錐形PDC齒破碎礫巖特性試驗(yàn)研究*

徐衛(wèi)強(qiáng) 史懷忠 曹權(quán) 史杏杏 胡錫輝 熊超 陳晗

(1. 中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院 2. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3. 中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引 言

PDC鉆頭[1-2]具有較高的破巖效率和較長的使用壽命，因而被廣泛應(yīng)用于軟到中硬地層鉆井中。然而，常規(guī)PDC齒在堅(jiān)硬及軟硬交錯(cuò)地層中難以達(dá)到理想的應(yīng)用效果[3-6]。礫巖是指由30%以上直徑大于2 mm的顆粒碎屑組成的巖石，具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性。在我國西部和海洋鉆井中，經(jīng)常鉆遇較厚的礫巖層，PDC鉆頭在這種地層中鉆進(jìn)時(shí)極易遭受較大的沖擊載荷，導(dǎo)致鉆頭提前失效，降低鉆井效率，增加鉆井成本[7]。

為了增強(qiáng)常規(guī)PDC齒的抗沖擊性和耐磨損性能，C.J.DURRAND等[8]對(duì)PDC齒的幾何形狀進(jìn)行創(chuàng)新，研發(fā)出一種錐形PDC齒。相比于常規(guī)PDC齒，錐形PDC齒的抗沖擊性和耐磨性分別提高了100%和33%，在硬巖及軟硬交錯(cuò)地層中鉆進(jìn)具有優(yōu)良的性能[9-10]。近年來，國內(nèi)研究學(xué)者主要圍繞錐形PDC齒的破巖機(jī)理、破巖效果以及混合布齒鉆頭設(shè)計(jì)開展了一系列研究[11-14]。孫源秀[12]研究了錐形PDC齒破巖過程中的裂紋萌生、起裂過程和應(yīng)力狀態(tài)變化規(guī)律。居培等[15]通過數(shù)值模擬闡述了錐形PDC齒拉伸剪切破巖機(jī)理，并分析了切削載荷分布特性。王濱等[16]基于有限元模型，模擬了錐形PDC齒切削巖石過程中裂紋擴(kuò)展形態(tài)。楊順輝[17]分析了錐形PDC齒的錐頂直徑、切削角和切削深度等參數(shù)對(duì)錐形PDC齒受力的影響規(guī)律。XIONG C.等[18]從宏觀和微觀角度對(duì)比分析了錐形PDC齒與常規(guī)PDC齒破碎花崗巖特性，揭示了錐形PDC齒的破巖模式。張建闊等[19]設(shè)計(jì)并研制了一種錐形PDC齒與常規(guī)PDC齒同軌布齒的混合PDC鉆頭。斯倫貝謝公司將錐形PDC齒以不同的方式布置在鉆頭刀翼上，設(shè)計(jì)了StingBlade系列PDC鉆頭，在墨西哥、荷蘭以及得克薩斯等地的現(xiàn)場鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果表明，StingBlade系列PDC鉆頭顯示了更加優(yōu)越的耐磨性和抗沖擊性，具備更強(qiáng)的鉆進(jìn)硬地層的能力[20-23]。

前人針對(duì)錐形PDC齒的研究多集中在破碎砂巖等較均質(zhì)的巖石，而對(duì)于錐形PDC齒破碎礫巖的研究較少。礫巖屬于非均質(zhì)性較強(qiáng)的巖石，礦物組成復(fù)雜，各向異性較大，且礫石顆粒大小、分布狀況和膠結(jié)強(qiáng)度等特征都對(duì)PDC齒破巖特性產(chǎn)生顯著影響[7]。為此，本文通過自主研發(fā)的PDC單齒破巖試驗(yàn)裝置，從切削力、巖屑尺寸和切削軌跡表面形貌等方面分析了錐形PDC齒破碎礫巖的特性。

1 試驗(yàn)裝置和材料

1.1 試驗(yàn)裝置

PDC單齒破巖試驗(yàn)裝置由切削系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。切削系統(tǒng)主要包括PDC齒夾具(見圖2a)、巖樣夾持裝置、高精度切深及傾角調(diào)節(jié)裝置、傳感器、高精度步進(jìn)式電機(jī)、導(dǎo)軌和工作臺(tái)等，控制系統(tǒng)包括編程設(shè)置模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。該裝置可滿設(shè)備足常規(guī)PDC齒和各種異形PDC齒的單齒破巖試驗(yàn)要求，通過更換不同PDC齒夾具并配合傾角調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在-40°～50°之間任意切削角度的調(diào)節(jié)，PDC齒夾具可在豎直方向上移動(dòng)以改變切削深度，調(diào)節(jié)范圍為0～20 mm, 精度為0.01 mm，切削速度調(diào)節(jié)范圍為0.1～200.0 mm/s。選用常規(guī)PDC齒和錐形PDC齒開展試驗(yàn)，兩種齒的幾何參數(shù)如圖2b所示，切削速度設(shè)為5 mm/s。

