分析PDC鉆頭內鑲式二級齒新技術

　   PDC鉆頭是聚晶金剛石復合片鉆頭的簡稱，也是當前石油鉆井行業中所經常使用到的一種鉆井工具。內鑲式二級齒新技術，即是在常規PDC鉆頭的切削結構的基礎上，再另行添加后備的切削結構，并使二級齒能處于主切削齒的上方。通過二級齒與主切削齒的配合使用，以構建出能夠連續工作的復合切削結構。經過工程實踐證明，PDC鉆頭內鑲式二級齒新技術的應用，鉆頭工作平穩，可鉆范圍和使用壽命增加，能顯著提升鉆井的整體經濟效益。
　　一、PDC鉆頭的損壞機理
　　PDC鉆頭在實際工作過程中的損壞，主要表現為切削齒的損壞。根據現場實際統計資料顯示，切削齒損壞主要表現為磨損破壞和沖擊破壞這兩種主要形式。
　　1.切削齒磨損破壞機理
　　PDC切削齒的磨損機理主要受到PDC片以及合金基體磨損機理的影響。其中，PDC切削齒的使用材料和內部結構是決定了切削齒磨損方式的內部因素；而切削齒的工作環境、切削面所產生的摩擦熱效果以及沖擊性荷載的大小，是決定切削齒磨損機理的外部因素。
　　2.切削齒沖擊破壞機理
　　大量現場統計資料表明，由沖擊荷載所引發的切削齒碎裂是引發PDC鉆頭過早失效的主要因素。由于抗沖性能差是金剛石材料固有的缺點，雖然PDC復合片在耐沖性能上有所改善，但是在受到沖擊荷載時，仍然較容易碎裂。根據沖擊荷載的作用方式，還可將PDC切削齒的損壞形式主要劃分為，因鉆頭軸向沖擊荷載所引發的剝落以及因水平方向沖擊荷載所引發的崩刃（如下圖1和下圖2所示）。
　　圖1 因軸向沖擊力引發的剝落 圖2 因水平沖擊力引發的崩刃
　　二、內鑲式二級齒新技術設計原理及特點
　　1.設計原理
　　結合PDC鉆頭損壞機理進行綜合分析，為了有效提升PDC鉆頭的正常工作壽命以及適用范圍，除了應當選用具有較強耐磨性和抗沖擊性的PDC復合片以外，還應當做好在PDC鉆頭切削結構上的設計，例如布置方式設計、切削齒尺寸選擇、切削齒數量設計以及切削齒工作角設計等等。
　　而內鑲式二級齒新技術，作為當前PDC鉆頭切削結構在布置方式上的一種優化設計，主要是在常規PDC鉆頭的切削結構的基礎上，再另行添加后備的切削結構，并使二級齒能處于主切削齒的上方，通過二級齒與主切削齒的配合使用，以構建出能夠連續工作的復合切削結構（如下圖3所示）。
　　圖3 內鑲式二級齒復合切削結構示意圖
　　由上圖3可以發現，二級齒切削結構和相對應的主切削齒結構是上下相連接的，并呈現為葫蘆形狀。后備二級齒切削結構作為特殊形狀的切削齒，它的切削刃部分主要由兩端圓弧所構成，其中一段圓弧為原刃，而另一段圓弧則和相對應的主切削齒的主體輪廓相結合，要求結合時的方式應根據實際工作的需要進行調整。
　　在進行PDC鉆頭切削結構布置方式的設計時，可以將二級齒結構布置在鉆頭的不同位置，既可以選擇是部分刀翼上布置，也可在每個刀翼上均布置設計，通常而言，二級齒應布置和分布在切削齒最容易磨損的外錐部位或者冠頂部位。在進行二級齒和主切削齒組合的過程中，應根據實際工作需要選取具備不同尺寸的復合片，同時做好二級齒后傾角的選擇。
　　2.新技術的特點
　　內鑲式二級齒新技術主要具有以下幾方面特點：
　　2.1由于在設計中，二級切削齒是沿著縱向串行方向進行布置設計的，在主切削齒工作性能良好時，二級切削齒并不參與切削工作，因此該技術方案并不會影響到PDC鉆頭主切削結構的性能，且還能有效提升鉆頭的適用范圍，在可鉆性較差或硬夾層較多的地層也較為適宜。
　　2.2后備切削結構的應用，提升了PDC鉆頭可用復合片的數量，使鉆頭的正常使用壽命得到了明顯提升。
　　2.3由于二級齒為內鑲式結構，因此并不占據原有鉆頭冠部的使用空間，且能與鉆頭表面的緩沖節以及后置齒，能夠完全相容并配合使用。
　　三、內鑲式二級齒新技術的具體應用
　　以某油田地區的鉆探開采為例，由于該油田某區域地質多為穩定的礦物與巖屑所構成，且石英含量較高、粒徑較大，可鉆性較差。對于區域內井斜度較大的井，PDC鉆頭還可能需要穿越150米以上的底礫巖，根據實際測量資料分析，其鉆探中最高抗壓強度可達到65MPa以上。而對于這種惡劣的地層條件，并不適宜于常規的PDC鉆頭實施鉆探工作。為提升該區域全井段的機械鉆探速度，并使PDC鉆頭能夠有效穿越底礫巖層。在全井段的PDC鉆頭中采用了內鑲式二級齒新技術，制作出了第二代BD606KG鉆頭。
　　通過該新型鉆頭在該油田A14井中的實際應用中發現，單只鉆頭能完整鉆完包括底礫巖層的全井段，且鉆頭的總進尺量為1600米以上，平均機械鉆速高達80m/h，出井后PDC鉆頭的磨損分級為：3-4-CT-AX-1/16-NO-TD。從出井后PDC鉆頭的磨損情況可以發現，鉆頭的主切削齒已出現嚴重磨損而失效，二級齒在后續的鉆探中發揮著主力破巖的功能。若沒有內鑲式二級齒技術的應用，要完整穿越底礫巖層并鉆完全井段將是非常困難的。
　　四、總結
　　當前，PDC鉆頭在石油鉆井行業中仍處于發展的初期階段，仍具備著巨大的優化與發展的潛力。PDC鉆頭的一個重要特點是結構變化多樣，設計靈活性強，且對使用條件和適用地層有著較強的敏感性，而內鑲式二級齒新技術即針對PDC鉆頭這一特點而進行的設計結構的更新與優化。通過工程實踐證明，通過內鑲式二級齒新技術的有效應用，不僅使PDC鉆頭獲得了更高的機械性能與更長的使用壽命，而在對地層具備了更廣泛的適應能力，值得在石油鉆井行業中大力推廣和應用。