錐形P D C齒的工作壽命。

3 抗沖擊試驗(yàn)

3．1 試驗(yàn)原理及方法

錐形P D C齒犁削巖石時(shí)，主要受到2個(gè)方向的沖擊載荷：一是軸向沖擊載荷，二是切向沖擊載荷。為全面評價(jià)錐形P D C齒的抗沖擊能力，分別進(jìn)行了軸向抗沖擊試驗(yàn)和切向抗沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)原理如圖3所示。

沖擊試驗(yàn)在沖擊試驗(yàn)儀上進(jìn)行，試驗(yàn)參數(shù)如下：沖錘質(zhì)量25 kg；沖錘下落高度0．2 m；沖擊功50 J；沖擊頻率0．29 Hz；接觸時(shí)間0．01 s時(shí)的沖擊力5 kN。

圖3 抗沖擊試驗(yàn)原理

3．2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

軸向沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表4；切向沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表5。

表4 錐形P D C齒軸向沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表5 錐形P D C齒切向沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，錐形P D C齒在軸向方向上具有良好的抗沖擊性能，并不比常規(guī)P D C切削齒的抗沖擊性差。但錐形P D C齒的切向抗沖擊能力弱于軸向抗沖擊能力。圖4所示為錐形P D C齒在切向沖擊載荷作用下發(fā)生破壞的實(shí)物照片，其破壞形式皆為W C基體的脆性斷裂，而聚晶金剛石層既沒有碎裂，也沒有脫落。這說明錐形P D C齒的切向抗沖擊性能主要取決于W C基體的抗沖擊韌性。因此，通過合理設(shè)計(jì)W C基體的幾何形狀和材料配方，提高其抗沖擊韌性，可以達(dá)到提高錐形P D C齒的切向抗擊能力的目的。

圖4 錐形P D C齒切向沖擊斷裂形態(tài)

4 錐形P D C齒犁削破巖試驗(yàn)研究

為探索錐形PDC齒破碎硬巖的能力，考察齒形、切削角、巖石硬度和吃入深度等對錐形PD C齒受力的影響規(guī)律，在牛頭刨床上進(jìn)行了單齒犁削巖石的試驗(yàn)研究。為了與常規(guī)PDC齒進(jìn)行對比，同時(shí)進(jìn)行了?16 m m復(fù)合片（硬地層常用復(fù)合片）的切削試驗(yàn)。

4．1 單齒犁削試驗(yàn)原理與方法

單齒犁削試驗(yàn)在改裝的牛頭刨床上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置由牛頭刨床、P D C齒、巖樣夾持裝置、載荷傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成，如圖5所示。

圖5 單齒切削試驗(yàn)裝置示意

每次試驗(yàn)時(shí)，將表面平整的巖樣固定在巖樣夾持裝置上，通過調(diào)整刨床刀架調(diào)整P D C齒的吃入深度，鎖緊刀架將吃入深度固定。然后啟動(dòng)刨床，刨床滑枕帶動(dòng)P D C齒做直線運(yùn)動(dòng)，以0．92 m／s的速度切削巖石形成溝槽。在切削過程中，利用軸向力和切向力傳感器實(shí)時(shí)測量P D C齒所受的軸向壓力和水平切削力，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄并顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)原理如圖6所示。

圖6 單齒切削試驗(yàn)原理

4．2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

用錐頂直徑為2．0、2．5、3．0、3．5、4．0 m m 5種錐形P D C齒，分別以0°、5°、10°、15°、20°、25°的切削角，在花崗巖巖樣上進(jìn)行切削試驗(yàn)，吃入深度分別固定為1．0、1．5、2．0、2．5和3．0 m m，實(shí)時(shí)測量軸向力和切向力的大小。

同時(shí)，用直徑16 m m的常規(guī)P D C齒，分別以5°、10°、15°、20°、25°的后傾角，在花崗巖上進(jìn)行切削試驗(yàn)，吃入深度同樣分別固定為1．0、1．5、2．0、2．5 和3．0 m m，實(shí)時(shí)測量軸向力和切向力的大小。

4．2．1 錐頂直徑對錐形P D C齒受力的影響

圖7所示為切削角為15°、吃入深度為2 m m時(shí)，錐形P D C齒切削的受力（軸向力和切向力）隨錐頂直徑的變化規(guī)律（花崗巖）?？梢钥闯觯诔匀肷疃纫欢ǖ那闆r下，錐形P D C切削齒的軸向力和切向力均隨錐頂直徑的增大呈線性增大的趨勢，且軸向力高于切向力。這說明，錐形P D C齒的錐頂直徑越小，在相同的鉆壓下越容易吃入巖石。換言之，要達(dá)到同樣的吃入深度，錐頂直徑大的齒需要更高的鉆壓。

