PDC鉆頭渦動分析

     PDC鉆頭渦動是導致其在鉆井過程中過早損壞的主要原因之一,鉆頭渦動時,由于鉆頭的瞬時旋轉中心不斷變化,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PDC鉆頭的渦動分析有重要的意義。

　　1 PDC鉆頭渦動的危害

　　由于渦動的存在,PDC鉆頭切削齒的運動速度和方向無時不在變化,尤其是每時每刻總有部分PDC切削齒的切向運動速度與設計要求的方向相反,這叫瞬時局部反向旋轉現象,對PDC切削齒的破壞特別嚴重。

　　由于PDC切削齒的結構和自銳特點,它只允許PDC鉆頭承受來自正面的載荷,而對來自側面和反面載荷的承受能力很弱。當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,正面無任何支撐,即使承受較小載荷,作用時間較短的情況下,切削齒的金剛石層也會遭到嚴重破壞。

　　PDC鉆頭發生回旋振動時,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金剛石層容易碎裂。當作用力在PDC切削齒反面時,使其失去自銳能力,這是導致PDC鉆頭先期損壞的主要原因。

　　2 PDC鉆頭渦動的原因

　　在實際的鉆井過程中,底部鉆具最容易出現渦動。鉆桿與下端鉆頭的連接,鉆頭并不是只起到“鉸支”的作用,而會產生渦動。

　　鉆頭瞬時旋轉中心發生位移的現象,稱為鉆頭的渦動。鉆頭渦動與鉆桿渦動有許多相同之處,二者都是在井眼中旋轉,旋轉中心偏離幾何中心,周邊上一點與井壁接觸。一旦渦動開始,就會有很大的離心力,使接觸點處產生摩擦力來維持渦動。

　　影響渦動的因素主要有以下幾種。

　　(1)鉆頭結構。促使鉆頭產生橫向運動的任何因素都能增加鉆頭回旋。鉆頭切削不平衡力愈大,冠高系數愈大或外錐愈長,保徑部位愈粗糙,則愈易發生回旋。

　　(2)巖石性能。在軟地層中鉆進速度較快,鉆頭沒有足夠的時間使井徑擴大,因而鉆頭回旋不易發生。相反,由于某種原因,如鉆較硬地層時,機械鉆速較慢,鉆頭就有可能發生回旋。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,因為它極易引起井徑擴大,所以很易導致鉆頭回旋的發生。

　　(3)操作參數。轉速越高,離心力越大,鉆頭越易發生回旋或回旋不易停止。因為相對不平衡力增大,使得鉆壓越小,越易發生回旋。

　　3 提高PDC鉆頭穩定性措施

　　解決鉆井的不穩定性因素,可以提高鉆井效率。總的來說,提高PDC鉆頭穩定性的措施目前主要有以下幾種。

　　(1)平坦的鉆頭冠部輪廓。試驗表明,鉆頭冠部輪廓錐度愈大,鉆頭旋轉中心越容易發生橫向偏移。反之,具有平坦冠部輪廓的PDC鉆頭不易發生橫向移動,其穩定性較好。

　　(2)鉆頭冠部輪廓深內錐。當PDC鉆頭發生橫向偏移時,鉆頭深內錐切削齒的受力方向與錐外切削齒的受力方向相反。這樣內錐切削齒的受力將阻止鉆頭作進一步橫向運動。深內錐結構的另一個作用是防止內錐上的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方向上,從而增加了鉆頭產生偏移的可能性。為此,PDC鉆頭多采用螺旋狀刀翼結構,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力,因而減小了鉆頭發生回旋運動的幾率。

　　(4)刀翼非均勻布置。理論分析和試驗研究表明,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,打破了某種振動發生初期所具有的頻率,從而對振動產生了一種阻尼作用。

　　(5)大排屑槽結構。采用大排屑槽結構有利于井底巖屑及時排出,減小鉆頭切削扭矩,從而降低鉆頭發生扭轉振動的可能性。

　　(6)混合切削結構。混合切削結構的主要特點是在含有硬夾層的地層中鉆進時,有利于保持切削齒的連續吃入地層,即保持機械鉆速的連續不變性。也就是說,這種結構使鉆頭的機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,這種混合切削結構減小了鉆頭在軟硬交界面處引發各種振動的可能性。

　　4 結語

　　(1)由于渦動的存在,PDC鉆頭產生瞬時局部反向旋轉現象,對PDC切削齒的破壞特別嚴重,可引起PDC鉆頭切削齒刃尖崩刃或者復合片成塊狀剝落,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,冠高系數愈大或外錐愈長,保徑部位愈粗糙,則愈易發生回旋;松散地層通常條件最差,因為它極易引起井徑擴大,所以很易導致鉆頭回旋的發生;轉速越高,離心力越大,鉆頭越易發生回旋或回旋不易停止。這些都是影響渦動的主要因素。

　　(3)提高PDC鉆頭穩定性的措施主要包括:平坦的鉆頭冠部輪廓、鉆頭冠部輪廓深內錐、低摩阻保徑、軌徑布齒、力平衡設計、螺旋狀刀翼、刀翼非均勻布置、保徑環結構、大排屑槽結構、低密度切削齒布置以及混合切削結構。