分析PDC鉆頭內(nèi)鑲式二級(jí)齒新技術(shù)

　  PDC鉆頭是聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的簡(jiǎn)稱(chēng)，也是當(dāng)前石油鉆井行業(yè)中所經(jīng)常使用到的一種鉆井工具。內(nèi)鑲式二級(jí)齒新技術(shù)，即是在常規(guī)PDC鉆頭的切削結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，再另行添加后備的切削結(jié)構(gòu)，并使二級(jí)齒能處于主切削齒的上方。通過(guò)二級(jí)齒與主切削齒的配合使用，以構(gòu)建出能夠連續(xù)工作的復(fù)合切削結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐證明，PDC鉆頭內(nèi)鑲式二級(jí)齒新技術(shù)的應(yīng)用，鉆頭工作平穩(wěn)，可鉆范圍和使用壽命增加，能顯著提升鉆井的整體經(jīng)濟(jì)效益。
　　一、PDC鉆頭的損壞機(jī)理
　　PDC鉆頭在實(shí)際工作過(guò)程中的損壞，主要表現(xiàn)為切削齒的損壞。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料顯示，切削齒損壞主要表現(xiàn)為磨損破壞和沖擊破壞這兩種主要形式。
　　1.切削齒磨損破壞機(jī)理
　　PDC切削齒的磨損機(jī)理主要受到PDC片以及合金基體磨損機(jī)理的影響。其中，PDC切削齒的使用材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是決定了切削齒磨損方式的內(nèi)部因素；而切削齒的工作環(huán)境、切削面所產(chǎn)生的摩擦熱效果以及沖擊性荷載的大小，是決定切削齒磨損機(jī)理的外部因素。
　　2.切削齒沖擊破壞機(jī)理
　　大量現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)資料表明，由沖擊荷載所引發(fā)的切削齒碎裂是引發(fā)PDC鉆頭過(guò)早失效的主要因素。由于抗沖性能差是金剛石材料固有的缺點(diǎn)，雖然PDC復(fù)合片在耐沖性能上有所改善，但是在受到?jīng)_擊荷載時(shí)，仍然較容易碎裂。根據(jù)沖擊荷載的作用方式，還可將PDC切削齒的損壞形式主要?jiǎng)澐譃?，因鉆頭軸向沖擊荷載所引發(fā)的剝落以及因水平方向沖擊荷載所引發(fā)的崩刃（如下圖1和下圖2所示）。
　　圖1 因軸向沖擊力引發(fā)的剝落 圖2 因水平?jīng)_擊力引發(fā)的崩刃
　　二、內(nèi)鑲式二級(jí)齒新技術(shù)設(shè)計(jì)原理及特點(diǎn)
　　1.設(shè)計(jì)原理
　　結(jié)合PDC鉆頭損壞機(jī)理進(jìn)行綜合分析，為了有效提升PDC鉆頭的正常工作壽命以及適用范圍，除了應(yīng)當(dāng)選用具有較強(qiáng)耐磨性和抗沖擊性的PDC復(fù)合片以外，還應(yīng)當(dāng)做好在PDC鉆頭切削結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，例如布置方式設(shè)計(jì)、切削齒尺寸選擇、切削齒數(shù)量設(shè)計(jì)以及切削齒工作角設(shè)計(jì)等等。
　　而內(nèi)鑲式二級(jí)齒新技術(shù)，作為當(dāng)前PDC鉆頭切削結(jié)構(gòu)在布置方式上的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是在常規(guī)PDC鉆頭的切削結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，再另行添加后備的切削結(jié)構(gòu)，并使二級(jí)齒能處于主切削齒的上方，通過(guò)二級(jí)齒與主切削齒的配合使用，以構(gòu)建出能夠連續(xù)工作的復(fù)合切削結(jié)構(gòu)（如下圖3所示）。
　　圖3 內(nèi)鑲式二級(jí)齒復(fù)合切削結(jié)構(gòu)示意圖
　　由上圖3可以發(fā)現(xiàn)，二級(jí)齒切削結(jié)構(gòu)和相對(duì)應(yīng)的主切削齒結(jié)構(gòu)是上下相連接的，并呈現(xiàn)為葫蘆形狀。后備二級(jí)齒切削結(jié)構(gòu)作為特殊形狀的切削齒，它的切削刃部分主要由兩端圓弧所構(gòu)成，其中一段圓弧為原刃，而另一段圓弧則和相對(duì)應(yīng)的主切削齒的主體輪廓相結(jié)合，要求結(jié)合時(shí)的方式應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作的需要進(jìn)行調(diào)整。
