關(guān)于PDC鉆頭破巖效率的研究

孫 輝 郭俊磊 李隆承

(中國石油渤海裝備（天津）中成機械制造公司，天津 塘沽 300280)

關(guān)于PDC鉆頭破巖效率的研究

孫 輝 郭俊磊 李隆承

(中國石油渤海裝備（天津）中成機械制造公司，天津 塘沽 300280)

鉆頭作為鉆進過程中主要的破巖工具，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響鉆進速度以及鉆井的質(zhì)量和成本。PDC鉆頭作為金剛石鉆頭的一種，其在低鉆壓下可以獲得比較好的進尺和鉆速，因而得到了廣泛的應(yīng)用。對于PDC鉆頭，其切削齒尺寸、后傾角和布齒密度是影響其性能的重要參數(shù)，本文通過對PDC鉆頭的室內(nèi)試驗，探討了切削齒尺寸、后傾角和布齒密度對PDC鉆頭破巖效率的影響。

PDC鉆頭；破巖效率；試驗

在鉆井實踐中，切削齒尺寸、后傾角和布齒密度被證明是影響PDC鉆頭性能的重要參數(shù)，這些參數(shù)對PDC鉆頭的破巖效率起著關(guān)鍵性作用。在當前的PDC鉆頭設(shè)計中，很多情況下施工人員是憑借經(jīng)驗來對削齒尺寸、后傾角和布齒密度進行設(shè)計的，比如，對于軟地層會采用低密度、大尺寸布齒，對于硬地層會采用高密度、小尺寸布齒，后傾角為 10°～30°。目前，由于缺乏理論依據(jù)，在對PDC切削齒尺寸、后傾角和布齒密度進行取值時往往會存在不確定性，無法滿足PDC鉆頭設(shè)計的需求。

1 試驗設(shè)計準備

本文將試驗鉆頭設(shè)計為直徑為100mm的四刀翼鉆頭，將鉆頭的剖面形狀設(shè)計為“直線-圓弧-直線”的形狀，外錐角為 15°，內(nèi)錐角為 130°，冠頂圓弧半徑為13mm，冠頂旋轉(zhuǎn)半徑為30mm，將切削齒的直徑設(shè)計為13.44mm，15.88mm，19.05mm，后傾角的取值為 5°、10°、15°、20°、25°。在試驗鉆頭的數(shù)量上一共設(shè)計了21個試驗鉆頭。在巖樣的制備上，筆者為了使試驗具有良好的對比性和重復性，將采取人造巖樣進行試驗，主材以水泥為主，共制作了三種標準的巖樣，分別代表了極軟、軟和中這三類地層。

2 鉆進試驗過程

筆者采用3H-650A型鉆頭試驗臺架來進行試驗，該試驗臺架的組成部分主要包括電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、液壓控制鉆壓系統(tǒng)、水力循環(huán)清洗系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在鉆進試驗中，筆者將轉(zhuǎn)速固定為60 r/min，將鉆壓分別設(shè)計為4kN，6kN和8kN，在循環(huán)介質(zhì)方面選用清水，將清水的流量設(shè)計為11 L/s。整個試驗主要包括兩個階段，在第一階段，使用1～15號鉆頭來對1#，2#和3#巖樣進行鉆進，試驗臺架的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將鉆壓、鉆時、扭矩、轉(zhuǎn)速和進尺進行自動記錄，并且每次進行試驗時連續(xù)重復三次，最終將計算出的平均鉆速作為破巖石效率的指標。在第二階段，首先對第一階段的試驗結(jié)果進行分析，優(yōu)選出適合不同巖樣的最佳切削齒直徑和后傾角，然后使用后面的16～21號鉆頭來對1#，2#和3#巖樣進行鉆進試驗，記錄結(jié)果并分析布齒密度對鉆頭破巖效率的影響規(guī)律。

