中心錐形齒PDC鉆頭設(shè)計與應(yīng)用

孫美偉 徐建飛

摘 ?要：常規(guī)PDC鉆頭在軟到中硬均值砂泥巖底層鉆進(jìn)時，機(jī)械鉆速高，鉆頭壽命長，但在鉆進(jìn)硬巖過程中，PDC鉆頭吃入巖石困難，破巖效率低，且由于剪切阻力大，切削破巖過程不連續(xù)，鉆頭的旋轉(zhuǎn)扭矩和扭矩波動比較大，導(dǎo)致破巖效率低，復(fù)合片沖擊損壞嚴(yán)重。而錐形PDC鉆齒為新型破巖元件，前端為獨特的圓錐形狀，可施加超高集中的力。在鉆頭中心布置安裝一個錐型齒，可以把增長到一定長度的巖芯壓碎，提高機(jī)械鉆速和鉆頭穩(wěn)定性。因此通過結(jié)合常規(guī)PDC鉆齒和錐形PDC鉆齒的優(yōu)點，通過對鉆頭剖面形狀、切削結(jié)構(gòu)、切削齒工作角度、鉆頭水力結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定特性影響因素等方面的研究和優(yōu)化設(shè)計，研制中心錐型PDC齒鉆頭，提高其在硬地層中的破巖效率。

關(guān)鍵詞：PDC鉆頭;機(jī)械鉆速;優(yōu)化設(shè)計;破巖效率

1 現(xiàn)有PDC鉆頭遇到的問題

現(xiàn)有的PDC鉆頭的工作元件通常為圓柱形聚晶金剛石復(fù)合片。在鉆壓和扭矩的作用下，復(fù)合片以后傾角耙削巖石。但在鉆進(jìn)硬巖過程中，PDC鉆頭吃入巖石困難，破巖效率低，且由于剪切阻力大，切削破巖過程不連續(xù)，鉆頭的旋轉(zhuǎn)扭矩和扭矩波動比較大，導(dǎo)致破巖效率低，復(fù)合片沖擊損壞嚴(yán)重。

研究發(fā)現(xiàn)，在只有軸向應(yīng)力作用下，應(yīng)力破壞強(qiáng)度度測試表明，對應(yīng)力的大小由中點向邊緣減弱，也就是說在鉆頭邊緣的巖石需要較中心低得多的應(yīng)力就可以切削破壞掉。基于此理論，在鉆頭中心留出出芯位置，對中心高強(qiáng)度的巖石不切削，巖芯增長到一定長度再被破壞掉，可提高機(jī)械鉆速和鉆頭穩(wěn)定性。

2.設(shè)計理念

中心錐形齒PDC鉆頭是在正常PDC鉆頭的基礎(chǔ)上，通過結(jié)合常規(guī)PDC鉆齒和錐形PDC鉆齒的優(yōu)點，重新進(jìn)行布齒和優(yōu)化，并且在鉆頭中心布置安裝一個錐型齒。

在鉆頭正常鉆進(jìn)過程中，在鉆頭中心區(qū)域連續(xù)地形成巖心，同時不影響鉆頭切削結(jié)構(gòu)，小尺寸巖心長度不斷增長，接觸到中心錐形齒，不斷增加的壓應(yīng)力將巖心壓碎，提高破巖效率。如圖2-1.

3 中心錐形齒PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

常規(guī)PDC鉆頭設(shè)計主要包括鉆頭冠部剖面形狀設(shè)計、切削齒布置設(shè)計、切削齒工作角設(shè)計、水力結(jié)構(gòu)設(shè)計等內(nèi)容。這里在常規(guī)設(shè)計的基礎(chǔ)上增加了中心錐形齒的設(shè)計。

3.1 鉆頭冠部剖面形狀設(shè)計

剖面形狀直接影響鉆頭各部位切削齒的受力狀態(tài)。在實驗室對不同冠部形狀的PDC 鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)試驗， 受力分析結(jié)果表明， 在切削面積相同的條件下， 平底型鉆頭上的各切削齒的受力分布較均勻。

在硬的、研磨性及軟硬交錯地層中， 采用較平緩的剖面， 較均勻的受力使鉆頭磨損均勻， 較小的側(cè)向力和較長的低摩擦保徑有利于鉆頭的穩(wěn)定性; 由于冠部面積較小， 鉆壓和水力作用都比較集中， 有利于提高鉆速。目前鉆進(jìn)硬地層的剖面形狀有：直線—圓弧剖面、直線—短“拋物線”剖面和直線—雙圓弧剖面，限于試驗鉆頭尺寸（4 3/4”），選用線—圓弧剖面。

