高研磨性地層PDC鉆頭的研究和應(yīng)用

　　 鉆頭破碎巖石是一個鉆頭和巖石相互發(fā)生作用的過程。鉆頭在破碎巖石以后，肯定會受到巖石的反作用力從而發(fā)生磨損，進(jìn)一步會加劇鉆頭的消耗，減低破碎巖石測工作效率，占用較長的下鉆作業(yè)時(shí)間，從而大大降低鉆井效率[1]。通過大量的實(shí)踐證明，PDC鉆頭應(yīng)用在軟性、中硬度的地研磨性地層中，壽命長、鉆巖的速度快且進(jìn)尺多；但是PDC鉆頭應(yīng)用在高研磨性地層中，使用效果很差。下面本文主要針對PDC鉆頭對所鉆地層性質(zhì)較敏感的特性，探究在高研磨性地層中，如何改進(jìn)PDC鉆頭設(shè)計(jì)功能，從而提高應(yīng)用效果。
　　一、PDC齒設(shè)計(jì)和檢測技術(shù)分析
　　1、加長PDC齒輪廓設(shè)計(jì)
　　一般情況下，PDC鉆頭切削齒是圓形的，但是通過研究圓形的切削齒發(fā)現(xiàn)，如果把復(fù)合片進(jìn)一步加工成為具有長軸和短軸的橢圓形齒狀，把它的橫向尺寸或者縱向尺寸調(diào)整到0.68左右，加長齒的有效工作長度，那么將非常有利于提高工作效率。由于復(fù)合制造企業(yè)生產(chǎn)出來的PDC齒只是簡單地對大尺寸圓形復(fù)合片進(jìn)行了二次加工，其直徑大小通常為8毫米、13毫米、16毫米等系列。但根據(jù)高研磨性地層的特征，需要加工出￠19毫米以及￠13毫米這兩種加長齒類型的復(fù)合片。
　　2、加長型PDC齒有限元的分析
　　2.1 PDC鉆頭切削齒的直徑對切削力的作用
　　當(dāng)切削齒的直徑增大時(shí)，它所需的鉆壓、扭矩也會同步增大。在同樣的工作條件下，小齒比大齒更易切入巖石層。因?yàn)樾≈睆烬X切削刃的曲率高，可以在和巖石的接觸范圍內(nèi)形成較高的接觸應(yīng)力，從而進(jìn)一步促使巖石變形和破壞。在使用PDC齒切削巖石的時(shí)候，在破碎巖石體積相等的條件下，齒上面的應(yīng)力越小，其切削效果越好。但是巖石上面的應(yīng)力越大，且切削破巖就越有利[2]。通過對圓形以及橢圓形的PDC齒應(yīng)力場的有限元分析，得到了在不一樣的齒前角情況下，兩種齒的應(yīng)力場數(shù)值。如下表（一）
　　切削齒最大有效應(yīng)力表（一）
　　從表（一）可知，在齒前角度從14°- 25°切削巖石時(shí)，這兩種齒形在切削仿真過程匯總有效應(yīng)力值的變化會表現(xiàn)為一定的隨機(jī)性。這表明了在切削過程中塑性巖石破碎會對PDC齒產(chǎn)生沖擊力導(dǎo)致其中某個部位的應(yīng)力數(shù)值在瞬間達(dá)到最大。但是從總體發(fā)展情況看，齒前角在14°- 25°內(nèi)，橢圓形的應(yīng)力平均值小于圓形的應(yīng)力平均值，和圓形PDC相比，應(yīng)力下降了大約40.35%。也就是說，在切削相同面積的巖石時(shí)，橢圓形的PDC齒某個局部的最大應(yīng)力要比圓形PDC齒小很多，而橢圓形PDC齒所要承受的疲勞感應(yīng)力要比圓形小，故壽命較長。
　　2.2 兩種PDC齒破壞巖石的切削實(shí)驗(yàn)及焊接檢測
　　首先，在切削過程中，PDC齒前角雨大，其相同效果的應(yīng)力先增大后逐漸減小，但是開始破壞巖石的時(shí)候所需要的切削力是先減小隨后增大。隨著切削深度不斷加大，切削力、摩阻應(yīng)力、在PDC齒上的接觸壓力都會慢慢增大。一般情況下，小直徑齒和大直徑齒相比，具有更高的切削刃曲率，可以在巖石的接觸范圍內(nèi)產(chǎn)生更高的接觸應(yīng)力，更易讓巖石發(fā)生破壞[3]。
　　其次，橢圓形的PDC齒側(cè)面是普通柱面，在焊接過程中難度較大，必須對異形復(fù)合片進(jìn)行焊接試驗(yàn)，才能保證焊接質(zhì)量。在對異形復(fù)合片的焊接技術(shù)進(jìn)行認(rèn)真研究的前提下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于檢測焊接是否牢固需要在材料試驗(yàn)機(jī)上面用待測試件進(jìn)行抗剪切實(shí)驗(yàn)，所以需要設(shè)計(jì)、加工出特殊的夾具，進(jìn)行橫向、縱向檢測兩種實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得知，采用的異形符合片加工，它的焊接牢固度較好。
