PDC鉆頭的原理和應(yīng)用

　　對(duì)PDC鉆頭的分析
　　PDC鉆頭于20世紀(jì)70年代投入應(yīng)用。在過(guò)去的30多年中,大量的技術(shù)進(jìn)步使PDC鉆頭在鉆頭市場(chǎng)上占有重要份額,并且成增長(zhǎng)趨勢(shì)。過(guò)去,PDC鉆頭只限于鉆軟到中硬地層,不能鉆研磨性地層。今天,大量的發(fā)明和技術(shù)突破使PDC鉆頭的鉆速更快、鉆井質(zhì)量更好而且鉆井深度更深,其應(yīng)用范圍也擴(kuò)大到硬地層和研磨性地層。
　　1.1聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭的材料
　　聚晶金剛石復(fù)合片是以金剛石粉為原料加入粘結(jié)劑在高溫高壓下燒結(jié)而成。由于聚晶金剛石內(nèi)晶體間的取向不規(guī)則,不存在單晶金剛石所固有的解理面,所以PDC的抗磨性及強(qiáng)度高于天然金剛石且不易破碎。但由于多種材料的存在,熱穩(wěn)定性較差,同時(shí)脆性較強(qiáng),不能經(jīng)受沖擊載荷。后來(lái)隨著PDC鉆頭的技術(shù)進(jìn)步使得聚晶金剛石薄片與碳化鎢圓片接觸面的幾何形狀有了改進(jìn),也使PDC鉆頭的熱穩(wěn)定極限也由原先的700。C提高到1150℃。
　　1.2聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭的結(jié)構(gòu)
　　與牙輪鉆頭不同,PDC鉆頭沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件。按鉆頭體材料及切削齒結(jié)構(gòu)把PDC鉆頭分為胎體及鋼體兩類。胎體鉆頭的鉆頭體用碳化鎢制成,再將復(fù)合片直接焊接在本體;鋼體鉆頭的鉆頭體用整塊的合金鋼加工而成,再將復(fù)合片焊接在碳化鎢材料齒柱上制成切削齒,然后將切削齒鑲嵌在鉆頭體上。
　　1.3PDC鉆頭的水力結(jié)構(gòu)
　　PDC鉆頭采用水眼供給鉆井液,通過(guò)切削齒的排列分配鉆井液的方式保證切削齒的清洗、冷卻和潤(rùn)滑。PDC鉆頭有刮刀式、單齒式和組合式三種排列及分布方式。
　　1.4PDC鉆頭的工作原理
　　PDC鉆頭工作原理和刮刀鉆頭基本相同。
　　1)PDC鉆頭在鉆進(jìn)某些硬地層時(shí),在鉆壓作用下壓入巖石,使與金剛石接觸的巖石處于極高的應(yīng)力狀態(tài)而使巖石呈現(xiàn)塑性。
　　在塑性(或巖石在應(yīng)力作用下呈塑性)地層,金剛石吃入地層并在鉆頭扭矩的作用下使前方的巖石內(nèi)部發(fā)生破碎或塑性流動(dòng),脫離巖石基體,形成巖屑。
　　3)在脆性較大的巖石中,在鉆壓和扭矩作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力使巖石表現(xiàn)為脆性破碎,即屬于以剪力和張力破壞巖石。這種情況下金剛石鉆頭的破巖速度較高,巖石破碎的體積遠(yuǎn)大于金剛石吃入后位移的體積。
　　在堅(jiān)硬巖石中,由于金剛石本身強(qiáng)度的限制,較大粒度金剛石上的鉆壓不足以使巖石內(nèi)部產(chǎn)生塑性變形。所以一般均采用細(xì)顆粒的金剛石制成孕鑲式金剛石鉆頭來(lái)鉆進(jìn),其特點(diǎn)是要靠金剛石的棱角實(shí)現(xiàn)微切削、刻劃等方式來(lái)破碎巖石。這樣分離出來(lái)的巖屑基本上是粒度很細(xì)的粉末,鉆頭的工作效率和壽命均很低。
　　1.5PDC鉆頭的使用
　　綜合PDC鉆頭以上特點(diǎn),我們?cè)谑褂肞DC鉆頭時(shí)要注意以下問(wèn)題:
