關于PDC鉆頭破巖效率的研究:鉆頭破巖機理

       鉆頭作為鉆進過程中主要的破巖工具，其質量的優劣直接影響鉆進速度以及鉆井的質量和成本。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，本文通過對PDC鉆頭的室內試驗，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。

       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，這些參數對PDC鉆頭的破巖效率起著關鍵性作用。在當前的PDC鉆頭設計中，很多情況下施工人員是憑借經驗來對削齒尺寸、后傾角和布齒密度進行設計的，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，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鉆頭設計的需求。

　　1試驗設計準備

　　本文將試驗鉆頭設計為直徑為100mm的四刀翼鉆頭，將鉆頭的剖面形狀設計為“直線-圓弧-直線”的形狀，外錐角為15°，內錐角為130°，冠頂圓弧半徑為13mm，冠頂旋轉半徑為30mm，將切削齒的直徑設計為13.44mm，15.88mm，19.05mm，后傾角的取值為5°、10°、15°、20°、25°。在試驗鉆頭的數量上一共設計了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動旋轉系統、液壓控制鉆壓系統、水力循環清洗系統以及數據采集系統。在鉆進試驗中，筆者將轉速固定為60 r/min ，將鉆壓分別設計為4kN，6kN和8kN，在循環介質方面選用清水，將清水的流量設計為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，試驗臺架的數據采集系統將鉆壓、鉆時、扭矩、轉速和進尺進行自動記錄，并且每次進行試驗時連續重復三次，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果進行分析，優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，記錄結果并分析布齒密度對鉆頭破巖效率的影響規律。

　　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，筆者發現，鉆頭在6kN、8kN和10kN鉆壓下的變化規律基本相同，只是在平均鉆速上略有不同。通過對試驗結果進行分析可知，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。通過分析發現，在同樣的鉆壓水平下，當地層可鉆性級值低、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，當地層可鉆性級值高，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，則應當選用直徑小的切削齒來鉆進。

　　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系。在切削齒尺寸方面，在選用鉆頭時，應當依據地層的性質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和切削齒尺寸有關，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生降低，在設計PDC鉆頭時，應當根據切削齒尺寸和地層的性質來設計布齒密度。