深部鉆進(jìn)用新型復(fù)合片鉆頭的試驗(yàn)研究

湯鳳林，趙榮欣，周欣，段隆臣，Борисов К.А.

（1.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢430074；3.湖北省地震局，湖北 武漢 430064；4.俄羅斯南方國立技術(shù)大學(xué)，俄羅斯 諾沃切爾卡斯克 346411）

0 引言

無論是在地質(zhì)鉆探中，還是在石油天然氣鉆井中，都是希望盡快達(dá)到設(shè)計(jì)深度，以滿足地質(zhì)和勘探方面的需要。巖心鉆探工程則更是要取上巖心，以確定礦產(chǎn)的類型和儲(chǔ)量?？梢?，無論是在地質(zhì)鉆探中，還是在石油天然氣鉆井中，都要向地下鉆進(jìn)，都要破碎地下的巖石。破碎地下巖石，都要有碎巖工具——鉆頭。鉆頭有多種，復(fù)合片鉆頭是近年來發(fā)展起來的一種新型鉆頭，在地質(zhì)鉆探和油氣井鉆進(jìn)中，尤其是深部鉆進(jìn)中得到了廣泛的應(yīng)用【1-9】。

鉆進(jìn)過程是鉆頭破碎巖石的過程，也是巖石磨損鉆頭的過程，鉆頭磨損是不可避免的。在復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)中遇到的一個(gè)問題就是常由于復(fù)合片的非正常磨損導(dǎo)致復(fù)合片乃至鉆頭報(bào)廢，給鉆井工程帶來很大損失，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)受到嚴(yán)重影響。因此，應(yīng)對(duì)其非正常磨損問題進(jìn)行研究與討論，以期得到很好地解決，把復(fù)合片鉆頭的使用更好地推廣下去【7-25】。

1 鉆頭非正常磨損的類型

常見的鉆頭磨損情況見圖1。復(fù)合片磨損類型見圖2。為弄清楚復(fù)合片磨損的情況，用試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)，圖3為PDC非正常磨損試驗(yàn)臺(tái)［9］。

圖1 鉆頭的正常磨損和非正常磨損Fig.1 Normal and abnormal wear of PDC bits

圖2 PDC非正常磨損的類型Fig.2 Types of abnormal wear of PDC cutting elements

圖3 PDC非正常磨損試驗(yàn)臺(tái)示意Fig.3 Scheme of the test table for testing anormal wear of PDC

PDC切削具非正常磨損試驗(yàn)研究結(jié)果見表1［9］。表2給出了試驗(yàn)得到的PDC切削具非正常磨損及其分布的資料［9］。

表1 PDC切削具非正常磨損研究結(jié)果Table 1 Research results of abnormal wear of PDC cutting elements

表2 PDC切削具非正常磨損及其分布的資料Table 2 Data of anormal wear and its distribution of the PDC cutting element

理論研究和使用實(shí)踐表明，PDC鉆頭振動(dòng)是PDC非正常磨損的主要原因。振動(dòng)引起的非正常磨損50%以上是由于切削具斷裂或折斷引起的，因此，需要解決非正常磨損最小化的問題。解決這個(gè)問題有利于提高鉆頭進(jìn)尺和回次鉆速，也有利于機(jī)械鉆速的提高。

鉆頭產(chǎn)生振動(dòng)的原因很多，主要有地質(zhì)原因、技術(shù)原因和工藝原因。地質(zhì)原因如鉆進(jìn)軟硬互層巖石，破碎裂隙巖石、層狀、片狀巖石等；技術(shù)原因如使用彎曲鉆桿、巖心管，接頭螺紋不規(guī)范，鉆桿井壁間隙大，未用鉆鋌，使用的鉆頭與所鉆巖石性質(zhì)不匹配，鉆頭端面單面磨損，未用校準(zhǔn)擴(kuò)孔器等；工藝原因如所用規(guī)程參數(shù)不當(dāng)，沒有使用減振潤滑劑等。

下面就復(fù)合片損壞與鉆探工程最直接有關(guān)的鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)和鉆頭的關(guān)系進(jìn)行討論。