　　1)PDC鉆頭的材料決定了其熱穩(wěn)定性較差,所以在選擇PDC鉆頭時(shí)要盡量選擇少翼多噴嘴類,以確保鉆頭能夠及時(shí)被冷卻,而且不易造成鉆頭泥包,從而提高鉆頭機(jī)械鉆速和延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。
　　在適合PDC鉆頭鉆進(jìn)的相應(yīng)地層使用,即在中硬或呈脆性硬巖層中才更能體現(xiàn)出PDC鉆頭的優(yōu)越性。
　　PDC鉆頭的工作原理和刮刀鉆頭基本相同,所以鉆壓不能過(guò)大,要嚴(yán)格按照PDC鉆頭使用說(shuō)明執(zhí)行。
　　PDC鉆頭在定向井中存在的問(wèn)題
　　2.1方位和井斜變化
　　在樁西、孤島等地區(qū)以往的定向井施工中,在同樣的地層條件和使用相同的鉆具組合時(shí),PDC鉆頭表現(xiàn)出比使用牙輪鉆頭方位更容易漂移的現(xiàn)象。
　　PDC鉆頭一般要求使用較低的鉆壓,較高的轉(zhuǎn)速。在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí),PDC鉆頭使用的鉆壓一般為同尺寸牙輪鉆頭的20%-40%。以Ф216mm鉆頭為例,三牙輪鉆頭使用的鉆壓范圍為120-200KN;而PDC鉆頭使用的鉆壓范圍為20-80KN。由于鉆壓的差異,同一鉆具結(jié)構(gòu),采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)與采用PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí)的使用效果大相徑庭。使用同樣的鉆具組合,在使用牙輪鉆頭時(shí),表現(xiàn)為增斜效果,但在使用PDC鉆頭時(shí),卻往往表現(xiàn)出降斜效果。施工經(jīng)驗(yàn)表明:采用PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí),性能不穩(wěn)定,對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)比較敏感,常出現(xiàn)大幅降斜的情況。
　　2.2鉆頭進(jìn)尺
　　由于PDC鉆頭本身的一些特性,造成在定向井中井斜、方位控制方面的問(wèn)題,所以在現(xiàn)場(chǎng)定向井多使用牙輪鉆頭。而牙輪鉆頭壽命不夠長(zhǎng),進(jìn)尺少,增加了起下鉆次數(shù),影響了整個(gè)施工進(jìn)度,尤其是在東營(yíng)組至沙河街組比較適合PDC鉆頭鉆進(jìn)的井段。而且頻繁的起下鉆延長(zhǎng)泥漿對(duì)油氣層的浸泡時(shí)間,對(duì)油氣層損害比較嚴(yán)重,影響對(duì)油氣的開(kāi)采。
　　2.3鉆機(jī)負(fù)荷問(wèn)題
　　PDC鉆頭是利用巖石抗剪強(qiáng)度較低的特點(diǎn),采用高強(qiáng)度的聚晶金剛石復(fù)合片為切削元件,以切削方式來(lái)破碎巖石的。由于整只鉆頭無(wú)活動(dòng)件,鉆進(jìn)中鉆機(jī)負(fù)荷較重。特別是在井較深或井斜角較大時(shí),這種情況會(huì)更嚴(yán)重,可能導(dǎo)致鉆具扭斷、脹扣、倒扣等事故發(fā)生。
　　結(jié)論與認(rèn)識(shí)
　　1)要選擇性的使用PDC鉆頭,在不影響鉆速的前提下,盡量選用少翼多噴嘴類型鉆頭,可以避免PDC鉆頭熱穩(wěn)定性差的問(wèn)題,保證進(jìn)尺。
　　2)使用PDC鉆頭要注意鉆壓不能過(guò)大,防止崩掉復(fù)合片。
　　3)使用PDC鉆頭可以有效提高機(jī)械鉆速,減少起下鉆次數(shù)。但是以優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力鉆具和無(wú)線隨鉆儀器為基礎(chǔ)的。
　　4)在適合PDC鉆頭鉆進(jìn)的地層中使用PDC鉆頭,更能體現(xiàn)出其優(yōu)越性。