　　在進(jìn)行PDC鉆頭切削結(jié)構(gòu)布置方式的設(shè)計(jì)時(shí)，可以將二級(jí)齒結(jié)構(gòu)布置在鉆頭的不同位置，既可以選擇是部分刀翼上布置，也可在每個(gè)刀翼上均布置設(shè)計(jì)，通常而言，二級(jí)齒應(yīng)布置和分布在切削齒最容易磨損的外錐部位或者冠頂部位。在進(jìn)行二級(jí)齒和主切削齒組合的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作需要選取具備不同尺寸的復(fù)合片，同時(shí)做好二級(jí)齒后傾角的選擇。
　　2.新技術(shù)的特點(diǎn)
　　內(nèi)鑲式二級(jí)齒新技術(shù)主要具有以下幾方面特點(diǎn)：
　　2.1由于在設(shè)計(jì)中，二級(jí)切削齒是沿著縱向串行方向進(jìn)行布置設(shè)計(jì)的，在主切削齒工作性能良好時(shí)，二級(jí)切削齒并不參與切削工作，因此該技術(shù)方案并不會(huì)影響到PDC鉆頭主切削結(jié)構(gòu)的性能，且還能有效提升鉆頭的適用范圍，在可鉆性較差或硬夾層較多的地層也較為適宜。
　　2.2后備切削結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，提升了PDC鉆頭可用復(fù)合片的數(shù)量，使鉆頭的正常使用壽命得到了明顯提升。
　　2.3由于二級(jí)齒為內(nèi)鑲式結(jié)構(gòu)，因此并不占據(jù)原有鉆頭冠部的使用空間，且能與鉆頭表面的緩沖節(jié)以及后置齒，能夠完全相容并配合使用。
　　三、內(nèi)鑲式二級(jí)齒新技術(shù)的具體應(yīng)用
　　以某油田地區(qū)的鉆探開(kāi)采為例，由于該油田某區(qū)域地質(zhì)多為穩(wěn)定的礦物與巖屑所構(gòu)成，且石英含量較高、粒徑較大，可鉆性較差。對(duì)于區(qū)域內(nèi)井斜度較大的井，PDC鉆頭還可能需要穿越150米以上的底礫巖，根據(jù)實(shí)際測(cè)量資料分析，其鉆探中最高抗壓強(qiáng)度可達(dá)到65MPa以上。而對(duì)于這種惡劣的地層條件，并不適宜于常規(guī)的PDC鉆頭實(shí)施鉆探工作。為提升該區(qū)域全井段的機(jī)械鉆探速度，并使PDC鉆頭能夠有效穿越底礫巖層。在全井段的PDC鉆頭中采用了內(nèi)鑲式二級(jí)齒新技術(shù)，制作出了第二代BD606KG鉆頭。
　　通過(guò)該新型鉆頭在該油田A14井中的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，單只鉆頭能完整鉆完包括底礫巖層的全井段，且鉆頭的總進(jìn)尺量為1600米以上，平均機(jī)械鉆速高達(dá)80m/h，出井后PDC鉆頭的磨損分級(jí)為：3-4-CT-AX-1/16-NO-TD。從出井后PDC鉆頭的磨損情況可以發(fā)現(xiàn)，鉆頭的主切削齒已出現(xiàn)嚴(yán)重磨損而失效，二級(jí)齒在后續(xù)的鉆探中發(fā)揮著主力破巖的功能。若沒(méi)有內(nèi)鑲式二級(jí)齒技術(shù)的應(yīng)用，要完整穿越底礫巖層并鉆完全井段將是非常困難的。
　　四、總結(jié)
　　當(dāng)前，PDC鉆頭在石油鉆井行業(yè)中仍處于發(fā)展的初期階段，仍具備著巨大的優(yōu)化與發(fā)展的潛力。PDC鉆頭的一個(gè)重要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)變化多樣，設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)，且對(duì)使用條件和適用地層有著較強(qiáng)的敏感性，而內(nèi)鑲式二級(jí)齒新技術(shù)即針對(duì)PDC鉆頭這一特點(diǎn)而進(jìn)行的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的更新與優(yōu)化。通過(guò)工程實(shí)踐證明，通過(guò)內(nèi)鑲式二級(jí)齒新技術(shù)的有效應(yīng)用，不僅使PDC鉆頭獲得了更高的機(jī)械性能與更長(zhǎng)的使用壽命，而在對(duì)地層具備了更廣泛的適應(yīng)能力，值得在石油鉆井行業(yè)中大力推廣和應(yīng)用。