PDC鉆頭穩(wěn)定性分析

　　自二十世紀(jì)七十年代初PDC鉆頭問世以來,PDC鉆頭在世界范圍內(nèi)得到了普遍應(yīng)用。在均質(zhì)的較軟地層中PDC鉆頭具有破巖效率高、鉆速快、進(jìn)尺多、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。從八十年代中期開始,國內(nèi)許多科研院校、石油企業(yè)廠礦、石油工具廠先后投入了大量的人力物力從事PDC鉆頭的研究與開發(fā),并有多種PDC鉆頭在國內(nèi)得到推廣應(yīng)用。在研究開發(fā)與使用過程中,人們發(fā)現(xiàn)許多PDC鉆頭的損壞是由于其不能在井下穩(wěn)定地工作而造成的。為提高PDC鉆頭的工作性能,使其獲得更廣泛的適用范圍,勝利石油管理局鉆井工藝研究院對“PDC鉆頭的穩(wěn)定性技術(shù)”進(jìn)行了較多研究,在對影響PDC鉆頭穩(wěn)定性的因素進(jìn)行大量調(diào)研及分析。

　　現(xiàn)場應(yīng)用中,有許多PDC鉆頭的鉆進(jìn)性能不理想,進(jìn)尺少、鉆速慢、壽命短,分析其原因主要是由于在鉆進(jìn)過程中PDC鉆頭發(fā)生了某種振動而使PDC鉆頭不能夠穩(wěn)定工作所致。振動形式主要有三類:回旋振動、扭轉(zhuǎn)振動及軸向振動,本文僅對前兩類進(jìn)行研究。

　　1回旋振動

　　1.1回旋現(xiàn)象

　　鉆頭回旋是一種橫向運(yùn)動,在井眼直徑稍大于鉆頭直徑的情況下由作用在鉆頭上的側(cè)向力(不平衡力)引起的。側(cè)向力迫使鉆頭偏離原來井眼中心作橫向移動,將鉆頭推向井壁,從而使鉆頭瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心不再是鉆頭幾何中心。此時(shí),鉆頭瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心可能位于鉆頭幾何中心與原井眼中心之間稱正向回旋;可能位于鉆頭幾何中心與井壁之間稱反向回旋。事實(shí)上多數(shù)情況下鉆頭回旋屬于瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心位于鉆頭保徑部位的反向回旋。而此種回旋恰恰是引起鉆頭振動程度最為嚴(yán)重的情況。在這種情況下,鉆頭與井壁間的作用就類似于一組內(nèi)行星齒輪機(jī)構(gòu),鉆頭的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心是位于鉆頭與井壁的接觸部位。此時(shí)鉆頭既有自轉(zhuǎn)又有與自轉(zhuǎn)相反的公轉(zhuǎn)。

　　1.2回旋振動的危害

　　正向回旋,由于鉆頭瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心離原井眼中心較近,多數(shù)PDC切削齒的運(yùn)動狀態(tài)與受力狀態(tài)屬于正常,因而危害不大。以下僅講反向回旋且主要指常常發(fā)生的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心為鉆頭保徑處的情況,簡稱回旋。鉆頭發(fā)生回旋時(shí),鉆頭設(shè)計(jì)的最基本前提鉆頭的幾何中心是鉆頭的旋轉(zhuǎn)中心不再成立,因而鉆頭的幾何結(jié)構(gòu)、PDC切削齒的布置變得不合理?；匦\(yùn)動改變了PDC切削齒的工作狀態(tài),切削齒有時(shí)正向運(yùn)動,有時(shí)側(cè)向運(yùn)動,有時(shí)反向運(yùn)動,每個(gè)PDC切削齒都承受著很大的沖擊載荷。

　　PDC切削齒的運(yùn)動速度和方向無時(shí)不在變化,尤其是每時(shí)每刻總有部分PDC切削齒的切向運(yùn)動速度與設(shè)計(jì)要求的方向相反,這叫瞬時(shí)局部反向旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,對PDC切削齒的破壞特別嚴(yán)重。

　　反向旋轉(zhuǎn)的危害極大,是由于PDC切削齒的承載特點(diǎn)所決定的。PDC切削齒的結(jié)構(gòu)和自銳特點(diǎn)只允許它承受來自正面的載荷,對來自側(cè)面和反面的載荷的承受能力很弱。反向旋轉(zhuǎn)切削力主要作用在自銳出露的金剛石層反面上,正面無任何支撐,即使在較小載荷、作用時(shí)間較短的情況下,切削齒的金剛石層也會遭到嚴(yán)重破壞。

　　1.3影響鉆頭回旋的因素

　　1)鉆頭結(jié)構(gòu)。一般來說,促使鉆頭產(chǎn)生橫向運(yùn)動的任何因素都能增加鉆頭回旋傾向。鉆頭切削不平衡力愈大,冠高系數(shù)愈大或外錐愈長,保徑部位愈粗糙,則愈易發(fā)生回旋。

