高研磨性地层PDC钻头的研究和应用

【摘 要】由于高研磨性地层具有埋藏深、研磨性强、石英含量高以及砂泥岩交换较频繁等特点，采用常规的pdc钻头在这种类型的地层中作业效果较差，且不能有效保障钻头进尺和钻头的寿命。所以，需要从钻头布齿结构、加工以及钻头检测等关键技术方面出发，制造出一种新型的PDC钻头，然后进行模拟实验、现场入井实验等。通过实验表明，高研磨性地层的PDC钻头，在行程进尺与机械钻头速度方面，能够和国际上优质的钻头作用相媲美，值得在市场上推广使用。

【关键词】高研磨性地层；PDC钻头；研究应用

钻头破碎岩石是一个钻头和岩石相互发生作用的过程。钻头在破碎岩石以后，肯定会受到岩石的反作用力从而发生磨损，进一步会加剧钻头的消耗，减低破碎岩石测工作效率，占用较长的下钻作业时间，从而大大降低钻井效率[1]。通过大量的实践证明，PDC钻头应用在软性、中硬度的地研磨性地层中，寿命长、钻岩的速度快且进尺多；但是PDC钻头应用在高研磨性地层中，使用效果很差。下面本文主要针对PDC钻头对所钻地层性质较敏感的特性，探究在高研磨性地层中，如何改进PDC钻头设计功能，从而提高应用效果。

一、PDC齿设计和检测技术分析

1、加长PDC齿轮廓设计

一般情况下，PDC钻头切削齿是圆形的，但是通过研究圆形的切削齿发现，如果把复合片进一步加工成为具有长轴和短轴的椭圆形齿状，把它的横向尺寸或者纵向尺寸调整到0.68左右，加长齿的有效工作长度，那么将非常有利于提高工作效率。由于复合制造企业生产出来的PDC齿只是简单地对大尺寸圆形复合片进行了二次加工，其直径大小通常为8毫米、13毫米、16毫米等系列。但根据高研磨性地层的特征，需要加工出￠19毫米以及￠13毫米这两种加长齿类型的复合片。

2、加长型PDC齿有限元的分析

2.1 PDC钻头切削齿的直径对切削力的作用

当切削齿的直径增大时，它所需的钻压、扭矩也会同步增大。在同样的工作条件下，小齿比大齿更易切入岩石层。因为小直径齿切削刃的曲率高，可以在和岩石的接触范围内形成较高的接触应力，从而进一步促使岩石变形和破坏。在使用PDC齿切削岩石的时候，在破碎岩石体积相等的条件下，齿上面的应力越小，其切削效果越好。但是岩石上面的应力越大，且切削破岩就越有利[2]。通过对圆形以及椭圆形的PDC齿应力场的有限元分析，得到了在不一样的齿前角情况下，两种齿的应力场数值。如下表（一）

切削齿最大有效应力表（一）

从表（一）可知，在齿前角度从14°- 25°切削岩石时，这两种齿形在切削仿真过程汇总有效应力值的变化会表现为一定的随机性。这表明了在切削过程中塑性岩石破碎会对PDC齿产生冲击力导致其中某个部位的应力数值在瞬间达到最大。但是从总体发展情况看，齿前角在14°- 25°内，椭圆形的应力平均值小于圆形的应力平均值，和圆形PDC相比，应力下降了大约40.35%。也就是说，在切削相同面积的岩石时，椭圆形的PDC齿某个局部的最大应力要比圆形PDC齿小很多，而椭圆形PDC齿所要承受的疲劳感应力要比圆形小，故寿命较长。

2.2 两种PDC齿破坏岩石的切削实验及焊接检测

首先，在切削过程中，PDC齿前角雨大，其相同效果的应力先增大后逐渐减小，但是开始破坏岩石的时候所需要的切削力是先减小随后增大。随着切削深度不断加大，切削力、摩阻应力、在PDC齿上的接触压力都会慢慢增大。一般情况下，小直径齿和大直径齿相比，具有更高的切削刃曲率，可以在岩石的接触范围内产生更高的接触应力，更易让岩石发生破坏[3]。

