新型加長(zhǎng)防斜減振PDC鉆頭的設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

湯鳳林 ， 沈中華， 段隆臣， 彭 莉， Чихоткин В.Ф.

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074； 2.無(wú)錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無(wú)錫 214174)

0 引言

復(fù)合片(Polycrystalline Diamond Compact, PDC)以細(xì)粒金剛石為原料加入粘結(jié)劑在高溫高壓下燒結(jié)而成，多為圓片狀，金剛石層厚度一般小于2 mm，切削巖石時(shí)作為工作層的碳化鎢基體對(duì)聚晶金剛石薄層起支撐作用。兩者之間的有機(jī)結(jié)合，使PDC既有金剛石的硬度和耐磨性，又具有碳化鎢的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗沖擊能力。由于聚晶金剛石內(nèi)晶體間的取向不規(guī)則，不存在單晶金剛石所固有的節(jié)理面，所以PDC的抗磨性和強(qiáng)度高于天然金剛石，且不容易破碎。

20世紀(jì)80年代，PDC研制成功，進(jìn)入鉆井領(lǐng)域，并從石油鉆井很快地進(jìn)入了地質(zhì)鉆探工程中。此后，復(fù)合片鉆頭(又稱PDC鉆頭)研究日趨成熟，鉆進(jìn)工藝日臻完善，引起了鉆探界的高度重視。近年來，在地質(zhì)鉆探中，已有逐步取代硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)的趨勢(shì)，無(wú)論是鉆頭的研制，還是鉆進(jìn)工藝的改進(jìn)方面，都取得了很大的進(jìn)步[1-6]。

復(fù)合片鉆頭的特點(diǎn)是屬于切削剪切型鉆頭，適用的地層范圍比較寬，切削具的出刃比較大，鉆進(jìn)效率高，耐沖擊性能好，復(fù)合片耐磨性能好，鉆頭壽命長(zhǎng)，可以取得很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因此，得到了國(guó)際鉆探界的認(rèn)可[1-10]。

俄羅斯PDC被稱為АТП (Алмазно-твердосплавная пластина)，復(fù)合片(見圖1)和PDC鉆頭(見圖2、圖3)，在地質(zhì)勘探和石油鉆井中，在中等硬度和部分硬巖中得到了廣泛應(yīng)用。俄羅斯的鉆井實(shí)踐表明，在深井鉆進(jìn)中，PDC鉆頭的平均機(jī)械鉆速達(dá)到了35～40 m/h，鉆頭進(jìn)尺達(dá)到了1000 m以上，在西伯利亞地區(qū)工業(yè)鉆井工作量的85%～90%是用PDC鉆頭完成的，有著很好的應(yīng)用前景[7-20]。

圖1 ?13.5 mm PDC復(fù)合片，金剛石層厚度1～2 mmFig.1 ?13.5mm PDC elements with 1 to 2mm thick diamond

圖2 鑲有PDC復(fù)合片的?112 mm的鉆頭Fig.2 ?112mm bit with PDC elements

圖3 鑲有PDC復(fù)合片的?225 mm的鉆頭Fig.3 ?225mm bit with PDC elements

但是，PDC鉆頭在可鉆性7～8級(jí)巖石，特別是在軟硬互層、裂隙互層和研磨性地層中鉆進(jìn)時(shí)，機(jī)械鉆速降低、鉆頭壽命縮短，直接影響了這種鉆頭的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，成了推廣使用的“攔路虎”。俄羅斯南方國(guó)立技術(shù)大學(xué)Tretiak A.A.博士對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計(jì)出了加長(zhǎng)型防斜減振PDC鉆頭，三維模型見圖4，鉆頭外貌見圖5[13]。

圖4 加長(zhǎng)型防斜減振PDC復(fù)合片鉆頭三維模型Fig.4 3-D model of elongated, stabilized and vibration-reduced PDC bit

圖5 加長(zhǎng)型防斜減振PDC復(fù)合片鉆頭外貌Fig.5 Profile of elongated, stabilized and vibration-reduced PDC bit

1 加長(zhǎng)型防斜PDC鉆頭

復(fù)合片鉆頭上鑲有底出刃(主要出刃)PDC、外出刃(破碎孔壁出刃)PDC和內(nèi)出刃(形成巖心)PDC，一般沒有防斜(增加穩(wěn)定性)PDC。復(fù)合片鉆頭體高度一般為70 mm左右，連接螺紋部分不小于40 mm。沒有防斜保穩(wěn)PDC，會(huì)導(dǎo)致鉆孔彎曲。為了減少?gòu)澢?，提高機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺，需要改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)。要把鉆頭高度加長(zhǎng)到90 mm，在鉆頭體外側(cè)增加右轉(zhuǎn)方向的螺旋線形附加水路內(nèi)，安置3～12個(gè)?8 mm的PDC復(fù)合片。每個(gè)PDC都成5°～15°負(fù)前角。這種結(jié)構(gòu)可以在一定程度上防止孔斜、保穩(wěn)，增加機(jī)械鉆速和提高鉆頭進(jìn)尺。

