PDC鉆頭切削齒破巖技術(shù)研究

黃亞輝

（荊州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020）

0 引言

在PDC鉆頭破巖過程中，由于鉆頭受到多重破壞力及在鉆進(jìn)中切削齒和巖石相互作用產(chǎn)生了大量的摩擦熱，使得鉆頭的抗沖擊性和耐磨性能大大降低，因而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的PDC鉆頭并不能高效發(fā)揮出它的性能，在破巖過程中，存在鉆頭受力不平衡、鉆進(jìn)時(shí)鉆速不穩(wěn)定、耐磨性差等問題，從而導(dǎo)致鉆井效率低、花費(fèi)成本增加[1]。因此研究新的PDC鉆頭切削齒布局方法來縮減PDC鉆頭鉆井時(shí)間、提高鉆頭穩(wěn)定性和耐磨性等是當(dāng)前國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。

1 切削齒技術(shù)國外研究現(xiàn)狀

國外新型PDC鉆頭切削齒設(shè)計(jì)除了運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模型仿真和設(shè)計(jì)工具外，還根據(jù)以往大量的模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)油田測(cè)試，結(jié)合PDC鉆頭出現(xiàn)的失效機(jī)制，綜合這些基礎(chǔ)，得出影響PDC鉆頭切削齒技術(shù)包括切削齒的抗磨損性、抗沖擊性等參數(shù)。PDC鉆頭在破巖過程中，鉆頭和巖石相互作用，由于摩擦產(chǎn)生大量的熱量致使切削齒材料逐漸退化，因而PDC切削齒耐磨性降低。針對(duì)此種現(xiàn)象，新型優(yōu)質(zhì)環(huán)爪型切削齒應(yīng)運(yùn)而生，這種切削齒在不影響切削齒抗磨損前提下同時(shí)也增強(qiáng)了切削齒的抗沖擊性。在不斷實(shí)驗(yàn)和測(cè)試下，這種切削齒改進(jìn)為優(yōu)質(zhì)的Z3系列切削齒[2]。但在硬巖層鉆井過程中，考慮到切削齒要受到?jīng)_擊、磨損、熱疲勞等多種因素影響，Z3系列切削齒經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)，優(yōu)化成X3系列切削齒。X3系列切削齒優(yōu)化了切削齒的抗沖擊性、抗耐磨性、抗熱疲勞性，在鉆進(jìn)硬巖層構(gòu)造過程中，降低了切削齒的磨損[3]。圖1為Z3系列切削齒和X3系列切削齒性能的對(duì)比。從圖中可知X3系列切削齒在抗磨損、抗沖擊和抗熱疲勞性能方面遠(yuǎn)勝于Z3系列切削齒。

圖1 X3系列切削齒和Z3系列切削齒性能方面對(duì)比

2 切削齒布局新理論

常規(guī)的PDC鉆頭切削齒依次按順序逐漸向鉆頭外廓布置，如圖2為例，分為兩部分：內(nèi)環(huán)線和外環(huán)線。切削齒1和齒2破內(nèi)環(huán)巖石，由于齒1和齒2位于內(nèi)環(huán)的同一側(cè)，故齒1和齒2鉆井效率并不高[4]。同理，在外環(huán)上的切削齒3、齒4、齒5也出現(xiàn)鉆井效率不高的情況。

圖2 常規(guī)切削齒布局方式

為了提高PDC鉆頭工作效率，在常規(guī)設(shè)計(jì)方式基礎(chǔ)上對(duì)切削齒布局進(jìn)行改進(jìn)。如圖3所示，這種新的設(shè)計(jì)在不改變切削齒徑向或軸向方向前提下，重新對(duì)切削齒的角度進(jìn)行布局，不僅可以使由這些切削齒引起的不平衡力降到最低，而且極大地提高了鉆頭的鉆進(jìn)效率。

圖3 按一定角度重新布置切削齒位置

鑒于以上的切削齒布局思路，先預(yù)設(shè)PDC鉆頭有8個(gè)刀翼，在這些刀翼上任意連續(xù)4個(gè)切削齒構(gòu)成一個(gè)力平衡組，如圖4所示，在第一組中，切削齒1和切削齒2分別位于主刀翼1和刀翼5上；在第二組中，切削齒3和切削齒4分別位于副刀翼3和7上；在第三組中，切削齒5和切削齒6分別位于刀翼2和刀翼6上；在第四組中，切削齒7和切削齒8分別位于刀翼4和刀翼8上。刀翼排序可總結(jié)為[（1,5）、（3,7）、（2,6）、（4，8）]，經(jīng)測(cè)試可知，每組切削齒能獨(dú)立并高效地鉆破巖石一圈。

