PDC鉆頭渦動(dòng)造成的危害和渦動(dòng)的原因

PDC鉆頭渦動(dòng)是導(dǎo)致其在鉆井過(guò)程中過(guò)早損壞的主要原因之一,鉆頭渦動(dòng)時(shí),由于鉆頭的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心不斷變化,切削齒可能橫向甚至向后切削井底巖石,引起PDC鉆頭切削齒刃尖崩刃或者復(fù)合片成塊狀剝落,從而加快切削齒的磨損,縮短鉆頭的壽命。因此,對(duì)PDC鉆頭的渦動(dòng)分析有重要的意義。
　　
　　1 PDC鉆頭渦動(dòng)的危害
　　由于渦動(dòng)的存在,PDC鉆頭切削齒的運(yùn)動(dòng)速度和方向無(wú)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(dòng)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(duì)PDC切削齒的破壞特別嚴(yán)重。
　　由于PDC切削齒的結(jié)構(gòu)和自銳特點(diǎn),它只允許PDC鉆頭承受來(lái)自正面的載荷,而對(duì)來(lái)自側(cè)面和反面載荷的承受能力很弱。當(dāng)切削力作用在金剛石層的正面,由于后面有WC底層支撐著金剛石層,故切削齒可承受較大載荷;如果切削力主要作用在自銳出露的金剛石層反面上,正面無(wú)任何支撐,即使承受較小載荷,作用時(shí)間較短的情況下,切削齒的金剛石層也會(huì)遭到嚴(yán)重破壞。
　　PDC鉆頭發(fā)生回旋振動(dòng)時(shí),切削齒承受的沖擊載荷很大,所以,在較硬地層中,PDC切削齒的部分或整個(gè)金剛石層容易碎裂。當(dāng)作用力在PDC切削齒反面時(shí),使其失去自銳能力,這是導(dǎo)致PDC鉆頭先期損壞的主要原因。
　　
　　2 PDC鉆頭渦動(dòng)的原因
　　在實(shí)際的鉆井過(guò)程中,底部鉆具最容易出現(xiàn)渦動(dòng)。鉆桿與下端鉆頭的連接,鉆頭并不是只起到“鉸支”的作用,而會(huì)產(chǎn)生渦動(dòng)。
　　鉆頭瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心發(fā)生位移的現(xiàn)象,稱(chēng)為鉆頭的渦動(dòng)。鉆頭渦動(dòng)與鉆桿渦動(dòng)有許多相同之處,二者都是在井眼中旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)中心偏離幾何中心,周邊上一點(diǎn)與井壁接觸。一旦渦動(dòng)開(kāi)始,就會(huì)有很大的離心力,使接觸點(diǎn)處產(chǎn)生摩擦力來(lái)維持渦動(dòng)。
　　影響渦動(dòng)的因素主要有以下幾種。
　　(1)鉆頭結(jié)構(gòu)。促使鉆頭產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng)的任何因素都能增加鉆頭回旋。鉆頭切削不平衡力愈大,冠高系數(shù)愈大或外錐愈長(zhǎng),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,鉆頭沒(méi)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,如鉆較硬地層時(shí),機(jī)械鉆速較慢,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。松散地層通常條件最差,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)速越高,離心力越大,鉆頭越易發(fā)生回旋或回旋不易停止。因?yàn)橄鄬?duì)不平衡力增大,使得鉆壓越小,越易發(fā)生回旋。
　　
　　3 提高PDC鉆頭穩(wěn)定性措施
　　解決鉆井的不穩(wěn)定性因素,可以提高鉆井效率?？偟膩?lái)說(shuō),提高PDC鉆頭穩(wěn)定性的措施目前主要有以下幾種。
　　(1)平坦的鉆頭冠部輪廓。試驗(yàn)表明,鉆頭冠部輪廓錐度愈大,鉆頭旋轉(zhuǎn)中心越容易發(fā)生橫向偏移。反之,具有平坦冠部輪廓的PDC鉆頭不易發(fā)生橫向移動(dòng),其穩(wěn)定性較好。
　　(2)鉆頭冠部輪廓深內(nèi)錐。當(dāng)PDC鉆頭發(fā)生橫向偏移時(shí),鉆頭深內(nèi)錐切削齒的受力方向與錐外切削齒的受力方向相反。這樣內(nèi)錐切削齒的受力將阻止鉆頭作進(jìn)一步橫向運(yùn)動(dòng)。深內(nèi)錐結(jié)構(gòu)的另一個(gè)作用是防止內(nèi)錐上的PDC切削齒受反向載荷的作用。
　　(3)螺旋狀刀翼。由于刀翼式布齒排屑效果好,有利于提高機(jī)械鉆速,因此PDC鉆頭多采用刀翼式布齒,即將全部PDC切削齒都布置在刀翼上。但與自由式布齒相比,這種布齒容易使切削載荷集中到某一個(gè)方向上,從而增加了鉆頭產(chǎn)生偏移的可能性。為此,PDC鉆頭多采用螺旋狀刀翼結(jié)構(gòu),這樣就分散了指向井壁的切削力,減小了鉆頭保徑部分與井壁之間的接觸應(yīng)力,因而減小了鉆頭發(fā)生回旋運(yùn)動(dòng)的幾率。
　　(4)刀翼非均勻布置。理論分析和試驗(yàn)研究表明,若刀翼在鉆頭表面上均勻布置,那么它正好有助于維持其振動(dòng)頻率不變,甚至能增大其振幅。相反,刀翼呈非均勻布置,打破了某種振動(dòng)發(fā)生初期所具有的頻率,從而對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生了一種阻尼作用。
　　(5)大排屑槽結(jié)構(gòu)。采用大排屑槽結(jié)構(gòu)有利于井底巖屑及時(shí)排出,減小鉆頭切削扭矩,從而降低鉆頭發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的可能性。
　　(6)混合切削結(jié)構(gòu)。混合切削結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是在含有硬夾層的地層中鉆進(jìn)時(shí),有利于保持切削齒的連續(xù)吃入地層,即保持機(jī)械鉆速的連續(xù)不變性。也就是說(shuō),這種結(jié)構(gòu)使鉆頭的機(jī)械鉆速在軟地層中不至于太快,而在硬夾層中也不至于太慢。因此,這種混合切削結(jié)構(gòu)減小了鉆頭在軟硬交界面處引發(fā)各種振動(dòng)的可能性。
　　
　　4 結(jié)語(yǔ)
　　(1)由于渦動(dòng)的存在,PDC鉆頭產(chǎn)生瞬時(shí)局部反向旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,對(duì)PDC切削齒的破壞特別嚴(yán)重,可引起PDC鉆頭切削齒刃尖崩刃或者復(fù)合片成塊狀剝落,從而加快切削齒的磨損,縮短鉆頭的壽命。
　　(2)鉆頭切削不平衡力愈大,冠高系數(shù)愈大或外錐愈長(zhǎng),保徑部位愈粗糙,則愈易發(fā)生回旋;松散地層通常條件最差,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;轉(zhuǎn)速越高,離心力越大,鉆頭越易發(fā)生回旋或回旋不易停止。這些都是影響渦動(dòng)的主要因素。
　　(3)提高PDC鉆頭穩(wěn)定性的措施主要包括:平坦的鉆頭冠部輪廓、鉆頭冠部輪廓深內(nèi)錐、低摩阻保徑、軌徑布齒、力平衡設(shè)計(jì)、螺旋狀刀翼、刀翼非均勻布置、保徑環(huán)結(jié)構(gòu)、大排屑槽結(jié)構(gòu)、低密度切削齒布置以及混合切削結(jié)構(gòu)。