中心錐形齒PDC鉆頭設計與應用

孫美偉 徐建飛

摘 ?要：常規PDC鉆頭在軟到中硬均值砂泥巖底層鉆進時，機械鉆速高，鉆頭壽命長，但在鉆進硬巖過程中，PDC鉆頭吃入巖石困難，破巖效率低，且由于剪切阻力大，切削破巖過程不連續，鉆頭的旋轉扭矩和扭矩波動比較大，導致破巖效率低，復合片沖擊損壞嚴重。而錐形PDC鉆齒為新型破巖元件，前端為獨特的圓錐形狀，可施加超高集中的力。在鉆頭中心布置安裝一個錐型齒，可以把增長到一定長度的巖芯壓碎，提高機械鉆速和鉆頭穩定性。因此通過結合常規PDC鉆齒和錐形PDC鉆齒的優點，通過對鉆頭剖面形狀、切削結構、切削齒工作角度、鉆頭水力結構、穩定特性影響因素等方面的研究和優化設計，研制中心錐型PDC齒鉆頭，提高其在硬地層中的破巖效率。

關鍵詞：PDC鉆頭;機械鉆速;優化設計;破巖效率

1 現有PDC鉆頭遇到的問題

現有的PDC鉆頭的工作元件通常為圓柱形聚晶金剛石復合片。在鉆壓和扭矩的作用下，復合片以后傾角耙削巖石。但在鉆進硬巖過程中，PDC鉆頭吃入巖石困難，破巖效率低，且由于剪切阻力大，切削破巖過程不連續，鉆頭的旋轉扭矩和扭矩波動比較大，導致破巖效率低，復合片沖擊損壞嚴重。

研究發現，在只有軸向應力作用下，應力破壞強度度測試表明，對應力的大小由中點向邊緣減弱，也就是說在鉆頭邊緣的巖石需要較中心低得多的應力就可以切削破壞掉。基于此理論，在鉆頭中心留出出芯位置，對中心高強度的巖石不切削，巖芯增長到一定長度再被破壞掉，可提高機械鉆速和鉆頭穩定性。

2.設計理念

中心錐形齒PDC鉆頭是在正常PDC鉆頭的基礎上，通過結合常規PDC鉆齒和錐形PDC鉆齒的優點，重新進行布齒和優化，并且在鉆頭中心布置安裝一個錐型齒。

在鉆頭正常鉆進過程中，在鉆頭中心區域連續地形成巖心，同時不影響鉆頭切削結構，小尺寸巖心長度不斷增長，接觸到中心錐形齒，不斷增加的壓應力將巖心壓碎，提高破巖效率。如圖2-1.

3 中心錐形齒PDC鉆頭結構設計

常規PDC鉆頭設計主要包括鉆頭冠部剖面形狀設計、切削齒布置設計、切削齒工作角設計、水力結構設計等內容。這里在常規設計的基礎上增加了中心錐形齒的設計。

3.1 鉆頭冠部剖面形狀設計

剖面形狀直接影響鉆頭各部位切削齒的受力狀態。在實驗室對不同冠部形狀的PDC 鉆頭進行鉆進試驗， 受力分析結果表明， 在切削面積相同的條件下， 平底型鉆頭上的各切削齒的受力分布較均勻。

在硬的、研磨性及軟硬交錯地層中， 采用較平緩的剖面， 較均勻的受力使鉆頭磨損均勻， 較小的側向力和較長的低摩擦保徑有利于鉆頭的穩定性; 由于冠部面積較小， 鉆壓和水力作用都比較集中， 有利于提高鉆速。目前鉆進硬地層的剖面形狀有：直線—圓弧剖面、直線—短“拋物線”剖面和直線—雙圓弧剖面，限于試驗鉆頭尺寸（4 3/4”），選用線—圓弧剖面。

3.2 切削齒布置及切削齒工作角設計

刀翼式布齒，切削齒的露出量大、水力清洗效果好，鉆進效率高;增加鉆頭刀翼數量、增加鉆頭冠部長度（內錐和外錐的長度）和布齒密度，可以提高鉆頭的使用壽命，但鉆速明顯降低，得不償失;切削齒大的后傾角會降低切削齒吃入巖石的性能。PDC鉆頭的布齒設計應以提高鉆進速度為主，以提高鉆頭壽命為輔。首先要保證可以獲得較高鉆進速度，然后再考慮如何提高鉆頭的工作壽命，以充分發揮剪切破巖效率高的優勢。