3.2 切削齒布置及切削齒工作角設(shè)計

刀翼式布齒，切削齒的露出量大、水力清洗效果好，鉆進(jìn)效率高;增加鉆頭刀翼數(shù)量、增加鉆頭冠部長度（內(nèi)錐和外錐的長度）和布齒密度，可以提高鉆頭的使用壽命，但鉆速明顯降低，得不償失;切削齒大的后傾角會降低切削齒吃入巖石的性能。PDC鉆頭的布齒設(shè)計應(yīng)以提高鉆進(jìn)速度為主，以提高鉆頭壽命為輔。首先要保證可以獲得較高鉆進(jìn)速度，然后再考慮如何提高鉆頭的工作壽命，以充分發(fā)揮剪切破巖效率高的優(yōu)勢。

布齒有徑向布齒和周向布齒兩種方式。徑向布齒是指沿鉆頭冠部剖面線布置所有切削齒，而周向布齒設(shè)計是將切削齒按一定的方式布置在鉆頭切削面上。

3.3切削齒尺寸選擇

切削齒尺寸對PDC鉆頭的破巖效率有較大影響：分析可知，巖石的可鉆性級別越低，抗鉆阻力也就越小，在相同鉆壓下，切削齒比較容易吃入地層，切削深度較大，故較大尺寸的切削齒可以獲得較高的破巖效率;巖石得可鉆性級別越高，抗鉆阻力越大，切削齒尺寸越大，其吃入越困難，破巖效率越低。由此可知，鉆進(jìn)可鉆性Ⅵ-Ⅶ級地層時，PDC鉆頭選用13.44mm切削齒，可以獲得較高的破巖效率。另外，從提高破巖效率的方面考慮，巖石可鉆性級值越大，PDC鉆頭選用切削齒的直徑應(yīng)越小。

3.4切削齒工作角設(shè)計

PDC鉆頭刀翼上切削齒的后傾角是一個非常重要設(shè)計參數(shù)，對鉆頭在切削巖石，穩(wěn)定鉆壓和扭矩，導(dǎo)向能力方面的影響很大。

后傾角越小（7°-10°），切削齒越容易吃入地層，鉆進(jìn)速度越快。當(dāng)后傾角小時，切削齒相當(dāng)于剪切巖石，切削效率高，鉆進(jìn)速度快。后傾角越大越難侵入巖石，當(dāng)后傾角增大到90°時，切削面相當(dāng)于在研磨巖石，路程長，進(jìn)尺慢。在相同的鉆速下，后傾角越小，切削齒受力越小，鉆壓和扭矩越小。如圖3-1所示.

3.5刀翼及中心錐形齒的設(shè)計

中心錐形齒鉆頭的輪廓設(shè)計與布齒設(shè)計遵循常規(guī)PDC鉆頭設(shè)計原理。但在刀翼結(jié)構(gòu)及中間部分有所不同。

在完成基礎(chǔ)的刀翼設(shè)計后，進(jìn)一步進(jìn)行中心錐形齒的設(shè)計。這里在傳統(tǒng)鉆頭設(shè)計的基礎(chǔ)上，按照中心錐形齒要求進(jìn)行設(shè)計。

錐形PDC鉆齒為新型破巖元件，前端為獨特的圓錐形狀，可施加超高集中的力。即在鉆頭中心布置安裝一個錐型齒，可以把增長到一定長度的巖芯壓碎。錐形齒的長度按照鉆頭高度進(jìn)行設(shè)計。

在傳統(tǒng)鉆頭設(shè)計的基礎(chǔ)上修改為中心錐形齒鉆頭，最終得到如圖3-2所示的效果圖。

最終設(shè)計出一種4 3/4”四刀翼中心錐形齒取芯鉆頭，中心錐形齒選用尺寸為16mm復(fù)合片，切削齒選用尺寸為13，44mm復(fù)合片.

4 實驗與結(jié)果分析

基于以上理念，設(shè)計并研制生產(chǎn)了一種4 3/4”四刀翼中心錐形齒取芯鉆頭，一種常規(guī)4 3/4”四刀翼PDC鉆頭用于進(jìn)行對比試驗。

4.1實驗方法

臺架試驗的主要儀器是 XY-2B 型鉆機(jī)，由壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器等裝置采集數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集各個數(shù)據(jù)。巖石樣本為可鉆性為5.671的灰砂巖巖石。 筆者選擇 7 kN、10 kN、13 kN 和 16 kN 四種鉆壓進(jìn)行鉆進(jìn)試驗研究。中心錐形齒PDC鉆頭和常規(guī)PDC鉆頭除中心齒和中間刀翼部分外，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。試驗采用相同的轉(zhuǎn)速（60 RPM 左右），根據(jù)實驗條件，選取7 kN、10 kN、13 kN 和 16 kN 四種鉆壓分別鉆進(jìn)，收集試驗數(shù)據(jù)，共計 8 組試驗。

