PDC鉆頭體非光滑表面防黏附性能實(shí)驗(yàn)研究

朱麗紅， 陳澤鵬， 黃 勇， 強(qiáng) 偉， 王京印

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

PDC鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)具有鉆速快、效率高、壽命長等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于軟到中硬的均質(zhì)地層。PDC鉆進(jìn)泥頁巖地層時(shí)，由于鉆進(jìn)速度很快，巖石破碎后產(chǎn)生大量巖屑，如果井底清洗不充分，巖屑會(huì)堆積于井底。與此同時(shí)，由于泥頁巖中黏土礦物水化膨脹，黏性增強(qiáng)，巖屑會(huì)附著于切削齒和鉆頭體上，形成鉆頭泥包[1-2]。鉆頭泥包導(dǎo)致鉆頭破巖能力顯著較低，鉆速下降，并且切削齒失去冷卻作用，鉆齒磨損速度加快，鉆頭壽命縮短。泥包嚴(yán)重時(shí)，鉆頭完全失去鉆進(jìn)能力，無法實(shí)現(xiàn)進(jìn)尺，造成鉆井效率降低，鉆井成本升高[3]。目前，提高PDC鉆頭自身防泥包性能的措施主要包括三方面：鉆頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)、水力設(shè)計(jì)優(yōu)化及鉆頭體表面處理[4-6]。與其他兩種方法相比，鉆頭體表面處理采用降低PDC鉆頭與泥質(zhì)巖屑間黏附力的方式，其可從根本上預(yù)防鉆頭泥包的出現(xiàn)。目前，常用手段如鉆頭體表面涂抹黃油、纏繞金屬網(wǎng)等，但上述措施防泥包的時(shí)效性短、效果差。

自然界中生物體表具有非光滑特征，其是在自然環(huán)境中經(jīng)過長期的自然選擇而得到的最佳結(jié)果[7]。非光滑表面仿生是借鑒自然生物體表的非光滑形態(tài)并將其應(yīng)用于工程材料表面，實(shí)現(xiàn)減黏、減阻和抗磨等特性[8-9]。目前，非光滑表面仿生已在眾多工程領(lǐng)域得到應(yīng)用[10-13]。本文將仿生非光滑幾何表面形態(tài)引用到PDC鉆頭的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，并采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)不同非光滑表面結(jié)構(gòu)、不同尺寸及不同時(shí)間狀態(tài)下的試件與黏土間的黏附力進(jìn)行了測量，為PDC鉆頭防泥包性能的研究提供新的思路和方法。

1 基于生物體表仿生的非光滑表面

以海生動(dòng)物、陸上動(dòng)物等幾種比較典型的非光滑表面為例，生物體表的典型非光滑表面形狀有凹坑狀、凸起狀、波狀和鱗片狀。表1展示了幾種典型非光滑表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

在設(shè)計(jì)PDC鉆頭非光滑表面形態(tài)時(shí)，不但要考慮生物原型的尺寸大小、形態(tài)及密度等，還要考慮工業(yè)加工的難易程度、材料本身的力學(xué)特性與生物原型材料力學(xué)特性的匹配關(guān)系，試件的表面質(zhì)量等。因此，PDC鉆頭體非光滑表面形態(tài)的設(shè)計(jì)原則是試件的形態(tài)和尺寸與試樣接近或相似，且均勻分布。綜合上述因素，同時(shí)考慮PDC鉆頭體的機(jī)械加工條件，工藝參數(shù)的選取，以及凹坑、溝槽的形態(tài)的相似性，最后選取PDC鉆頭體工業(yè)表面設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示，總共10個(gè)試件，所有試件的直徑為60 mm，厚度為10 mm。加工完成后的非光滑表面試件如圖1～3所示，圖4為用于對(duì)比實(shí)驗(yàn)的光滑表面試件。

表1 幾種典型非光滑單元表面結(jié)構(gòu)參數(shù)[14]

表2 非光滑試件參數(shù) mm

圖1 圓形溝槽試件

圖2 方形凸包試件

圖3 圓形凹坑試件

圖4 光滑表面試件

2 非光滑表面防黏附性能實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

非光滑表面防黏附性能實(shí)驗(yàn)采用模擬實(shí)驗(yàn)方式，借助圓盤型試件與飽和黏土間的黏附，模擬井下PDC鉆頭泥包現(xiàn)象，測試不同表面形態(tài)試件與黏土間的黏附力，評(píng)價(jià)非光滑表面防泥包效果。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主要包括裝飽和黏土容器、固定臺(tái)架、拉力計(jì)和拉力顯示儀(見圖5)。拉力計(jì)具有儲(chǔ)存峰值的功能，以牛頓為單

