(完整word版)PDC鉆頭工作原理及相關特點

1、第二章PDC 鉆頭工作原理及相關特點第二章 PDC鉆頭工作原理及相關特點PDC 鉆頭是依靠安裝在鉆頭體上的切削齒切削地層的，這些切削齒有復合片切削齒和齒柱式兩種結構， 它們的結構以及在鉆頭上的安裝方式如圖1-2 所示。復合片式切削齒是將復合片直接焊接在鉆頭體上預留的凹槽內而形成的。它一般用于胎體鉆頭；齒柱式切削齒是將復合片焊接在碳化鎢齒柱上而形成的，安裝時將其齒柱鑲嵌或焊接在鉆頭體上的齒空內，它一般用于鋼體鉆頭，也有用于胎體鉆頭的。復合片（即聚晶金剛石復合片）是切削齒的核心。復合片一般為圓片狀，其結構如圖 1-3 所示，它是由人造聚晶金剛石薄層及碳化鎢底層組成，具有高強度、 高(a) 復合片式

2、切削齒(b)齒柱式切削齒圖 1-3復合片的結構圖 1-2 切削齒在鉆頭上的安裝方式硬度及高耐磨性，可耐溫度750。人們早就從實驗中發(fā)現(xiàn)， 巖石的諸力學強度中， 抗拉強度最低，剪切強度次之，而抗壓強度最高，抗壓強度往往比剪切強度高數(shù)倍至十多倍。顯然采用剪切方式破碎巖石比用壓碎方式要容易而有效的多。 PDC 鉆頭的復合片切削結構正是利用了巖石這一力學特性，采用高效的剪切方式來破碎巖石，從而達到了快速鉆井的圖 1-4PDC 鉆頭的切削方式第二章PDC 鉆頭工作原理及相關特點目的。當 PDC 鉆頭在軟到中等級硬度地層進時，復合片切削齒在鉆壓和扭矩作用下克服地層應力吃入地層并向前滑動，巖石在切削齒作用下

3、沿其剪切方向破碎并產生塑性流動，切削所產生的巖削呈大塊片狀，這一切削過程與刀具切削金屬材料非常相似（見圖 1-4）。被剪切下來的巖屑，再由噴嘴射出泥漿帶走至鉆頭與井壁間的環(huán)空運至井外。PDC 鉆頭因使用了聚晶金剛石復合片作切削元件而使得切削齒有很高的硬度和耐磨性。 PDC 齒的缺點是熱穩(wěn)定性差，當溫度超過 700時，金剛石層內的粘結金屬將失效而導致切削齒破壞， 因此 PDC 齒不能直接燒結在胎體上而只能采用低溫釬焊方式將其固定在鉆頭體上。在工作中，切削齒底部磨損面在壓力作用下一直與巖石表面滑動摩擦要產生大量的摩擦熱，當切削齒清洗冷卻條件不好，局部溫度較高時，就有可能導致切削齒的熱摩損（ 350

4、-700時，切削齒的磨損速度很快，這一現(xiàn)象稱為切削齒的熱磨損）而影響鉆頭正常工作，所以鉆頭要避免熱磨損出現(xiàn)就必須有很好的水力清洗冷卻，潤滑作用配合工作，這就是要求泥漿從噴嘴流出后水力分布要合理，能有效地保護切削齒，這即是對鉆頭水力計的基本要求之一。另外 PDC 鉆頭應避免在高硬度，高研磨性的地層中高轉速鉆進，以免造成局部摩擦溫度過高。2.1 PDC 鉆頭及鉆進主要影響因素鉆頭結構介紹聚晶金剛石復合片分柱式和片式兩種，常用的形狀有圓形、尖形及半圓形等。通常以柱式方式鑲嵌在胎體上。1. 切削齒的布置切削齒的布置與所鉆地層及鉆頭類型有關，它將影響到鉆頭的機械鉆速、總進尺和磨損。切削齒布置越多，磨損越

5、慢，鉆頭壽命越長，但機械鉆進速度越低。切削齒的布置應使每個切削齒的切削力、所切削的巖石量、載荷、扭矩、磨損以及水力清洗等都相同，所以有等切削、等功率、等磨損設計要求。2. 切削齒出刃與胎體第二章PDC 鉆頭工作原理及相關特點是指切削刃與鉆頭體之間的距離。切削齒可以是全出刃，也可以是部分出刃：全出刃一般用于鉆軟地層，全出刃切削齒對鉆頭清洗有利，且鉆速較高；部分出刃用于較硬地層，它的切削齒強度較高，但鉆頭清洗相對較困難，適用于油基鉆井液中鉆進；硬質合金胎體鉆頭由于是鑄造形成，不受加工限制。3. 切削齒的排列方向有關 PDC 鉆頭的切削齒的排列方式的研究目前較多。為了便于清除以利于鉆進，切削齒在鉆頭

