关于PDC钻头破岩效率的研究:钻头破岩机理

　　摘 要：钻头作为钻进过程中主要的破岩工具，其质量的优劣直接影响钻进速度以及钻井的质量和成本。PDC钻头作为金刚石钻头的一种，其在低钻压下可以获得比较好的进尺和钻速，因而得到了广泛的应用。对于PDC钻头，其切削齿尺寸、后倾角和布齿密度是影响其性能的重要参数，本文通过对PDC钻头的室内试验，探讨了切削齿尺寸、后倾角和布齿密度对PDC钻头破岩效率的影响。
　　关键词：PDC钻头；破岩效率；试验
　　中图分类号：TE92 文献标识码：A
　　在钻井实践中，切削齿尺寸、后倾角和布齿密度被证明是影响PDC钻头性能的重要参数，这些参数对PDC钻头的破岩效率起着关键性作用。在当前的PDC钻头设计中，很多情况下施工人员是凭借经验来对削齿尺寸、后倾角和布齿密度进行设计的，比如，对于软地层会采用低密度、大尺寸布齿，对于硬地层会采用高密度、小尺寸布齿，后倾角为10°～30°。目前，由于缺乏理论依据，在对PDC切削齿尺寸、后倾角和布齿密度进行取值时往往会存在不确定性，无法满足PDC钻头设计的需求。
　　1试验设计准备
　　本文将试验钻头设计为直径为100mm的四刀翼钻头，将钻头的剖面形状设计为“直线-圆弧-直线”的形状，外锥角为15°，内锥角为130°，冠顶圆弧半径为13mm，冠顶旋转半径为30mm，将切削齿的直径设计为13.44mm，15.88mm，19.05mm，后倾角的取值为5°、10°、15°、20°、25°。在试验钻头的数量上一共设计了21个试验钻头。在岩样的制备上，笔者为了使试验具有良好的对比性和重复性，将采取人造岩样进行试验，主材以水泥为主，共制作了三种标准的岩样，分别代表了极软、软和中这三类地层。
　　2钻进试验过程
　　笔者采用3H-650A型钻头试验台架来进行试验，该试验台架的组成部分主要包括电机驱动旋转系统、液压控制钻压系统、水力循环清洗系统以及数据采集系统。在钻进试验中，笔者将转速固定为60 r/min ，将钻压分别设计为4kN，6kN和8kN，在循环介质方面选用清水，将清水的流量设计为11 L/s。整个试验主要包括两个阶段，在第一阶段，使用1～15号钻头来对1#，2#和3#岩样进行钻进，试验台架的数据采集系统将钻压、钻时、扭矩、转速和进尺进行自动记录，并且每次进行试验时连续重复三次，最终将计算出的平均钻速作为破岩石效率的指标。在第二阶段，首先对第一阶段的试验结果进行分析，优选出适合不同岩样的最佳切削齿直径和后倾角，然后使用后面的16～21号钻头来对1#，2#和3#岩样进行钻进试验，记录结果并分析布齿密度对钻头破岩效率的影响规律。
　　3切削齿尺寸与后倾角对破岩效率的影响
　　下面三个图是钻头在6kN钻压下对三种岩样钻进时，钻速受切削齿直径和后倾角影响所形成的平均数值曲线图。
　　通过对不同钻压下钻头钻进三种岩样的平均钻速、切削齿直径以及后倾角进行分析，笔者发现，钻头在6kN、8kN和10kN钻压下的变化规律基本相同，只是在平均钻速上略有不同。通过对试验结果进行分析可知，切削齿和后倾角对PDC钻头的破岩效率会产生比较大的影响。其中，在钻进时，当切削齿直径为16 mm和19 mm，岩样的可钻性级值分别为3.5、4.6和5.8，后倾角为10°～15°时，PDC钻头的破岩效率较高；当切削齿直径为13mm，岩样的可钻性级值为 3.5，后倾角为10°～15°时，或者是岩样的可钻性级值为4.6和5.8，后倾角为15°～20°时，PDC钻头的破岩效率较高。
　　从上面三个曲线图中，还可以看出，切削齿尺寸对PDC钻头的破岩效率也会产生非常大的影响，当岩样的可钻性级值均为3.5时，平均钻速按从高到低依次为19mm切削齿钻头、16mm切削齿钻头、13 mm切削齿钻头；当岩样的可钻性级值为4.6和5.8时，平均钻速按从高到低依次为16mm切削齿钻头、19mm切削齿钻。通过分析发现，在同样的钻压水平下，当地层可钻性级值低、抗钻阻力小时，切削齿比较容易钻进地层，所以在此时使用大尺度的切削齿所获得的破岩效率比较高；反之，当地层可钻性级值高，抗钻阻力大时，如果选用较大尺寸的切削齿，就很难钻入地层。由此可见，当使用PDC钻进三级以下的地层时，选取19mm的切削齿可以获得比较好的破岩效率；当对Ⅳ和Ⅴ级地层进行钻进时，选用16mm的切削齿可以获得比较好的破岩效率。可见，如果地层可钻性级值高，则应当选用直径小的切削齿来钻进。
　　结语
　　PDC钻头的破岩效率与切削齿尺寸、切削齿的后倾角和布齿密度都有显著关系。在切削齿尺寸方面，在选用钻头时，应当依据地层的性质来选取合适尺寸的切削齿，当对可钻性级值在三级以下的软地层进行钻进时，可以选用直径为19mm或者更大的切削齿来钻进；当对可钻性级值为5～9级的地层钻进时，可以选用直径为16mm的切削齿来钻进。在切削齿的后倾角方面，PDC钻头的破岩效率与地层性质和切削齿尺寸有关，对可钻性级值为五级以下地层钻进时，当切削齿直径为19mm或16mm时，应当选取的最佳后倾角为10°～15°，对可钻性级值更高的地层钻进时，但切削齿直径为13mm，应当选取的最佳后倾角为15°～20°。在布齿密度方面，PDC钻头的钻进速度会随着布齿密度的增加而发生降低，在设计PDC钻头时，应当根据切削齿尺寸和地层的性质来设计布齿密度。
　　参考文献
　　[1]邹德永，王瑞和.PDC钻头的岩石研磨性试验研究[J].石油大学学报：自然科学版，2003（27-2）.
　　[2]李树盛，王镇全，马德坤.钻头切削齿的运动分析和破损机理[J].石油机械，1997（25-2）.