關(guān)于PDC鉆頭破巖效率的研究:鉆頭破巖機(jī)理

       鉆頭作為鉆進(jìn)過(guò)程中主要的破巖工具，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響鉆進(jìn)速度以及鉆井的質(zhì)量和成本。PDC鉆頭作為金剛石鉆頭的一種，其在低鉆壓下可以獲得比較好的進(jìn)尺和鉆速，因而得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于PDC鉆頭，其切削齒尺寸、后傾角和布齒密度是影響其性能的重要參數(shù)，本文通過(guò)對(duì)PDC鉆頭的室內(nèi)試驗(yàn)，探討了切削齒尺寸、后傾角和布齒密度對(duì)PDC鉆頭破巖效率的影響。

       在鉆井實(shí)踐中，切削齒尺寸、后傾角和布齒密度被證明是影響PDC鉆頭性能的重要參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)PDC鉆頭的破巖效率起著關(guān)鍵性作用。在當(dāng)前的PDC鉆頭設(shè)計(jì)中，很多情況下施工人員是憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)削齒尺寸、后傾角和布齒密度進(jìn)行設(shè)計(jì)的，比如，對(duì)于軟地層會(huì)采用低密度、大尺寸布齒，對(duì)于硬地層會(huì)采用高密度、小尺寸布齒，后傾角為10°～30°。目前，由于缺乏理論依據(jù)，在對(duì)PDC切削齒尺寸、后傾角和布齒密度進(jìn)行取值時(shí)往往會(huì)存在不確定性，無(wú)法滿足PDC鉆頭設(shè)計(jì)的需求。

　　1試驗(yàn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

　　本文將試驗(yàn)鉆頭設(shè)計(jì)為直徑為100mm的四刀翼鉆頭，將鉆頭的剖面形狀設(shè)計(jì)為“直線-圓弧-直線”的形狀，外錐角為15°，內(nèi)錐角為130°，冠頂圓弧半徑為13mm，冠頂旋轉(zhuǎn)半徑為30mm，將切削齒的直徑設(shè)計(jì)為13.44mm，15.88mm，19.05mm，后傾角的取值為5°、10°、15°、20°、25°。在試驗(yàn)鉆頭的數(shù)量上一共設(shè)計(jì)了21個(gè)試驗(yàn)鉆頭。在巖樣的制備上，筆者為了使試驗(yàn)具有良好的對(duì)比性和重復(fù)性，將采取人造巖樣進(jìn)行試驗(yàn)，主材以水泥為主，共制作了三種標(biāo)準(zhǔn)的巖樣，分別代表了極軟、軟和中這三類地層。

　　2鉆進(jìn)試驗(yàn)過(guò)程

　　筆者采用3H-650A型鉆頭試驗(yàn)臺(tái)架來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，該試驗(yàn)臺(tái)架的組成部分主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、液壓控制鉆壓系統(tǒng)、水力循環(huán)清洗系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在鉆進(jìn)試驗(yàn)中，筆者將轉(zhuǎn)速固定為60 r/min ，將鉆壓分別設(shè)計(jì)為4kN，6kN和8kN，在循環(huán)介質(zhì)方面選用清水，將清水的流量設(shè)計(jì)為11 L/s。整個(gè)試驗(yàn)主要包括兩個(gè)階段，在第一階段，使用1～15號(hào)鉆頭來(lái)對(duì)1#，2#和3#巖樣進(jìn)行鉆進(jìn)，試驗(yàn)臺(tái)架的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將鉆壓、鉆時(shí)、扭矩、轉(zhuǎn)速和進(jìn)尺進(jìn)行自動(dòng)記錄，并且每次進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)連續(xù)重復(fù)三次，最終將計(jì)算出的平均鉆速作為破巖石效率的指標(biāo)。在第二階段，首先對(duì)第一階段的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，優(yōu)選出適合不同巖樣的最佳切削齒直徑和后傾角，然后使用后面的16～21號(hào)鉆頭來(lái)對(duì)1#，2#和3#巖樣進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)，記錄結(jié)果并分析布齒密度對(duì)鉆頭破巖效率的影響規(guī)律。