圖1 PDC齒破巖綜合試驗(yàn)裝置Fig.1 Comprehensive test device of rock breaking by PDC cutter

圖2 錐形PDC齒與常規(guī)PDC齒夾具及尺寸Fig.2 Clamps and sizes of conical PDC cutter and conventional PDC cutter

1.2 材料

采集山東魯灰花崗巖和勝利油田礫巖露頭，利用金剛石鋸片將露頭切割成尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試驗(yàn)巖樣，加工過程中嚴(yán)格控制6個(gè)面的平行度和光滑度。此外，對(duì)試驗(yàn)用的礫巖和花崗巖的力學(xué)性能進(jìn)行室內(nèi)測試，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)巖樣基本力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic mechanical parameters of test specimen

1.3 試驗(yàn)方法和流程

將表面平整的巖樣固定在巖樣夾持裝置上，通過高精度切深及傾角調(diào)節(jié)裝置調(diào)整錐形齒的傾角和切削深度，利用編程板塊設(shè)置切削起始點(diǎn)、切削長度和切削速度。在切削過程中，利用傳感器實(shí)時(shí)測量PDC齒所受的水平切削力，并由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。為了分析錐形PDC齒的切削角和切削深度對(duì)破巖效率的影響規(guī)律，分別進(jìn)行了不同傾角(10°、20°、30°)、不同切深(1、2和3 mm)的破巖試驗(yàn)，另外還增加了錐形齒切削花崗巖和常規(guī)齒PDC切削礫巖的試驗(yàn)，試驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)流程圖Fig.3 Flow chart of test

為了減小巖石非均質(zhì)性的影響，所有試驗(yàn)均采用同一批礫巖試件，試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 PDC單齒破巖試驗(yàn)方案Table 2 Rock breaking test scheme of PDC cutter

切削試驗(yàn)結(jié)束后，分別用10目(2.000 mm)、14目(1.400 mm)、20目(0.850 mm)、30目(0.600 mm)和45目(0.355 mm)的分樣篩對(duì)巖屑進(jìn)行篩分。用電子天平(精確度為0.001 g)對(duì)各種尺寸范圍內(nèi)的巖屑進(jìn)行稱量。最后利用ST400型三維形貌儀對(duì)試驗(yàn)巖樣切削軌跡表面進(jìn)行形貌特征測量。ST400型三維微特征形貌掃描儀是一種采用前沿彩色共聚焦技術(shù)設(shè)計(jì)的非接觸式測量裝置，可精確測量巖面上各點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)，單次最大掃描范圍為150 mm×150 mm，最大掃描速度為20 mm/s，Z軸方向的測量范圍為20 mm、測量分辨率為300 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 切削力

將載荷傳感器測量的切削力導(dǎo)出，繪制切削力隨時(shí)間的變化曲線，如圖4和圖5所示。由圖4可以看出，以10°傾角破巖時(shí)，切削力的平均值為1 504.46 N，切削力差異系數(shù)為0.56。切削力差異系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，是衡量切削力波動(dòng)劇烈程度的一個(gè)參數(shù)，切削力差異系數(shù)越大，表明切削力波動(dòng)越劇烈，越容易給PDC齒造成沖擊損傷。

圖4 不同傾角時(shí)切削力隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 Variation curve of cutting force with time at different rake angles

當(dāng)傾角為20°和30°時(shí)，平均切削力分別為1 559.43和1 314.20 N，切削力差異系數(shù)分別為0.43和0.47，這說明傾角為20°時(shí)切削力波動(dòng)小，切削效果更好。圖5展示了錐形PDC齒在傾角為20°，切深分別為1、2和3 mm條件下破碎礫巖時(shí)，切削力隨時(shí)間的變化曲線。計(jì)算得到1、2和3 mm切深時(shí)平均切削力分別為989.29、1 559.43和1 841.96 N，說明錐形PDC齒所受切削力隨著切削深度的增大而增大，這與文獻(xiàn)[24]的結(jié)論一致，驗(yàn)證了本文試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法的可靠性。在1、2和3 mm切深時(shí)，切削力差異系數(shù)分別為0.41、0.43和0.55，說明隨著切深增大，切削力波動(dòng)越來越劇烈。