加長(zhǎng)型防斜鉆頭概貌見圖6，俯視圖見圖7，局部圖見圖8[13]。

從圖6可見，鉆頭上置有大直徑DPDC的PDC復(fù)合片和小直徑dPDC的PDC復(fù)合片。大直徑DPDC的

圖6 加長(zhǎng)型防斜鉆頭概貌Fig.6 Sketch of elongated and stabilized bit

圖7 加長(zhǎng)型防斜鉆頭俯視Fig.7 Plan view of elongated and stabilized bit

圖8 加長(zhǎng)型防斜鉆頭局部視圖Fig.8 Partial view of elongated and stabilized bit

PDC復(fù)合片用來破碎直徑為D鉆孔的孔底和孔壁，破碎孔壁時(shí)在縱向平面上成負(fù)前角β，在直徑平面上成負(fù)前角γc。大直徑DPDC復(fù)合片常常為直徑13.5 mm，β=-(10°～15°)，γc=-(5°～15°)。鑲在排出巖粉用的外徑縱向水路中的小直徑dPDCPDC復(fù)合片，可以破碎孔壁并增加鉆頭在孔底的橫向穩(wěn)定性。小直徑dPDCPDC復(fù)合片的常用直徑為8 mm，在直徑平面上的角度為γc=-(5°～15°)。鉆頭連接螺紋部分外徑D螺紋的大小、長(zhǎng)度l和提斷巖心需要的倒錐度(i=1∶12)按鉆頭系列參數(shù)確定。

2 防斜減振PDC鉆頭

防斜減振鉆頭(見圖9、圖10)的組成：帶有連接螺紋2的剛體1、被鉆頭主水路3分成的扇形塊4，鑲在扇形塊端面上的PDC復(fù)合片5。PDC與切削方向成的角度不同，為10°～15°。主水路3和附加水路6成一定角度，在鉆頭剛體1整個(gè)高度上按鉆頭回轉(zhuǎn)方向向右回轉(zhuǎn)成螺旋線形式。鉆頭剛體1的高度，與主水路3和附加水路6的螺旋線螺距有關(guān)。

圖9 防斜減振鉆頭側(cè)視圖Fig.9 Side view of stabilized and vibration-reduced bit

圖10 防斜減振鉆頭俯視圖Fig.10 Plan view of stabilized and vibration-reduced bit

經(jīng)過研究確定，與切削方向垂直安置的PDC復(fù)合片產(chǎn)生的振動(dòng)脈沖，是鉆頭振動(dòng)的主要來源。用與切削方向成5°～15°角的單個(gè)復(fù)合片切削具切削中等硬度脆性巖石時(shí)，在切削同樣厚度巖石條件下，產(chǎn)生的振動(dòng)脈沖大為減小。因?yàn)橐圆煌较虬仓迷阢@頭上的PDC復(fù)合片產(chǎn)生的振動(dòng)脈沖，在很大程度上可以互相抵消，所以安置在防斜減振鉆頭上的PDC復(fù)合片均與切削方向成5°～15°角，但方向不同(參見圖10)。

在附加水路6內(nèi)置有2個(gè)以上的減斜(穩(wěn)定)用PDC復(fù)合片，每個(gè)PDC都與切削平面成β角(-5°～-15°)。而且，鉆頭端面上的PDC復(fù)合片與切削方向均成10°～15°角度。因此作用在鉆頭上PDC復(fù)合片上的力，如T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7和T8等，構(gòu)成作用力的多角形(見圖11)，面向孔底和巖心，沒有面向孔壁的，其結(jié)果是抵消了鉆頭本身產(chǎn)生的振動(dòng)，使鉆頭按設(shè)計(jì)方向鉆進(jìn)[13]。

圖11 防斜減振鉆頭上作用力形成的多角形Fig.11 Polygon formed by loads acting on stabilized andvibration-reduced bit

3 加長(zhǎng)型防斜減振PDC鉆頭工作原理

鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭在軸載荷和扭矩作用下破碎巖石。用于冷卻鉆頭、排送巖粉到地表的沖洗液，從沖洗液泵出來，通過回轉(zhuǎn)的鉆桿柱到達(dá)孔底。沖洗液從鉆頭底端出來，通過主要水路3和附加水路6攜帶巖粉并將其運(yùn)往地表。因?yàn)橹饕?和附加水路6成一定角度，沿著螺旋線向右轉(zhuǎn)動(dòng)，所以沖洗液流動(dòng)時(shí)呈高度紊流的流型。固定在附加水路6中的防斜PDC復(fù)合片7，破碎(校準(zhǔn))孔壁巖石，減少孔斜。主要(底刃)PDC復(fù)合片以不同方向的力破碎孔底巖石，作用到鉆頭上的力指向孔底和巖心。這樣就可以改善排粉條件、減少振動(dòng)、減少?gòu)?fù)合片的剪切和折斷，使機(jī)械鉆速增加和鉆頭壽命延長(zhǎng)。