6、體上排列還應注意側傾角和后傾角。側傾角在鉆進時產生外推力，在鉆井液的清洗作用下側傾角能協(xié)助將巖屑排出鉆頭中心，有效清洗鉆頭。后傾角除有利于鉆頭切削齒的清洗外，在硬巖層切削力增大時可以減少切削齒的顫動，有利于保護切削刃， 延長其壽命。后傾角一般為 0 25 。后傾角愈大，機械鉆速愈低，但在硬地層中后傾角可減少切削刃的損壞。側傾 角鉆頭體切削塊切削塊后傾角圖 2.1 側傾角與后傾角示意圖影響 PDC 鉆頭鉆進速度的主要因素影響鉆進速度的主要因素有很多，而且互相交織在一起而變得十分復雜。要想把所有的影響因素反應到一個統(tǒng)一的鉆速模式中是很困難的。但其中影響較大、變化規(guī)律較明顯的因素有鉆壓、轉速、牙齒磨

7、損、水力參數(shù)、壓差、鉆井液性能等，而其中與井底流動直接發(fā)生關系的有轉速、水力參數(shù)、壓差、鉆井液性能等。1. 轉速對鉆速的影響從機械破巖的原理來看，隨著轉速n 的增加，鉆速 vm 也相應增加。通過現(xiàn)場和室內的試驗得出的典型轉速與鉆進速度呈指數(shù)關系，且指數(shù)小于 1。這反映出鉆頭破碎巖石的時間效應問題。它們之間的關系用數(shù)學形式可表達為：vm n（2.1）第二章PDC 鉆頭工作原理及相關特點式中為轉速指數(shù)，是巖石自然屬性，它隨地質條件和埋藏深度不同而異。2. 水力參數(shù)對鉆速的影響水力參數(shù)引起的井底凈化程度對鉆速有較大的影響。井底凈化是靠射流水力功率來完成的，如果水力功率不夠，凈化不充分，使巖屑留在井底

8、而造成重復切削，導致實際鉆速的下降。同時，射流水功率在一定程度上還有水力破巖的作用。1975 年美國阿莫科研究中心在大量試驗的基礎上給出了水力參數(shù)和機械轉速合理匹配的關系曲線（圖2.2），該曲線將圖分為水力凈化完善和水力凈化不完善的兩個區(qū)。一定的鉆速就意味著單位時間內鉆出的巖屑總量，而清除這些巖屑就需要相應的水力功率。如果實際水力功率小于清巖所需的水力功率,井底就會積存巖屑，影響鉆速的提高。由于水力破巖的作用已經受鉆壓的限制，凈化程度只是從保證機械破巖效果方面影響轉速，也就是說在排除水力破巖的作用條件下，如果破巖效率一定，在井底凈化達到充分后無論如何提高水力功率也不可能提高轉速。18凈化不完善

9、區(qū)12速鉆6凈化完善區(qū)123單位水功率圖 2.2 鉆速與水力參數(shù)關系曲線根據圖 2.2 中的曲線回歸可得：Ncj 0.8527 0j.31（2.2）并通過大量的試驗得到：vmNc（2.3）C HN jv j式中：N cj 凈化充分時的鉆頭比水功率，W / mm2；v j 凈化充分時的鉆速， m/ h ；N c 實際鉆頭比水功率，W / mm2 ；第二章PDC 鉆頭工作原理及相關特點vm 實際鉆速， m/ h ；CH 水力參數(shù)影響系數(shù)。水力參數(shù)的影響系數(shù)不能大于 1，這是因為凈化充分后的鉆井機械鉆速不會提高。若按（ 2.3）計算出的 C H 值大于 1 時，說明井底已充分凈化， C H 值取 1

10、。由（ 2.3）可得：vm C H v j（2.4）3. 壓差對鉆速的影響壓差是指井底壓力與地層壓力之差值。井底壓差將使巖石強度增加并對巖屑產生壓持效應，從而影響了鉆頭的破巖效率，使得機械鉆速降低。它對鉆速的影響規(guī)律如圖（ 2.3）所示。根據曲線，可導出壓差對鉆速影響關系。v 0 -v mCpv 000p圖 2.3壓差與鉆速關系曲線vme 0.001714 p（2.5）v0式中：vm 實際速度， m/ h ；v0 零壓差時的鉆速， m / h ；e 自然對數(shù)的底數(shù)； p 壓差， kPa。4. 鉆井液性能對鉆速的影響鉆井液性能對鉆進的影響是復雜的，因為鉆井液各種性能之間關系密切，改變鉆井液一種性