3 切削齒尺寸與后傾角對破巖效率的影響

下面三個圖是鉆頭在6kN鉆壓下對三種巖樣鉆進時，鉆速受切削齒直徑和后傾角影響所形成的平均數(shù)值曲線圖。

通過對不同鉆壓下鉆頭鉆進三種巖樣的平均鉆速、切削齒直徑以及后傾角進行分析，筆者發(fā)現(xiàn)，鉆頭在6kN、8kN和10kN鉆壓下的變化規(guī)律基本相同，只是在平均鉆速上略有不同。通過對試驗結(jié)果進行分析可知，切削齒和后傾角對PDC鉆頭的破巖效率會產(chǎn)生比較大的影響。其中，在鉆進時，當切削齒直徑為16 mm和19 mm，巖樣的可鉆性級值分別為3.5、4.6和5.8，后傾角為10°～15°時，PDC鉆頭的破巖效率較高；當切削齒直徑為13mm，巖樣的可鉆性級值為3.5，后傾角為10°～15°時，或者是巖樣的可鉆性級值為4.6和5.8，后傾角為15°～20°時，PDC鉆頭的破巖效率較高。

從上面三個曲線圖中，還可以看出，切削齒尺寸對PDC鉆頭的破巖效率也會產(chǎn)生非常大的影響，當巖樣的可鉆性級值均為3.5時，平均鉆速按從高到低依次為19mm切削齒鉆頭、16mm切削齒鉆頭、13 mm切削齒鉆頭；當巖樣的可鉆性級值為4.6和5.8時，平均鉆速按從高到低依次為16mm切削齒鉆頭、19mm切削齒鉆。通過分析發(fā)現(xiàn)，在同樣的鉆壓水平下，當?shù)貙涌摄@性級值低、抗鉆阻力小時，切削齒比較容易鉆進地層，所以在此時使用大尺度的切削齒所獲得的破巖效率比較高；反之，當?shù)貙涌摄@性級值高，抗鉆阻力大時，如果選用較大尺寸的切削齒，就很難鉆入地層。由此可見，當使用PDC鉆進三級以下的地層時，選取19mm的切削齒可以獲得比較好的破巖效率；當對Ⅳ和Ⅴ級地層進行鉆進時，選用16mm的切削齒可以獲得比較好的破巖效率。可見，如果地層可鉆性級值高，則應(yīng)當選用直徑小的切削齒來鉆進。

結(jié)語

PDC鉆頭的破巖效率與切削齒尺寸、切削齒的后傾角和布齒密度都有顯著關(guān)系。在切削齒尺寸方面，在選用鉆頭時，應(yīng)當依據(jù)地層的性質(zhì)來選取合適尺寸的切削齒，當對可鉆性級值在三級以下的軟地層進行鉆進時，可以選用直徑為19mm或者更大的切削齒來鉆進；當對可鉆性級值為5～9級的地層鉆進時，可以選用直徑為16mm的切削齒來鉆進。在切削齒的后傾角方面，PDC鉆頭的破巖效率與地層性質(zhì)和切削齒尺寸有關(guān)，對可鉆性級值為五級以下地層鉆進時，當切削齒直徑為19mm或16mm時，應(yīng)當選取的最佳后傾角為10°～15°，對可鉆性級值更高的地層鉆進時，但切削齒直徑為13mm，應(yīng)當選取的最佳后傾角為15°～20°。在布齒密度方面，PDC鉆頭的鉆進速度會隨著布齒密度的增加而發(fā)生降低，在設(shè)計PDC鉆頭時，應(yīng)當根據(jù)切削齒尺寸和地層的性質(zhì)來設(shè)計布齒密度。

[1]鄒德永，王瑞和.PDC鉆頭的巖石研磨性試驗研究[J].石油大學學報：自然科學版，2003（27-2）.

[2]李樹盛，王鎮(zhèn)全，馬德坤.鉆頭切削齒的運動分析和破損機理[J].石油機械，1997（25-2）.

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