其次，椭圆形的PDC齿侧面是普通柱面，在焊接过程中难度较大，必须对异形复合片进行焊接试验，才能保证焊接质量。在对异形复合片的焊接技术进行认真研究的前提下，进行实验。由于检测焊接是否牢固需要在材料试验机上面用待测试件进行抗剪切实验，所以需要设计、加工出特殊的夹具，进行横向、纵向检测两种实验，经过实验得知，采用的异形符合片加工，它的焊接牢固度较好。

二、加长型齿PDC钻头设计制造技术

1、加长型PDC钻头的设计

为了提高钻头在密实层的吃入能力，除了需要充分利用加长齿的吃入能力强的优点外，还需要在钻头外面布置大直径齿设计主切削结构，在中心部位设置小直径齿的布齿计划。同时，为了更高层次增强钻头在高研磨性地层的工作寿命，需要在钻头的主刀翼上面设计后备切削结构和后置齿结构[4]。一般情况下，对于椭圆形PDC采用单一布齿的方法，或者圆形、椭圆形PDC齿混合布齿的方法，从而保证钻头使用时间的同时提高钻头的攻击性。

2、加长型PDC钻头的制造

对于高研磨性地层，PDC钻头需哟啊采用胎体式的结构和制造方法。在制造这种异形加长齿钻头中会遇到很多新问题。例如：异形加长PDC复合片的加工、异形加长PDC复合片的焊接以及与之相匹配的特殊模具的制造等问题。在加工钻头之前，需要对上述每个问题进行深入的现场研究，尤其是要对加长型PDC符合片的焊接质量进行严格检验，以避免在使用钻头的过程中出现因为质量差而引起的掉齿现象。

三、现场的应用效果分析

1、现场使用概况

选择具有典型代表性的高研磨性地层井段作为实验对象，这段地层的主要特征是以砂岩、泥页岩为主，可钻性很差。在实际钻井过程中，井段长约4095米，进尺83.27米，净使用钻时间达到53.95小时，采用机械的平均转速达到1.59米/时。

2、应用效果分析

在开始钻时，钻压小，转速也较低，所以钻速很慢，进入正常作业阶段后，钻速明显加快，机械钻速能够达到3米/时。但随后，钻速又开始下降。主要是因为切削齿发生了磨损，地层的环境条件越来越差。除了在磨合环节外，钻压基本保持在74-119kN范围内，但是切削齿发生磨损以后，虽然磨损量小，但是钻头明显变钝，攻击性下降。这是就需要增加钻压，但需进一步降低转速[5-6]。

此外，在使用过程中，同一刀翼的外锥部的两颗临齿都出现了断裂情况，表明不是因为切削齿的自身质量问题，而是由于外界工作条件的影响。根据现场的实际情况，导致PDC齿异常断裂的主要原因是因为在不正常蹩卡情况下，导致局部过载时效。

四、结语

椭圆形的局部最大应力和圆形齿相比，较小，破坏的几率较小，切削的效率较高，在切削过程中，需要的破坏岩石的能量较低。且具有长轴和短轴的椭圆形PDC齿的钻头具有很强的攻击性，短轴的设计又能提高其工作寿命。进一步把椭圆齿和常规圆形齿混合布齿，可以有效提高钻头在高研磨性地层的吃入能力。但是在实验过程中出现了牙齿崩落的现象，说明了需要进一步加强对钻头切削齿抗冲击力的研究工作。

参考文献：

[1]韩来聚，杲传良，陈庭根. PDC钻头的最新发展与应用[J]. 钻采工艺. 1994（01）

[2]许杰，安文忠，徐荣强. PDC钻头钻复合地层技术在旅大油田的应用[J]. 石油钻探技术. 2008（01）

[3]顾洪成，田京燕，于建宾，邱巍，王明瑞，张坤. 新型PDC钻头在南堡油田的应用[J]. 石油机械. 2009（07）

[4]于建宾，邱巍，田京燕. 吃深控制定向PDC钻头的研制及现场应用[J]. 内江科技. 2009（04）

[5]洪春玲. 新型PDC钻头现场使用问题探讨[J]. 石油天然气学报. 2007（03）

[6]张健，周光宪，陈玉，蔡阳玖. 云安002―2井在须家河组地层提高钻速的方法[J]. 西部探矿工程. 2009（01）