圖5 不同切深時(shí)切削力隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Variation curve of cutting force with time at different cutting depths

圖6為錐形PDC齒以20°傾角、2 mm切深破碎礫巖和花崗巖的切削力曲線。由圖6a可知，礫巖區(qū)域2的切削力比區(qū)域1的切削力整體偏大，區(qū)域3的切削力波動(dòng)幅度較大。這表明礫石顆粒2比礫石顆粒1的強(qiáng)度高，而區(qū)域3是由小礫石和基質(zhì)組成，當(dāng)切削到不同礫石時(shí)其強(qiáng)度發(fā)生顯著變化，造成切削力明顯波動(dòng)。由圖6b可知，切削力波動(dòng)起伏較小，這是因?yàn)榛◢弾r相對(duì)于礫巖較均質(zhì)。通過計(jì)算可以得到，破碎礫巖和花崗巖的平均切削力分別為1 559.43 N和1 994.26 N，破碎花崗巖所需的切削力顯著大于破碎礫巖的切削力，這是因?yàn)榛◢弾r的強(qiáng)度高于礫巖的強(qiáng)度。雖然破碎礫巖所需的切削力比破碎花崗巖的切削力小，但是破碎礫巖的切削力波動(dòng)幅度更大，更容易對(duì)PDC齒造成沖擊損傷。

圖6 錐形PDC齒切削礫巖和花崗巖的切削力曲線及切削軌跡Fig.6 Cutting force curve and cutting trajectory of conical PDC cutter cutting conglomerate and granite

2.2 巖屑尺寸

圖7展示了采用不同目數(shù)的分樣篩對(duì)錐形PDC齒與常規(guī)PDC齒破碎礫巖的巖屑進(jìn)行篩分的結(jié)果。由圖7可知，與常規(guī)PDC齒相比，錐形PDC齒產(chǎn)生的大尺寸巖屑更多。圖8展示了錐形PDC齒破碎礫巖和花崗巖的巖屑篩分結(jié)果。

圖7 錐形PDC齒和常規(guī)PDC齒切削礫巖產(chǎn)生的不同尺寸巖屑及質(zhì)量Fig.7 Different sizes of cuttings and mass produced by cutting conglomerate with conical PDC cutter and conventional PDC cutter

圖8 錐形PDC齒切削礫巖和花崗巖產(chǎn)生的不同尺寸巖屑及質(zhì)量Fig.8 Different sizes of cuttings and mass produced by cutting conglomerate and granite with conical PDC cutter

錐形PDC齒與常規(guī)PDC齒切削產(chǎn)生的不同尺寸巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比如圖9所示。從圖9可見：錐形PDC齒破碎礫巖產(chǎn)生的巖屑中，大尺寸(>2.000 mm)巖屑占比達(dá)到65.7%，高于常規(guī)齒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(53.32%)；小尺寸(<0.355 mm)巖屑占比14.33%，而在常規(guī)齒破巖試驗(yàn)中占比為18.6%；其他尺寸巖屑占比較小。

圖9 2種齒切削產(chǎn)生的不同尺寸巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.9 Mass fraction of different sizes of cuttings

圖10為切削2種巖石時(shí)不同尺寸巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比。從圖10可見，錐形PDC齒破碎礫巖產(chǎn)生的巖屑中，大尺寸(>2.000 mm)巖屑占比達(dá)到65.7%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于花崗巖大尺寸巖屑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(44.4%)。這表明錐形PDC齒破碎礫石更容易形成大塊剝離，產(chǎn)生更多的大尺寸巖屑。

圖10 切削2種巖石時(shí)不同尺寸巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.10 Mass percentage of different sizes of cuttings

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，將巖石破碎成更小的碎片需要更多的能量，破巖能耗是定量評(píng)價(jià)破巖效率最直接、最普遍的參數(shù)。1982年，T.MATSUI等[25]通過大量的試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)碎石具有分形特征；1991年，H.NAGAHAMA[26]描述了破巖過程，并建立了破巖能耗與碎石分形維數(shù)之間的關(guān)系模型；2014年，YAN T.等[27]將該模型引入鉆井工程，對(duì)鉆井效率進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算能耗與實(shí)測值誤差較??；2018年，WU X.G.等[28]利用該分形模型計(jì)算了液氮射流破碎煤樣的能耗。因此，利用該分形模型對(duì)兩種切削齒的破巖效率進(jìn)行了計(jì)算與評(píng)價(jià)。該模型可表示為：