　　二、加長型齒PDC鉆頭設(shè)計(jì)制造技術(shù)
　　1、加長型PDC鉆頭的設(shè)計(jì)
　　為了提高鉆頭在密實(shí)層的吃入能力，除了需要充分利用加長齒的吃入能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)外，還需要在鉆頭外面布置大直徑齒設(shè)計(jì)主切削結(jié)構(gòu)，在中心部位設(shè)置小直徑齒的布齒計(jì)劃。同時(shí)，為了更高層次增強(qiáng)鉆頭在高研磨性地層的工作壽命，需要在鉆頭的主刀翼上面設(shè)計(jì)后備切削結(jié)構(gòu)和后置齒結(jié)構(gòu)[4]。一般情況下，對于橢圓形PDC采用單一布齒的方法，或者圓形、橢圓形PDC齒混合布齒的方法，從而保證鉆頭使用時(shí)間的同時(shí)提高鉆頭的攻擊性。
　　2、加長型PDC鉆頭的制造
　　對于高研磨性地層，PDC鉆頭需喲啊采用胎體式的結(jié)構(gòu)和制造方法。在制造這種異形加長齒鉆頭中會遇到很多新問題。例如：異形加長PDC復(fù)合片的加工、異形加長PDC復(fù)合片的焊接以及與之相匹配的特殊模具的制造等問題。在加工鉆頭之前，需要對上述每個問題進(jìn)行深入的現(xiàn)場研究，尤其是要對加長型PDC符合片的焊接質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，以避免在使用鉆頭的過程中出現(xiàn)因?yàn)橘|(zhì)量差而引起的掉齒現(xiàn)象。
　　三、現(xiàn)場的應(yīng)用效果分析
　　1、現(xiàn)場使用概況
　　選擇具有典型代表性的高研磨性地層井段作為實(shí)驗(yàn)對象，這段地層的主要特征是以砂巖、泥頁巖為主，可鉆性很差。在實(shí)際鉆井過程中，井段長約4095米，進(jìn)尺83.27米，凈使用鉆時(shí)間達(dá)到53.95小時(shí)，采用機(jī)械的平均轉(zhuǎn)速達(dá)到1.59米/時(shí)。
　　2、應(yīng)用效果分析
　　在開始鉆時(shí)，鉆壓小，轉(zhuǎn)速也較低，所以鉆速很慢，進(jìn)入正常作業(yè)階段后，鉆速明顯加快，機(jī)械鉆速能夠達(dá)到3米/時(shí)。但隨后，鉆速又開始下降。主要是因?yàn)榍邢鼾X發(fā)生了磨損，地層的環(huán)境條件越來越差。除了在磨合環(huán)節(jié)外，鉆壓基本保持在74-119kN范圍內(nèi)，但是切削齒發(fā)生磨損以后，雖然磨損量小，但是鉆頭明顯變鈍，攻擊性下降。這是就需要增加鉆壓，但需進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)速[5-6]。
　　此外，在使用過程中，同一刀翼的外錐部的兩顆臨齒都出現(xiàn)了斷裂情況，表明不是因?yàn)榍邢鼾X的自身質(zhì)量問題，而是由于外界工作條件的影響。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，導(dǎo)致PDC齒異常斷裂的主要原因是因?yàn)樵诓徽ｕ靠ㄇ闆r下，導(dǎo)致局部過載時(shí)效。
　　結(jié)語
　　橢圓形的局部最大應(yīng)力和圓形齒相比，較小，破壞的幾率較小，切削的效率較高，在切削過程中，需要的破壞巖石的能量較低。且具有長軸和短軸的橢圓形PDC齒的鉆頭具有很強(qiáng)的攻擊性，短軸的設(shè)計(jì)又能提高其工作壽命。進(jìn)一步把橢圓齒和常規(guī)圓形齒混合布齒，可以有效提高鉆頭在高研磨性地層的吃入能力。但是在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)了牙齒崩落的現(xiàn)象，說明了需要進(jìn)一步加強(qiáng)對鉆頭切削齒抗沖擊力的研究工作。