布齒有徑向布齒和周向布齒兩種方式。徑向布齒是指沿鉆頭冠部剖面線布置所有切削齒，而周向布齒設計是將切削齒按一定的方式布置在鉆頭切削面上。

3.3切削齒尺寸選擇

切削齒尺寸對PDC鉆頭的破巖效率有較大影響：分析可知，巖石的可鉆性級別越低，抗鉆阻力也就越小，在相同鉆壓下，切削齒比較容易吃入地層，切削深度較大，故較大尺寸的切削齒可以獲得較高的破巖效率;巖石得可鉆性級別越高，抗鉆阻力越大，切削齒尺寸越大，其吃入越困難，破巖效率越低。由此可知，鉆進可鉆性Ⅵ-Ⅶ級地層時，PDC鉆頭選用13.44mm切削齒，可以獲得較高的破巖效率。另外，從提高破巖效率的方面考慮，巖石可鉆性級值越大，PDC鉆頭選用切削齒的直徑應越小。

3.4切削齒工作角設計

PDC鉆頭刀翼上切削齒的后傾角是一個非常重要設計參數，對鉆頭在切削巖石，穩定鉆壓和扭矩，導向能力方面的影響很大。

后傾角越小（7°-10°），切削齒越容易吃入地層，鉆進速度越快。當后傾角小時，切削齒相當于剪切巖石，切削效率高，鉆進速度快。后傾角越大越難侵入巖石，當后傾角增大到90°時，切削面相當于在研磨巖石，路程長，進尺慢。在相同的鉆速下，后傾角越小，切削齒受力越小，鉆壓和扭矩越小。如圖3-1所示.

3.5刀翼及中心錐形齒的設計

中心錐形齒鉆頭的輪廓設計與布齒設計遵循常規PDC鉆頭設計原理。但在刀翼結構及中間部分有所不同。

在完成基礎的刀翼設計后，進一步進行中心錐形齒的設計。這里在傳統鉆頭設計的基礎上，按照中心錐形齒要求進行設計。

錐形PDC鉆齒為新型破巖元件，前端為獨特的圓錐形狀，可施加超高集中的力。即在鉆頭中心布置安裝一個錐型齒，可以把增長到一定長度的巖芯壓碎。錐形齒的長度按照鉆頭高度進行設計。

在傳統鉆頭設計的基礎上修改為中心錐形齒鉆頭，最終得到如圖3-2所示的效果圖。

最終設計出一種4 3/4”四刀翼中心錐形齒取芯鉆頭，中心錐形齒選用尺寸為16mm復合片，切削齒選用尺寸為13，44mm復合片.

4 實驗與結果分析

基于以上理念，設計并研制生產了一種4 3/4”四刀翼中心錐形齒取芯鉆頭，一種常規4 3/4”四刀翼PDC鉆頭用于進行對比試驗。

4.1實驗方法

臺架試驗的主要儀器是 XY-2B 型鉆機，由壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器等裝置采集數據，由數據采集系統收集各個數據。巖石樣本為可鉆性為5.671的灰砂巖巖石。 筆者選擇 7 kN、10 kN、13 kN 和 16 kN 四種鉆壓進行鉆進試驗研究。中心錐形齒PDC鉆頭和常規PDC鉆頭除中心齒和中間刀翼部分外，其余結構參數均相同。試驗采用相同的轉速（60 RPM 左右），根據實驗條件，選取7 kN、10 kN、13 kN 和 16 kN 四種鉆壓分別鉆進，收集試驗數據，共計 8 組試驗。