11、能常會引起其它性能的相應變化，因此要單獨評價某一種鉆井液性能對鉆速的影響相當困難。大量的試驗研究證明，鉆井液密度、粘度、失水量第二章PDC 鉆頭工作原理及相關特點和固相含量及其分散性能都對鉆速具有不同的影響。鉆井液密度對鉆速的影響提高鉆井液密度將增加井底壓差，使鉆速相應下降。降低鉆井液密度雖能提高鉆速，但受地質條件的限制，不能任意降低。鉆井液粘度對鉆速的影響鉆井液粘度并不直接影響鉆速，它是通過對循環(huán)系統(tǒng)壓耗和井底凈化等作用的影響而間接影響鉆速。在地面功率一定的條件下，降低鉆井液粘度可以降低循環(huán)系統(tǒng)的壓耗，提高鉆頭壓力降，從而使鉆速相應提高。鉆井液固相含量及其分散性對鉆速的影響實踐證明，鉆井液固

12、相含量對鉆速影響較大，因此必須嚴格控制固相含量。鉆井液中不僅固相含量對轉速有影響，固體顆粒的分散度對鉆速有影響。實驗證明，鉆井液內小于 1 m 的固相顆粒越多，對鉆速的影響越大（約大 12 倍左右）。固相含量相同時，分散性鉆井液比不分散鉆井液的鉆速低，固相含量越小，兩者差別約大。為了提高轉速，應盡量采用低固相不分散鉆井液。此外，鉆井液失水等對鉆速都有一定影響。但這些性能與鉆井液粘度、固相含量及分散性等因素有關，增加鉆井液失水常會鉆井液粘度，因此難于測定他們對鉆速的獨立影響。鉆井實踐證明，鉆井液性能是影響鉆速的極重要因素。但鉆井液性能常受井下工作條件的影響，難于嚴格控制，因此至今尚未有能確切反映

13、鉆井液性能影響規(guī)律的數(shù)學模式作為優(yōu)選鉆井液性能的客觀依據，這是優(yōu)選鉆進參數(shù)中需要進一步研究解決的重要課題。 2.2 PDC 鉆頭的損壞PDC 鉆頭的損壞情況很多，原因也各不相同，主要有斷齒、泥包、沖蝕、噴嘴或通道堵塞、噴嘴周圍及本身損壞等。斷齒問題： PDC 鉆頭鉆進過程中要承受各種交變載荷，這些都直接會導致斷齒。同時鉆頭還要受到渦動，巖削的沖擊，研磨和泥漿的沖蝕，雖然這些破壞在初期不會導致斷齒，但最終往往是以斷齒結束。鉆頭泥包問題：所謂“鉆頭泥包” ，就是鉆頭在鉆進過程中，切削巖石的切削第二章PDC 鉆頭工作原理及相關特點力很大，從可變形的塑性巖石中擠出水，導致巖削緊貼在鉆頭體上，若巖削未及

14、時排除，會越積越多，產生泥包。泥包對鉆頭的負面影響很大， ?？蓪е氯齻€方面的問題： 1.在鉆頭上堆積了大量的切削，使切削齒不能接觸地層，導致機械鉆井速度下降； 2.在鉆頭上堆積大量的粘屑，使其像油箱內的活塞似的工作，在起下鉆的時導致壓力波動和軸吸壓力；3.鉆頭泥包生成后，鉆井液不能充分冷卻PDC 復合片，直接影響復合片的壽命。渦動問題： 1987 年，美國的 BREET 提出這種現(xiàn)象是由于 PDC 鉆頭的渦動現(xiàn)象造成的，他認為渦動的原因是隨著鉆頭的旋轉，鉆頭的瞬時旋轉中心在鉆頭工作面上的位置不斷發(fā)生變化，造成鉆頭作不規(guī)則的旋轉運動。鉆頭在鉆進過程受深度側向不平衡力的作用而被推向井壁，鉆頭的一側與壁間發(fā)生摩擦。鉆頭在側向不平衡力、側向摩擦力、轉動扭矩的聯(lián)合作用下產生不規(guī)則運動，其瞬時旋轉中心不再是鉆頭的幾何中心，此時的運動狀態(tài)就稱為渦動，而且渦動一旦產生就很難停止。同時，由于較高的轉速，鉆頭渦動運動產生很大的離心力，將鉆頭一側推向井壁，產生更大的摩擦力，從而進一補增強鉆頭渦動，最終造成鉆頭的破壞。射流反彈破壞問題：在PDC 鉆頭的初始階段，由于水力設計的不合理，過大的射流作用在井底，部分形成漫流，部分則反彈作用到鉆頭的表面，高