　　3切削齒尺寸與后傾角對(duì)破巖效率的影響

　　下面三個(gè)圖是鉆頭在6kN鉆壓下對(duì)三種巖樣鉆進(jìn)時(shí)，鉆速受切削齒直徑和后傾角影響所形成的平均數(shù)值曲線圖。

　　通過(guò)對(duì)不同鉆壓下鉆頭鉆進(jìn)三種巖樣的平均鉆速、切削齒直徑以及后傾角進(jìn)行分析，筆者發(fā)現(xiàn)，鉆頭在6kN、8kN和10kN鉆壓下的變化規(guī)律基本相同，只是在平均鉆速上略有不同。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，切削齒和后傾角對(duì)PDC鉆頭的破巖效率會(huì)產(chǎn)生比較大的影響。其中，在鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)切削齒直徑為16 mm和19 mm，巖樣的可鉆性級(jí)值分別為3.5、4.6和5.8，后傾角為10°～15°時(shí)，PDC鉆頭的破巖效率較高；當(dāng)切削齒直徑為13mm，巖樣的可鉆性級(jí)值為 3.5，后傾角為10°～15°時(shí)，或者是巖樣的可鉆性級(jí)值為4.6和5.8，后傾角為15°～20°時(shí)，PDC鉆頭的破巖效率較高。

　　從上面三個(gè)曲線圖中，還可以看出，切削齒尺寸對(duì)PDC鉆頭的破巖效率也會(huì)產(chǎn)生非常大的影響，當(dāng)巖樣的可鉆性級(jí)值均為3.5時(shí)，平均鉆速按從高到低依次為19mm切削齒鉆頭、16mm切削齒鉆頭、13 mm切削齒鉆頭；當(dāng)巖樣的可鉆性級(jí)值為4.6和5.8時(shí)，平均鉆速按從高到低依次為16mm切削齒鉆頭、19mm切削齒鉆。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在同樣的鉆壓水平下，當(dāng)?shù)貙涌摄@性級(jí)值低、抗鉆阻力小時(shí)，切削齒比較容易鉆進(jìn)地層，所以在此時(shí)使用大尺度的切削齒所獲得的破巖效率比較高；反之，當(dāng)?shù)貙涌摄@性級(jí)值高，抗鉆阻力大時(shí)，如果選用較大尺寸的切削齒，就很難鉆入地層。由此可見(jiàn)，當(dāng)使用PDC鉆進(jìn)三級(jí)以下的地層時(shí)，選取19mm的切削齒可以獲得比較好的破巖效率；當(dāng)對(duì)Ⅳ和Ⅴ級(jí)地層進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，選用16mm的切削齒可以獲得比較好的破巖效率。可見(jiàn)，如果地層可鉆性級(jí)值高，則應(yīng)當(dāng)選用直徑小的切削齒來(lái)鉆進(jìn)。

　　PDC鉆頭的破巖效率與切削齒尺寸、切削齒的后傾角和布齒密度都有顯著關(guān)系。在切削齒尺寸方面，在選用鉆頭時(shí)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)地層的性質(zhì)來(lái)選取合適尺寸的切削齒，當(dāng)對(duì)可鉆性級(jí)值在三級(jí)以下的軟地層進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，可以選用直徑為19mm或者更大的切削齒來(lái)鉆進(jìn)；當(dāng)對(duì)可鉆性級(jí)值為5～9級(jí)的地層鉆進(jìn)時(shí)，可以選用直徑為16mm的切削齒來(lái)鉆進(jìn)。在切削齒的后傾角方面，PDC鉆頭的破巖效率與地層性質(zhì)和切削齒尺寸有關(guān)，對(duì)可鉆性級(jí)值為五級(jí)以下地層鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)切削齒直徑為19mm或16mm時(shí)，應(yīng)當(dāng)選取的最佳后傾角為10°～15°，對(duì)可鉆性級(jí)值更高的地層鉆進(jìn)時(shí)，但切削齒直徑為13mm，應(yīng)當(dāng)選取的最佳后傾角為15°～20°。在布齒密度方面，PDC鉆頭的鉆進(jìn)速度會(huì)隨著布齒密度的增加而發(fā)生降低，在設(shè)計(jì)PDC鉆頭時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)切削齒尺寸和地層的性質(zhì)來(lái)設(shè)計(jì)布齒密度。