4 鉆頭鉆進(jìn)試驗(yàn)研究

4.1 室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)研究[13]

4.1.1 室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)條件

室內(nèi)試驗(yàn)用巖石物理力學(xué)性質(zhì)，見表1。

4.1.2 鉆進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)

表1 試驗(yàn)用巖石物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of rock used in experiment

鉆進(jìn)試驗(yàn)使用的是在СКБ-4型鉆機(jī)基礎(chǔ)上改建的試驗(yàn)臺(tái)，見圖12。

1-機(jī)座；2-機(jī)架；3-變速箱；4-分動(dòng)箱；5-升降機(jī)；6-回轉(zhuǎn)器；7-單片離合器；8-液壓控制部件；9-電動(dòng)機(jī)；10-離合器把手；11-分動(dòng)箱把手；12-升降機(jī)開關(guān)把手；13-提升閘把手；14-下降閘把手；15-變速箱把手；16-液壓分配部件；17-給進(jìn)調(diào)節(jié)器；18-節(jié)流器；19-控制儀表；20-壓力指示表；21-人工孔底外殼；22-巖樣；23-排出沖洗液用的通道；24-水龍頭；25-軟管；26-立管；27-鉆頭

圖12鉆頭鉆進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)
Fig.12Drillingtestbench

4.1.3 試驗(yàn)鉆進(jìn)工藝參數(shù)

試驗(yàn)使用的工藝參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)鉆進(jìn)工藝參數(shù)Table 2 Test drilling parameters

試驗(yàn)研究了機(jī)械鉆速與鉆頭上復(fù)合片數(shù)量的關(guān)系(見圖13)。

圖13 軸載P和轉(zhuǎn)速n不變時(shí)，機(jī)械鉆速與鉆頭上復(fù)合片數(shù)量的關(guān)系曲線Fig.13 Curve of PRM vs number of PDC elements on the bitat constant axial load P and RPM

試驗(yàn)研究了軸載P和轉(zhuǎn)速n不變時(shí)，機(jī)械鉆速與鉆頭上復(fù)合片鑲焊角度大小的關(guān)系(見圖14)。

圖14 機(jī)械鉆速與?112 mm鉆頭復(fù)合片鑲焊角度的關(guān)系曲線Fig.14 PRM vs PDC welding angle on ?112mm bit

4.2 野外試驗(yàn)研究

除了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)之外，還在雅庫(kù)特的阿爾羅薩(Алроса)鉆探公司和羅斯托夫州的羅斯托夫鉆探公司進(jìn)行了野外生產(chǎn)試驗(yàn)，所用的鉆頭和規(guī)程參數(shù)見表3，得到的機(jī)械鉆速與規(guī)程參數(shù)的關(guān)系曲線見圖15[13]。

表3 復(fù)合片鉆頭野外試驗(yàn)規(guī)程參數(shù)Table 3 Field testing parameters of PDC bit

在同樣地質(zhì)和生產(chǎn)條件下，同樣直徑112 mm的硬質(zhì)合金鉆頭CA-4和PDC復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)，得到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表4[13]。

5 討論和建議

俄羅斯學(xué)者針對(duì)PDC鉆頭在深井鉆進(jìn)中，在可鉆性7～8級(jí)及其以上級(jí)別巖石，特別是在軟硬互層、裂隙互層和研磨性地層中鉆進(jìn)時(shí)，機(jī)械鉆速降低、鉆頭壽命縮短的問題，提出了安置側(cè)刃PDC以增加鉆頭穩(wěn)定性和防斜，安置主要PDC與切削方向成一定角度，以減少振動(dòng)和為此增加鉆頭高度的辦法，來進(jìn)行鉆頭設(shè)計(jì)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和野外試驗(yàn)，取得了一定成果，具有理論價(jià)值和實(shí)際意義。

圖15機(jī)械鉆速V與沖洗液量Q、軸載P、轉(zhuǎn)速n和(?225 mm鉆頭)PDC復(fù)合片數(shù)量N的關(guān)系曲線
Fig.15CurvesofPRMVvsflowrateQ,axialloadP,RPMn,andNumberofPDCelementsNfor?225mmbit

表4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比Table 4 Comparison of technical and economic performance

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，?112 mm鉆頭，鉆頭上PDC復(fù)合片以8個(gè)為好，?225 mm鉆頭，PDC復(fù)合片以10個(gè)為好；復(fù)合片鑲焊角度以-15°為好。

野外生產(chǎn)試驗(yàn)表明，在同樣生產(chǎn)和技術(shù)條件下，PDC復(fù)合片鉆頭的機(jī)械鉆速是硬質(zhì)合金鉆頭的近2倍，鉆頭進(jìn)尺是硬質(zhì)合金鉆頭的4倍，鉆頭的純工作時(shí)間是硬質(zhì)合金鉆頭的13倍。這些指標(biāo)說明，加長(zhǎng)型防斜減振鉆頭的設(shè)計(jì)思想是可取的，生產(chǎn)試驗(yàn)是成功的，應(yīng)該給予肯定。