2 PDC損壞與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的關(guān)系

鉆頭可能經(jīng)受各種類型的振動(dòng)：軸向振動(dòng)、徑向（橫向）振動(dòng)和扭擰振動(dòng)（彈簧效應(yīng)），如圖4所示。其中徑向振動(dòng)和扭擰振動(dòng)最為常見。

圖4 鉆進(jìn)時(shí)PDC鉆頭的主要振動(dòng)類型Fig.4 Main vibration types of PDC drill bits in drilling

軸向振動(dòng)與鉆頭的軸載和轉(zhuǎn)速有關(guān)，也與鉆具下部結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)。在井底切入巖石時(shí)，扭擰振動(dòng)會(huì)降低鉆具下部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，直到停止轉(zhuǎn)動(dòng)為止。而轉(zhuǎn)動(dòng)能量則通過鉆機(jī)或井底動(dòng)力機(jī)和鉆柱連續(xù)傳給鉆頭上，直到超過巖石強(qiáng)度極限為止。此時(shí)，鉆具連同鉆頭以超過規(guī)定轉(zhuǎn)速的加速度開始擰進(jìn)。PDC切削具沖擊載荷的增大，根據(jù)切削具切入巖石的不同，可能會(huì)導(dǎo)致PDC斷裂、折斷、脫落。

扭擰振動(dòng)與PDC切入巖石深度大小有關(guān)。切入深度大時(shí)，反扭矩增加，產(chǎn)生擰轉(zhuǎn)振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)增大。采用小直徑PDC時(shí)，切入深度小，有利于反扭矩的減小?？赏ㄟ^減小碎巖切削具回轉(zhuǎn)速度和增加PDC切削具軸載來減小這種扭擰振動(dòng)的作用。

徑向振動(dòng)是鉆頭圍繞不是其幾何中心的鉆頭軸線回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。鉆頭回轉(zhuǎn)快速增加或減小時(shí)，都會(huì)增加鉆頭的沖擊載荷?？梢酝ㄟ^增加鉆頭載荷、減小轉(zhuǎn)速和增加鉆具下部結(jié)構(gòu)剛度的辦法來減小鉆頭的徑向振動(dòng)。

PDC復(fù)合片非正常磨損是2個(gè)主要工藝參數(shù)（軸載P和轉(zhuǎn)速N）選擇不合理，導(dǎo)致部分鉆頭報(bào)廢的原因。如果鉆具下部結(jié)構(gòu)剛度和沖洗液量選用合理，對(duì)這2個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，則可以實(shí)現(xiàn)PDC非正常磨損的最優(yōu)化。

PDC非正常磨損的試驗(yàn)研究采用?215.9 mm、8個(gè)翼片、鑲有56個(gè)PDC復(fù)合片的鉆頭，在6～8級(jí)可鉆性巖石中鉆進(jìn)時(shí)得到的野外資料進(jìn)行分析。復(fù)合片PDC的非正常磨損報(bào)廢的百分率Prpol表示為：

Prpol=（nан/nобщ）·100%

式中：nан——試驗(yàn)時(shí)非正常磨損報(bào)廢的PDC復(fù)合片數(shù)目；nобщ——鉆頭復(fù)合片總數(shù)。

機(jī)械鉆速是選擇工藝參數(shù)的重要依據(jù)，故研究中考慮了機(jī)械鉆速V。取得的樣本資料見表3［9］。

表3 研究復(fù)合片鉆頭非正常磨損（報(bào)廢）Prpol的資料Table 3 Data for studying abnormal wear(scrap) Prpol

對(duì)所得的資料進(jìn)行了處理，是用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行的。這是因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)方法具有下列特點(diǎn)：非線性，神經(jīng)元處于激發(fā)或抑制狀態(tài)，以及非線性功能函數(shù)隨確定的輸入、輸出關(guān)系也是非線性的；非局限性，一個(gè)整體的行為不僅取決于單個(gè)神經(jīng)元的特征，也取決于單元之間的相互作用和連接結(jié)構(gòu)；非定常性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)能力，經(jīng)常用迭代過程來描述動(dòng)力系統(tǒng)的演化過程；非凸性，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)是多極值的，系統(tǒng)中具有多個(gè)平衡態(tài)，可以導(dǎo)致演化的多樣性；容錯(cuò)性，局部的或部分的神經(jīng)元損壞，不影響全局的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)。