圖5 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

位。臺(tái)架和拉力計(jì)配合使用，拉力計(jì)上下游程在合理范圍之內(nèi)，避免試件與黏土分離后做過多的無用功，同時(shí)臺(tái)架還能允許更換不同量程的拉力計(jì)。為了保證每次實(shí)驗(yàn)試件在黏土中沉降在同一深度，在容器中心設(shè)計(jì)一個(gè)用于支撐的支桿，使其可以支撐試件。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)架操作簡單，使用方便，通過更換拉力計(jì)可進(jìn)行不同大小黏附力的測量，也可進(jìn)行簡易改裝，安裝各種傳感器及夾具。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

非光滑表面防黏附實(shí)驗(yàn)的具體過程如下：

(1) 選取優(yōu)質(zhì)黏土，經(jīng)烘干、研磨、篩分后，將黏土裝入實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的容器中，黏土表面壓實(shí)平整，注入水，制成飽和黏土，并靜置1周，以保證水與黏土顆粒的充分接觸。

(2) 將試件放置于飽和黏土的表面并充分接觸，靜置一段時(shí)間后，試件與黏土間產(chǎn)生黏附力。上提試件，當(dāng)拉力大于試件與黏土間的黏附力時(shí)，試件與黏土分離，拉力計(jì)顯示最大拉力，為了避免誤差，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次，選取實(shí)驗(yàn)平均值作為黏附力的數(shù)值。

(3) 調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)，測試仿生試件非光滑表面單元體的形狀分布、尺寸大小及與黏土接觸時(shí)間對(duì)黏附力大小的影響，具體參數(shù)設(shè)置如下：下放速度10 mm/s，提升速度5 mm/s，保壓時(shí)間1 min、10 min、1 h、4 h、12 h，試件自重200 g左右。

(4) 將得到試件與黏土分離的拉力和所測試的試件在與拉脫力垂直方向的投影面積的比值作為黏附力，黏附力的單位設(shè)為Pa。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理與分析

對(duì)于實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的仿生非光滑試件，影響其黏附性的因素有非光滑單元體形狀及其尺寸、單元體的分布狀態(tài)以及非光滑表面與黏土的接觸時(shí)間，于是選取三者為研究對(duì)象，分別討論這3種因素對(duì)黏土/試件界面間黏附力的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6～8所示。

圖6 圓形溝槽試件黏附力

(1) 非光滑單元體形態(tài)對(duì)黏附性能的影響。通過對(duì)圖6～圖8中3種非光滑表面產(chǎn)生的黏附力大小對(duì)比可知，圓形溝槽試件的黏附力最小，凹坑形的最大。由此得出：3種非光滑表面單元體降黏效果最好的是圓形溝槽，方形凸包次之，圓形凹坑形最差。

圖7 方形凸包試件黏附力

圖8 圓形凹坑試件黏附力

(2) 非光滑單元體尺寸對(duì)黏附性能的影響。通過對(duì)圖6～圖8中不同尺寸參數(shù)之間的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在3個(gè)類型的試件中，中等尺寸的仿生非光滑單元體表面黏附力最小，說明存在最優(yōu)尺寸。鑒于實(shí)驗(yàn)只選取了3種尺度的單元體尺寸，后期需要進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)來確定最優(yōu)值。

(3) 試件與黏土接觸時(shí)間對(duì)黏附性能的影響。由圖6～圖8可知，對(duì)于3種不同形態(tài)的非光滑試件，其與黏土間的黏附力均隨接觸時(shí)間的增加而增大，說明采用非光滑表面防泥包時(shí)應(yīng)盡量減少PDC鉆頭與泥質(zhì)巖屑的接觸時(shí)間。

4 結(jié) 語

將仿生學(xué)中的非光滑幾何表面形態(tài)引用到PDC鉆頭的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)合PDC鉆頭泥包特性和生物體表的非光滑形態(tài)，設(shè)計(jì)了圓形溝槽、方形凸包、圓形凹坑三種非光滑表面試件。

采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)不同非光滑表面結(jié)構(gòu)、不同單元體尺寸及接觸時(shí)間狀態(tài)下的試件與黏土間的黏附力進(jìn)行了測量，得出了這三種因素對(duì)黏附力大小的影響程度，總結(jié)出非光滑表面單元體的形態(tài)、尺寸及接觸時(shí)間的最佳值域。