4.2 臺架試驗步驟。先將蓄水池放滿，后將試驗巖石石塊固定到臺架平臺上 ;將鉆桿提升到足夠高度，安裝試驗鉆頭。

接通總電源，啟動電腦，打開數(shù)據(jù)采集程序 ;啟動鉆機(jī)電源及抽水泵電源，調(diào)節(jié)水量 ;啟動電動機(jī)對鉆機(jī)進(jìn)行性能測試 ;接下來操作檔位調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速60rpm，控制鉆柱緩慢下降，當(dāng)鉆頭復(fù)合片降至距巖石表面 10 mm 時，靠鉆柱重力鉆進(jìn)巖樣進(jìn)行造型。 造型結(jié)束后停鉆，調(diào)節(jié)鉆壓，使鉆壓分別達(dá)到預(yù)定值，保證電腦前數(shù)據(jù)采集數(shù)值與鉆壓同步，讓鉆頭保持該鉆壓鉆進(jìn)8cm左右，當(dāng)鉆進(jìn)距離達(dá)到要求值時，停止采集，保存數(shù)據(jù) ;然后按照試驗要求調(diào)節(jié)鉆壓，采集新的數(shù)據(jù)。一只鉆頭的所有數(shù)據(jù)采集完成后，換另一只鉆頭，重新再造型鉆進(jìn)，取得新的采集數(shù)據(jù)，每只鉆頭每個鉆壓采集3組數(shù)據(jù)直到試驗完成，關(guān)閉鉆機(jī)和水泵電源。

4.3 數(shù)據(jù)處理

截取鉆壓為 7 kN 數(shù)值段的數(shù)據(jù)較穩(wěn)定的 50 mm，計算時間差，通過對應(yīng)段的鉆進(jìn)距離差除以時間差，即可得該鉆頭在鉆進(jìn)該層段時的平均機(jī)械鉆速，3組數(shù)據(jù)取平均值得出最終試驗數(shù)據(jù)，所有試驗數(shù)據(jù)處理方法與此相同。最后將處理后的數(shù)據(jù)做成圖表，繪制鉆壓 - 破巖 效率曲線圖，分析圖表線條的規(guī)律，研究在相同鉆壓下，兩種PDC鉆頭的機(jī)械鉆速。如圖4-1。

通過對比兩種型號鉆頭的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)，新型鉆頭相較于常規(guī)鉆頭平均機(jī)械鉆速提高56%，且取得大尺寸的巖芯，可作為地層樣本分析研究使用。

5 ?結(jié)論

本文通過理論分析和軟件模擬優(yōu)選了切削齒尺寸，切削齒后傾角，布齒密度等基本參數(shù)設(shè)計適用于可鉆性為Ⅴ-Ⅶ的硬地層的中心錐形齒PDC鉆頭，同時，加工制作出實物，通過軟件模擬在相同鉆壓和轉(zhuǎn)速下與常規(guī)鉆頭鉆速進(jìn)行對比，得出以下結(jié)論：

1）優(yōu)選中心錐形齒PDC鉆頭剖面形狀設(shè)計為直線單圓弧，既能夠保證鉆頭對硬地層有良好的攻擊性，又能在冠頂布置較多的切削齒，使鉆壓分布較均勻，避免應(yīng)力集中。有利于提高鉆頭在硬地層鉆進(jìn)的穩(wěn)定性和攻擊性。

2）中心錐形齒PDC鉆頭切削齒尺寸選擇從提高破巖效率的方面考慮，巖石可鉆性級值越大，PDC鉆頭選用切削齒的直徑應(yīng)越小，鉆進(jìn)可鉆性Ⅵ-Ⅶ級地層時，PDC鉆頭選用13.44mm切削齒，可以獲得較高的破巖效率;工作角度設(shè)計在硬地層，PDC鉆頭采用15°的后傾角為宜，鉆頭鉆進(jìn)速度、鉆頭的穩(wěn)定性和鉆頭的壽命都得到提高。

3）在切削后傾角相同的情況下，巖石切削齒尺寸約13.44mm、切削后傾角約15°時，單位鉆速最大。因此在考慮破巖效率等情況下，在設(shè)計鉆頭時應(yīng)該選擇13.44mm的切削齒。

4）中心錐形齒PDC鉆頭布齒設(shè)計，運用相關(guān)的PDC 鉆頭優(yōu)化設(shè)計軟件進(jìn)行了完整的PDC鉆頭布齒設(shè)計。完整布齒后，在傳統(tǒng)鉆頭設(shè)計的基礎(chǔ)上，修改操作，將PDC 鉆頭的設(shè)計為中心錐形齒PDC鉆頭。

以上結(jié)論得出我們設(shè)計時理論推斷中心錐形齒PDC鉆頭機(jī)械鉆速最優(yōu)的切削尺寸和后切削后傾角以及最優(yōu)的布齒設(shè)計，驗證了中心錐形齒PDC鉆頭設(shè)計的合理性和可行性。

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[3]徐建飛，張麗陽，許曉偉，翟依夢，于正航，陳子安.隨鉆取芯PDC鉆頭的設(shè)計與研制

作者簡介：孫美偉（1977-），男，工程師，最高學(xué)歷，本科，中國石油大學(xué)（華東），

現(xiàn)在青島石大華通科技有限公司從事石油鉆井鉆頭設(shè)計及石油儀器儀表制造工作。