人工網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是模擬人腦神經(jīng)并由人工神經(jīng)元構(gòu)成的，神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本處理單元，是一個(gè)具有多輸入、單輸出、一定的內(nèi)部狀態(tài)和閥值的非線性處理單元。人工神經(jīng)元示意圖見圖5［9］。

圖5 人工神經(jīng)元示意Fig.5 Scheme of artificial neural network

為了建立模型，使用了MATLAB 系統(tǒng)Neural Networks軟件包中的前向（feed forward）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，帶有2個(gè)入口和2個(gè)出口。經(jīng)過一系列查詢，找到了帶有2個(gè)隱蔽層、10個(gè)和5個(gè)神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)，見圖6，模型的形式為{P，N}→{NN：10·5}→{V，Prpol}。

圖6 基于軸載P和轉(zhuǎn)速N確定機(jī)械鉆速V和Prpol的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意Fig.6 Scheme of neural network for determination of drilling rate V and Prpol,based on bit weight P and rotary speed N

在整個(gè)軸載7～20 kN和轉(zhuǎn)速200～310 r/min范圍內(nèi)，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的V和Prpol的響應(yīng)見圖7。

圖7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的V和Prpol的響應(yīng)圖Fig.7 Response of V and Prpol,calculated by neural network

從圖7可見，在軸載小的部分，V和Prpol的響應(yīng)二者的離散程度比較大，在軸載大的部分好一些，在中等軸載部分離散程度不大。但是，從總體上，如果沖洗液的性能和數(shù)量合理的話，則機(jī)械鉆速和Prpol皆隨軸載和轉(zhuǎn)速的增加而增加的趨勢(shì)是一致的，因此，在討論P(yáng)rpol時(shí)應(yīng)該把機(jī)械鉆速考慮進(jìn)來。

故把模型{P，N}→{NN：10·5}→{V，Prpol}改為{P，N，V}→{NN：10·5}→{Prpol}，見圖8。

圖8 P、N與V、Prpol的集合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.8 Neural network diagram of assembly of P,N and V,Prpol

這種集合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的第一部分的出口是機(jī)械鉆速V，第二部分是利用得到的機(jī)械鉆速V加上軸載P和轉(zhuǎn)速N來計(jì)算Prpol。得到的轉(zhuǎn)速N=200、250和300 r/min時(shí)的Prpol響應(yīng)曲面，見圖9。

圖9 網(wǎng)絡(luò)第二部分的 Prpol響應(yīng)圖Fig.9 Response of Prpol in the second part of neural network

從圖9可以看到Prpol與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)和機(jī)械鉆速V的關(guān)系，即多大的軸載、多大的轉(zhuǎn)速和多大的機(jī)械鉆速時(shí)，PDC報(bào)廢百分率是多少及其變化情況。例如，當(dāng)N=310 r/min時(shí)，在x=14.02、y=6.08和z=1.715點(diǎn)上的PDC報(bào)廢率最高，近20%左右。

利用圖9，可以得到復(fù)合片任意點(diǎn)在何種工藝參數(shù)和機(jī)械鉆速條件下的非正常磨損報(bào)廢情況。

3 新型減振復(fù)合片鉆頭的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

3.1 新鉆頭的設(shè)計(jì)

新鉆頭設(shè)計(jì)框圖見圖10。

圖10 復(fù)合片鉆頭設(shè)計(jì)框圖Fig.10 Block-diagram of designing the PDC drill bit

3.2 復(fù)合片的選擇

選用了楔形復(fù)合片（圖11）和圓錐弧形復(fù)片（圖12）。

圖11 楔形復(fù)合片F(xiàn)ig.11 Wedge-form PDC cutting element

圖12 圓錐弧形復(fù)合片F(xiàn)ig.12 Conic PDC cutting element

SF Diamond Co.，Ltd公司生產(chǎn)的楔形復(fù)合片幾何參數(shù)見表4。

表4 楔形復(fù)合片幾何參數(shù)Table 4 Geometrical parameters of the wedge-form PDC cutting element