(1)

(2)

式中：E是破碎單位體積巖石的能耗，kJ/mm3；r是特征巖屑的尺寸，rmax是其最大值，mm；D是分形維數(shù)；C是與巖石性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)；Mr是小于r的巖屑質(zhì)量，g；Mmax是總巖屑質(zhì)量，g。

在本試驗(yàn)中，錐形PDC齒和常規(guī)PDC齒以20°傾角、2 mm切深破碎礫巖產(chǎn)生的巖屑分形維數(shù)分別是2.503 8和2.551 3，錐形PDC齒產(chǎn)生的最大巖屑尺寸為16.0 mm，常規(guī)PDC齒產(chǎn)生的最大巖屑尺寸為12.4 mm。將上述數(shù)據(jù)代入式(1)可知，錐形PDC齒破碎單位體積礫巖的能耗為0.252 6C，常規(guī)PDC齒破碎單位體積礫巖的能耗為0.323 1C。這表明錐形PDC齒的破巖效率更高，礫巖更容易被錐形PDC齒破碎。

2.3 切削軌跡表面形貌

切削軌跡是切削齒在切割過程中巖石破裂并離開原始位置時(shí)形成的，在某種程度上也能反映破巖模式。常規(guī)齒的邊緣存在棱角，依靠剪切方式破碎巖石，在切削軌跡邊緣形成的切口很整齊和光滑，而錐形PDC齒主要依靠犁削的方式破碎巖石，邊緣沒有棱角，無法對(duì)巖石進(jìn)行整齊的切割，只能是以裂紋向兩側(cè)擴(kuò)展的方式破碎巖石形成切削軌跡，因此切削軌跡兩側(cè)的邊緣很不整齊，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。

圖11a和圖11b分別展示了錐形PDC齒和常規(guī)PDC齒在傾角為20°、切深為2 mm條件下破碎礫巖的切削軌跡形貌。

由圖11a和11b可以清楚地看出兩種刀具的切削軌跡完全不同，常規(guī)齒產(chǎn)生的切削軌跡比錐形PDC齒產(chǎn)生的切削軌跡更寬。錐形PDC齒切削橫截面呈V形，切槽深度2.5 mm，切削軌跡兩側(cè)的坡度較大；相比于錐形PDC齒的切削軌跡，常規(guī)齒的切削槽深度較淺(2.1 mm)，切削軌跡的邊緣相對(duì)平坦光滑。

圖11 切削槽形貌掃描Fig.11 Scanning of cutting groove morphology

此外，錐形PDC齒破碎礫巖與花崗巖的切削軌跡也有明顯差異，圖11a和圖11c展示了錐形PDC齒在傾角為20°、切深為2 mm條件下分別破碎礫巖和花崗巖的切削軌跡形貌。錐形PDC齒破碎花崗巖時(shí)的最大深度為2.2 mm，破碎礫巖時(shí)的最大深度為2.5 mm，并且破碎花崗巖時(shí)的切削軌跡更寬。這種差異主要是由這兩種巖石的力學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致，花崗巖的脆性較強(qiáng)，裂紋更容易向切削軌跡兩側(cè)擴(kuò)展，形成的切削軌跡更寬，但是礫巖中含有較多的礫石顆粒，在錐形PDC齒的切削作用下，礫石容易被剝離，形成剝離坑，導(dǎo)致切削槽深度更大。

3 結(jié) 論

(1)錐形PDC齒以20°前傾角破碎礫巖時(shí)，切削力差異系數(shù)明顯小于前傾角為10°和30°，切削齒受力較穩(wěn)定，有利于減輕鉆頭的振動(dòng)，延長鉆頭壽命。

(2)錐形PDC齒所受切削力隨著切削深度的增大而增大，隨著切削深度從1 mm增加至3 mm，切削力差異系數(shù)顯著增大，切削力波動(dòng)劇烈。

(3)與常規(guī)PDC切削齒相比，錐形PDC齒破碎礫巖產(chǎn)生的大尺寸(>2 mm)巖屑占比高達(dá)65.7%，單位體積礫巖破碎能耗降低約25%，可大塊剝離巖屑，且形貌掃描顯示相同切深條件下其實(shí)際切深更深，可進(jìn)一步提高破巖效率；相較于花崗巖，礫巖更容易被錐形PDC齒破碎。