圖4 在8片刀翼上任意4個(gè)連續(xù)切削齒形成一個(gè)力平組

由切削齒1、齒2、齒3和齒4所引起的不平衡力能夠得到平衡，因?yàn)檫@些切削齒是按一定角度并均勻分布在鉆頭上的。而由切削齒2、齒3、齒4和齒5雖不能完全達(dá)到力平衡，但這樣的布齒方式能使它們所受的不平衡力降到最低[5]。經(jīng)測(cè)試可知：采用這種布齒方式，任意4個(gè)連續(xù)的切削齒（k,k+1,k+2,k+3）所產(chǎn)生的不平衡都能降到最低程度。這4個(gè)連續(xù)切削齒布局如圖5所示，應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件：1）β1接近于β3，β2接近于β4；2）β4＞β3＞β2＞β1；3）切削齒1、齒2、齒3和齒4在PDC鉆頭輪廓上處于相鄰位置，并且不要完全重合。

圖5 4個(gè)連續(xù)切削齒組成的一個(gè)切削齒組

在這種切削齒組布齒方案基礎(chǔ)上，運(yùn)用新型X3系列切削齒，在硬巖層鉆進(jìn)過程中，主切削齒出現(xiàn)一定磨損后，切削齒上凸出部分作為輔助切削結(jié)構(gòu)能使切削齒受到的沖擊破壞性降低，并在一定程度上能控制鉆進(jìn)深度[6]。切削齒結(jié)構(gòu)及破巖示意圖如圖6所示。

圖6 X3系列切削齒結(jié)構(gòu)及破巖示意圖

3 力平衡組布齒及X3系列切削齒技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

這種PDC鉆頭布局及切削齒技術(shù)在國外油田鉆井中得到了較好的應(yīng)用，且效果良好。如美國德克薩斯州卡頓瓦力石灰?guī)r層構(gòu)造都有成功應(yīng)用。

通過運(yùn)用這種新型的切削齒布局新技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)破巖過程中，新切削齒技術(shù)比常規(guī)切削齒技術(shù)在鉆壓和鉆頭受到渦動(dòng)程度方面都有極大的差別，如圖7所示。從圖中可以看到，兩種切削齒在鉆壓相同情況下，新型切削齒技術(shù)比常規(guī)切削齒技術(shù)受到的渦動(dòng)程度要小很多，這使鉆頭在破巖過程中所受到的橫向不平衡切削力大大減小，從而能保證鉆頭更加穩(wěn)定，提高了鉆頭破巖的工作效率[7]。

圖7 新型和常規(guī)切削齒技術(shù)穩(wěn)定性對(duì)比

此外，在該巖層應(yīng)用中，新型和常規(guī)切削齒技術(shù)在鉆壓和鉆進(jìn)速度方面也有極大的差距。如圖8所示，在鉆壓相同情況下，新型切削齒技術(shù)鉆進(jìn)速度明顯高于常規(guī)切削齒技術(shù)[8]。綜合現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果可知，新型PDC鉆頭切削齒技術(shù)無論是在抗渦動(dòng)還是在鉆進(jìn)速度方面，其抗沖擊性、抗磨損性及鉆進(jìn)效率都優(yōu)于常規(guī)PDC 鉆頭切削齒設(shè)計(jì)，采用新型切削齒技術(shù)極大地縮減了鉆進(jìn)時(shí)間。

圖8 新型和常規(guī)切削齒技術(shù)鉆進(jìn)速度對(duì)比

4 結(jié)論

1）運(yùn)用力平衡組理論方法布置切削齒，使得鉆頭在破巖過程中能穩(wěn)定高效破巖，經(jīng)德克薩斯州卡頓瓦力石灰?guī)r層現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，鉆進(jìn)效率提高了20%，明顯縮短了PDC鉆頭鉆井的時(shí)間；

2）在力平衡組理論的基礎(chǔ)上，采用X3系列切削齒，使新型設(shè)計(jì)的PDC鉆頭抗沖擊性、抗磨損性、抗熱疲勞性都有了明顯提升，新型切削齒上的凸出部分不僅能幫助減緩主切削齒磨損，還能有效控制鉆頭的鉆進(jìn)深度，相比常規(guī)PDC鉆頭技術(shù)，這種新型切削齒技術(shù)在破巖過程中極大地提高了鉆進(jìn)效率并延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命。