三楔形復(fù)合片的常用結(jié)構(gòu)尺寸為D=16 mm；H=13.6 mm；H1=10.6 mm；L1=3 mm；η=157°；ξ=8°。

圓錐弧形復(fù)合片幾何參數(shù)見表5。

表5 圓錐弧形復(fù)合片幾何參數(shù)Table 5 Geometrical parameters of conic PDC

楔形復(fù)合片把圓柱形復(fù)合片的破碎作用和牙輪鉆頭輪齒碎巖作用結(jié)合了起來，可以提高破碎巖石的效果。而且，這種復(fù)合片的金剛石層比較厚，提高了耐磨性，可以提高回次進(jìn)尺和鉆頭進(jìn)尺。圓錐弧形復(fù)合片因其圓錐形可以給巖石施以較高的載荷，改善抗沖擊載荷的阻力，猶如“耕耘”模式，降低了摩擦力對(duì)復(fù)合片的熱力作用，提高了散熱性，從而提高鉆頭的耐磨性。

3.3 新型鉆頭設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的鉆頭模型見圖13，設(shè)計(jì)的鉆頭結(jié)構(gòu)見圖14。

圖13 新設(shè)計(jì)復(fù)合片鉆頭的模型Fig.13 Model of a new generation PDC drill bit

新研發(fā)的鉆頭由2節(jié)組成，如圖14所示。下部開鉆節(jié) 1，包括有穩(wěn)定器7和切削翼片3。上部鉆開節(jié)2，包括有尾部（上端）10、鉆頭內(nèi)部通道12和穩(wěn)定器8。上部鉆開節(jié)2中的切削翼片5、下部鉆開節(jié)1中的切削翼片3，相對(duì)于徑向排列的下部開鉆節(jié)1中的切削具4和上部鉆開節(jié)2中的切削具6是對(duì)稱的。下部開鉆節(jié)1的穩(wěn)定器7和上部鉆開節(jié)2的穩(wěn)定器8的表面是校準(zhǔn)圓柱形的，在上部鉆開節(jié)2的穩(wěn)定器8上置有高強(qiáng)度切削柱 ，起校準(zhǔn)作用。水眼位于下部開鉆節(jié)（見圖15）中。

圖14 新設(shè)計(jì)復(fù)合片鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.14 Structure of a new generation PDC drill bit

圖15 新設(shè)計(jì)復(fù)合片鉆頭端面復(fù)合片布置Fig.15 Distribution of PDC cutting elements on the face-end of a new generation PDC drill bit

下部開鉆節(jié)1翼片7中的切削具4的數(shù)量，與上部鉆開節(jié)2中翼片5中的切削具6的數(shù)量相等。切削具4和切削具6可以使用楔形復(fù)合片或與其類似的復(fù)合片，負(fù)斜鑲角度為10°～20°。

鉆頭回轉(zhuǎn)時(shí)，下部開鉆節(jié)1的翼片3向井底開始鉆進(jìn)，把井眼擴(kuò)到邊緣切削具4決定的直徑d；而切削具6的切削翼片5，在鉆進(jìn)時(shí)把井眼擴(kuò)到邊緣切削具6決定的直徑D。下部開鉆節(jié)1的穩(wěn)定器7和上部鉆開節(jié)2的穩(wěn)定器8，利用底部的鉆開方式和上部的鉆開方式來增加與井壁的接觸面積。這樣，可以防止產(chǎn)生復(fù)合片非正常磨損主要原因之一的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

研究和實(shí)踐證明，采用楔形復(fù)合片，在鉆進(jìn)過程中，楔形齒與地層接觸面積小，受力集中，齒下巖石在較大接觸應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生破裂裂紋，因此，比較容易“吃”入巖石。隨著鉆頭的回轉(zhuǎn)，楔形齒在巖石中“犁”出一條破碎穴槽，緊隨其后的圓錐弧形切削齒，則以剪切方式，大大減弱了破碎井底巖石的切削阻力，達(dá)到快速鉆進(jìn)的目的。而且，可以起到緩沖器的作用，大大提高鉆頭的抗沖擊強(qiáng)度。對(duì)鉆頭的橫向振動(dòng)，還可起到一定的抑制作用。