4.2 臺架試驗步驟。先將蓄水池放滿，后將試驗巖石石塊固定到臺架平臺上 ;將鉆桿提升到足夠高度，安裝試驗鉆頭。

接通總電源，啟動電腦，打開數據采集程序 ;啟動鉆機電源及抽水泵電源，調節水量 ;啟動電動機對鉆機進行性能測試 ;接下來操作檔位調節器調節轉速60rpm，控制鉆柱緩慢下降，當鉆頭復合片降至距巖石表面 10 mm 時，靠鉆柱重力鉆進巖樣進行造型。 造型結束后停鉆，調節鉆壓，使鉆壓分別達到預定值，保證電腦前數據采集數值與鉆壓同步，讓鉆頭保持該鉆壓鉆進8cm左右，當鉆進距離達到要求值時，停止采集，保存數據 ;然后按照試驗要求調節鉆壓，采集新的數據。一只鉆頭的所有數據采集完成后，換另一只鉆頭，重新再造型鉆進，取得新的采集數據，每只鉆頭每個鉆壓采集3組數據直到試驗完成，關閉鉆機和水泵電源。

4.3 數據處理

截取鉆壓為 7 kN 數值段的數據較穩定的 50 mm，計算時間差，通過對應段的鉆進距離差除以時間差，即可得該鉆頭在鉆進該層段時的平均機械鉆速，3組數據取平均值得出最終試驗數據，所有試驗數據處理方法與此相同。最后將處理后的數據做成圖表，繪制鉆壓 - 破巖 效率曲線圖，分析圖表線條的規律，研究在相同鉆壓下，兩種PDC鉆頭的機械鉆速。如圖4-1。

通過對比兩種型號鉆頭的鉆進數據，新型鉆頭相較于常規鉆頭平均機械鉆速提高56%，且取得大尺寸的巖芯，可作為地層樣本分析研究使用。

5 ?結論

本文通過理論分析和軟件模擬優選了切削齒尺寸，切削齒后傾角，布齒密度等基本參數設計適用于可鉆性為Ⅴ-Ⅶ的硬地層的中心錐形齒PDC鉆頭，同時，加工制作出實物，通過軟件模擬在相同鉆壓和轉速下與常規鉆頭鉆速進行對比，得出以下結論：

1）優選中心錐形齒PDC鉆頭剖面形狀設計為直線單圓弧，既能夠保證鉆頭對硬地層有良好的攻擊性，又能在冠頂布置較多的切削齒，使鉆壓分布較均勻，避免應力集中。有利于提高鉆頭在硬地層鉆進的穩定性和攻擊性。

2）中心錐形齒PDC鉆頭切削齒尺寸選擇從提高破巖效率的方面考慮，巖石可鉆性級值越大，PDC鉆頭選用切削齒的直徑應越小，鉆進可鉆性Ⅵ-Ⅶ級地層時，PDC鉆頭選用13.44mm切削齒，可以獲得較高的破巖效率;工作角度設計在硬地層，PDC鉆頭采用15°的后傾角為宜，鉆頭鉆進速度、鉆頭的穩定性和鉆頭的壽命都得到提高。

3）在切削后傾角相同的情況下，巖石切削齒尺寸約13.44mm、切削后傾角約15°時，單位鉆速最大。因此在考慮破巖效率等情況下，在設計鉆頭時應該選擇13.44mm的切削齒。

4）中心錐形齒PDC鉆頭布齒設計，運用相關的PDC 鉆頭優化設計軟件進行了完整的PDC鉆頭布齒設計。完整布齒后，在傳統鉆頭設計的基礎上，修改操作，將PDC 鉆頭的設計為中心錐形齒PDC鉆頭。

以上結論得出我們設計時理論推斷中心錐形齒PDC鉆頭機械鉆速最優的切削尺寸和后切削后傾角以及最優的布齒設計，驗證了中心錐形齒PDC鉆頭設計的合理性和可行性。

參考文獻：

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[2]鄒德永 . 刀翼式 PDC 鉆頭結構及布齒優化設計研究 [D]. 東營 ：中國石油大學 （ 華東 ），2004.

[3]徐建飛，張麗陽，許曉偉，翟依夢，于正航，陳子安.隨鉆取芯PDC鉆頭的設計與研制

作者簡介：孫美偉（1977-），男，工程師，最高學歷，本科，中國石油大學（華東），

現在青島石大華通科技有限公司從事石油鉆井鉆頭設計及石油儀器儀表制造工作。