PDC鉆頭內(nèi)鑲式二級齒技術

　　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(xiàn)為切削齒的損壞。根據(jù)現(xiàn)場實際統(tǒng)計資料顯示，切削齒損壞主要表現(xiàn)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(nèi)部結構是決定了切削齒磨損方式的內(nèi)部因素；而切削齒的工作環(huán)境、切削面所產(chǎn)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(xiàn)場統(tǒng)計資料表明，由沖擊荷載所引發(fā)的切削齒碎裂是引發(fā)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?jīng)_擊荷載時，仍然較容易碎裂。根據(jù)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(fā)的剝落以及因水平方向沖擊荷載所引發(fā)的崩刃（如下圖1和下圖2所示）。
　　圖1 因軸向沖擊力引發(fā)的剝落 圖2 因水平?jīng)_擊力引發(fā)的崩刃
　　二、內(nèi)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(shù)量設計以及切削齒工作角設計等等。
　　而內(nèi)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(yōu)化設計，主要是在常規(guī)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(xù)工作的復合切削結構（如下圖3所示）。
　　圖3 內(nèi)鑲式二級齒復合切削結構示意圖
　　由上圖3可以發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(jù)實際工作的需要進行調(diào)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(jù)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(nèi)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(shù)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(nèi)鑲式結構，因此并不占據(jù)原有鉆頭冠部的使用空間，且能與鉆頭表面的緩沖節(jié)以及后置齒，能夠完全相容并配合使用。
　　三、內(nèi)鑲式二級齒新技術的具體應用
　　以某油田地區(qū)的鉆探開采為例，由于該油田某區(qū)域地質(zhì)多為穩(wěn)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(qū)域內(nèi)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(jù)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(guī)的PDC鉆頭實施鉆探工作。為提升該區(qū)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(nèi)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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，鉆頭的主切削齒已出現(xiàn)嚴重磨損而失效，二級齒在后續(xù)的鉆探中發(fā)揮著主力破巖的功能。若沒有內(nèi)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。