利用這種鉆頭在鉆進(jìn)中等研磨性、中硬和硬地層時(shí)，以及在帶有夾層的泥巖、砂巖和高泥巖地層中鉆進(jìn)時(shí)，均可取得好的機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺。

圓錐弧形復(fù)合片破碎巖石的表面呈弧形，受力條件好，能夠承受較大的鉆壓和動(dòng)載荷，在負(fù)前角鑲焊情況下，容易切入巖石，對(duì)于破碎硬巖比較有利。由于復(fù)合片表面呈圓弧形，有利于巖粉向四周分流，及時(shí)排離切削面，減少復(fù)合片的磨損。這種復(fù)合片更適用于較硬巖石，承受比較復(fù)雜的受力條件，應(yīng)用范圍較廣。

把楔形復(fù)合片和圓錐弧形復(fù)合片結(jié)合起來，使其發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，因此鉆頭具有一定的廣譜性和減振性，可以提高機(jī)械鉆速，增加鉆頭進(jìn)尺，取得好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

上述鉆頭已經(jīng)申請(qǐng)了俄羅斯發(fā)明專利，并且已經(jīng)接到國家專利局通知，予以受理。

新型鉆頭與其它鉆頭性能比較見表6［9］。

表6 新型鉆頭與其它鉆頭的性能比較Table 6 Performance comparison between the new generation drill bit and other drill bits

3.4 新設(shè)計(jì)鉆頭的試驗(yàn)效果

新鉆頭試驗(yàn)是在俄羅斯科研生產(chǎn)企業(yè)羅斯托夫鉆井公司進(jìn)行的。經(jīng)濟(jì)效果的計(jì)算是按全俄鉆井技術(shù)研究所確定的方法進(jìn)行。為了進(jìn)行對(duì)比，使用了?215.9 mm復(fù)合片鉆頭和俄羅斯國產(chǎn)三牙輪鉆頭Ⅲ215.9СГВ（此牙輪鉆頭是俄羅斯改進(jìn)的新型鉆頭，使用技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果較好），鉆進(jìn)可鉆性6～7級(jí)巖石，試驗(yàn)井段2200～2600 m，經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比見表7。表7表明，復(fù)合片鉆頭的成本為45萬盧布，三牙輪鉆頭的成本為32萬盧布左右，雖然開發(fā)的新型復(fù)合片鉆頭的成本高一點(diǎn)，但是復(fù)合片鉆頭的進(jìn)尺是三牙輪鉆頭進(jìn)尺的8倍，一個(gè)復(fù)合片鉆頭的經(jīng)濟(jì)效益為11.6552萬盧布［9］。

表7 新型PDC鉆頭經(jīng)濟(jì)效果Table 7 Economic results of new type PDC drill bits

4 討論與建議

根據(jù)上述資料，可做下述分析和建議。

（1）復(fù)合片鉆頭是近年來發(fā)展起來的一種新型鉆頭，在地質(zhì)鉆探和石油天然氣鉆井中，尤其是深部鉆進(jìn)中得到了廣泛應(yīng)用，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。但是，復(fù)合片磨損問題，特別是非正常磨損問題成了其進(jìn)一步推廣使用的“瓶頸”，建議對(duì)此進(jìn)行研究與解決。

（2）復(fù)合片非正常磨損與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)等的關(guān)系，是非線性過渡過程的關(guān)系，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行分析與處理，誤差小，精度高，效果好。有利于提高鉆探工作的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

（3）把楔形復(fù)合片和圓錐弧形復(fù)合片結(jié)合起來組合使用，使其發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，使鉆頭具有一定的廣譜性和減振性，這是一種創(chuàng)新嘗試，可以提高機(jī)械鉆速，增加鉆頭進(jìn)尺，取得好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

（4）新設(shè)計(jì)的鉆頭與其它類似鉆頭比較，具有井底凈化程度高、振動(dòng)程度小、井眼垂直度好、事故概率低、機(jī)械鉆速高、耐磨性能好、鉆頭進(jìn)尺長等特點(diǎn)，因而取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，說明這種鉆頭的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)是成功的。