圖7 錐頂直徑對錐形P D C齒受力的影響規(guī)律

4．2．2 切削角對錐形P D C齒受力的影響

圖8為錐頂直徑3 m m、吃深2 m m時(shí)，錐形P D C齒和16 m m常規(guī)P D C齒受力（軸向力和切向力）隨切削角的變化規(guī)律（花崗巖）?？梢钥闯觯?dāng)切削角超過15°以后，軸向力相對較小，與常規(guī)P D C齒的軸向力相近，且隨切削角的繼續(xù)增大呈線性增大的趨勢。切向力則隨切削角的增大呈線性增大趨勢，但明顯小于常規(guī)P D C齒的切向力。

圖8 切削角對錐形PDC齒受力的影響規(guī)律

4．2．3 吃入深度對錐形PDC齒受力的影響

圖9為錐頂直徑3mm、切削角15°時(shí)，錐形PDC齒和常規(guī)PD C齒受力（軸向力和切向力）隨吃入深度的變化規(guī)律（花崗巖）?？梢钥闯?，隨著吃入深度的增大，軸向力和切向力均呈線性增大的趨勢。與常規(guī)PDC齒相比，錐形PD C的切削力和軸向力都比較小，說明在同樣吃入深度的情況下，錐形P D C齒破巖石只需要較小的鉆壓和扭矩。

圖9 吃入深度對錐形PDC齒受力的影響規(guī)律

5 結(jié)論

1） 耐磨試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著錐頂直徑的增大，磨損速率呈減低趨勢，錐頂直徑為2．0mm時(shí)，磨損速率最大，錐頂直徑大于2．5m m后，磨損速率降低幅度減弱；切削角對錐齒的磨損速率的影響沒有明顯規(guī)律。

2） 沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，錐形PDC齒軸向的抗沖擊性能良好，但切向的抗沖擊性較弱，這主要是由錐齒W C基體的沖擊韌性決定的。

3） 錐形PDC齒破碎硬巖的能力與錐頂直徑、切削角和吃入深度有關(guān)。從整體來看，隨著上述因素的增大，錐形PD C齒的軸向力和切向力呈不同程度的增大，其中錐形齒軸向受力明顯高于切向受力，說明錐齒破巖過程中，軸向力起主要作用。

4） 建議進(jìn)一步改進(jìn)據(jù)晶金剛石層的材料配方，優(yōu)化合成工藝參數(shù)，提高聚晶金剛石層的耐磨性；同時(shí)制造以錐形PD C齒破巖為主的新型PDC鉆頭，并在試驗(yàn)臺架上進(jìn)行破巖試驗(yàn)，整體評價(jià)這種鉆頭的性能。

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Research and Experimentai Evaiuation of Conicai P D C Tooth

YANG Shunhui
（Research Institute of Petroleum Engineering，SINO PEC，Beijing100101，China）

In order to im prove the efficiency of the rock breaking of PDC bit and bit life，a conical PDC tooth is developed，which is different fro m conventional PDC．Five different conical PDC tooth were designed and processed，experimental evaluation of the abrasion resistance and im pact resistance test and broken rock test were made in lab．Evaluation analysis was made for the conical PDC tooth wear and im pact da mage，and co m pared with conventional PDC cutter abrasion resist ance and im pact resistance were co m pared and the cone top dia meter and cutting angle of conical PDC the influence law of tooth abrasion resistance and im pact resistance were discussed．Analysis of the conical PDC tooth cone top dia meter，cutting angle and cutting depth the influence law of parameters of conical PDC tooth stress were made as well，and co m pared with conventional PDC tooth stress contrast analysis．The test results show thatin the same depth，the conical PDC tooth of com prehensive stress is generally lower than that of conventional PDC tooth，so in the hard rock it can obtain higher efficiency of rock frag mentation．The experiment data for conical PDC tooth structure im provement and new type of PDC bit design provides a theoretical basis．

PDC bit；conical PDC tooth；granite rock；ROP

T E921．1

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．009

1001 3482（2015）06 0038 04

①2014 12 06

國家科技重大專項(xiàng)“中東富油氣區(qū)復(fù)雜地層井筒關(guān)鍵技術(shù)”（2011Z X05031 004）

楊順輝（1973 ），男，河南洛陽人，高級工程師，碩士，主要從事欠平衡／控制壓力鉆井、鉆井工具、采油工藝的研究，Email：yangsh．sripe＠sinopec．co m。