　　2)巖石性能。在軟地層中鉆進(jìn)速度較快,沒有足夠的時(shí)間使井徑擴(kuò)大,因而鉆頭回旋不易發(fā)生。相反,由于某種原因,如鉆較硬地層,機(jī)械鉆速就較慢,鉆頭就有可能發(fā)生回旋。易引起鉆頭泥包的粘性地層可減小回旋傾向。不太軟的松散地層通常最糟,因?yàn)樗鼧O易引起井徑擴(kuò)大,所以很易導(dǎo)致鉆頭回旋的發(fā)生。

　　3)操作參數(shù)。轉(zhuǎn)速愈高,離心力愈大,鉆頭愈易發(fā)生回旋或回旋不易停止。鉆壓愈小,越易發(fā)生回旋,因?yàn)橄鄬Σ黄胶饬υ龃蟆?

　　2扭轉(zhuǎn)振動

　　2.1扭轉(zhuǎn)振動現(xiàn)象

　　引起PDC鉆頭扭轉(zhuǎn)振動的原因主要有兩個(gè),其一是PDC鉆頭切削齒對地層的切削作用使鉆頭及鉆柱承受扭轉(zhuǎn)力,這個(gè)扭轉(zhuǎn)力達(dá)到一定值時(shí)可導(dǎo)致鉆頭發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動;其二是井底鉆具與井壁的接觸,它們之間存在著一個(gè)摩擦力,當(dāng)這個(gè)摩擦力達(dá)到一定大的數(shù)值時(shí),就會導(dǎo)致鉆柱扭轉(zhuǎn)振動,從而引起PDC鉆頭發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。當(dāng)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動時(shí),鉆頭會發(fā)生卡滑現(xiàn)象。這種卡滑現(xiàn)象類似于單自由度扭振系統(tǒng)的有阻尼受迫振動,在鉆頭(或井底鉆具)停止轉(zhuǎn)動而處于靜止階段時(shí),鉆具在轉(zhuǎn)盤驅(qū)動下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,當(dāng)變形到鉆具施加到鉆頭(或井底鉆具)的扭轉(zhuǎn)力克服了切削扭矩(或摩擦扭矩)時(shí),鉆頭突然開始運(yùn)動。轉(zhuǎn)速迅速增大,最大時(shí)可以達(dá)到轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的許多倍,隨后逐漸降低,而最后階段甚至?xí)a(chǎn)生鉆頭反向旋轉(zhuǎn)。這種扭轉(zhuǎn)振動(卡滑)現(xiàn)象反映在鉆臺上就是我們常說的蹩鉆現(xiàn)象。

　　2.2扭轉(zhuǎn)振動的危害

　　發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動時(shí),鉆頭會發(fā)生卡滑現(xiàn)象,導(dǎo)致鉆頭轉(zhuǎn)速時(shí)大時(shí)小,甚至靜止不動,或反向旋轉(zhuǎn)。這樣就會使PDC切削齒承受很大的沖擊載荷,加速切削齒的磨損甚至引起金剛石層脫落,尤其是鉆頭反向旋轉(zhuǎn)更容易導(dǎo)致PDC金剛石層的碎裂或脫落。由于鉆頭或井底鉆具發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動時(shí),鉆柱承受著循環(huán)交變載荷,所以很易引起鉆具疲勞破壞。

　　2.3影響扭轉(zhuǎn)振動的因素

　　 研究證明,在鉆頭布齒密度大、鉆頭已磨鈍、地層較硬、泥餅?zāi)Σ料禂?shù)大、水敏地層、高鉆壓低轉(zhuǎn)速情況下,鉆頭容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。鉆頭布齒密度大,要想取得同樣快的機(jī)械鉆速,必須加更大的鉆壓,這樣一是增大了切削齒與巖石間的摩擦力,二是更易使BHA靠近井壁,因而容易引起扭轉(zhuǎn)振動。水敏地層或泥餅?zāi)Σ料禂?shù)大,加大了BHA與井壁間的摩擦力,所以易引起扭轉(zhuǎn)振動。在PDC切削齒吃入地層相同深度的情況下,地層越硬,鉆頭切削扭矩就越大,所以越易引起扭轉(zhuǎn)振動。PDC鉆頭的一個(gè)固有特性是隨著轉(zhuǎn)速的增大而扭矩減小。對于磨鈍了的PDC鉆頭,這個(gè)特性更為明顯。這是因?yàn)殇h利的PDC鉆頭以剪切方式破巖,巖屑的排出方便迅速,而磨鈍了的PDC鉆頭部分地以擠壓方式破巖,巖屑不易清除,因而扭矩增大,若轉(zhuǎn)速增大,巖屑清除速度加快,因而扭矩就會減小。也就是說“井底巖屑不能及時(shí)清除”是引起“扭矩隨轉(zhuǎn)速增大而減小”這一PDC鉆頭特性的根本原因。這也說明,磨鈍了的PDC鉆頭在低轉(zhuǎn)速條件下容易引起扭轉(zhuǎn)振動。