PDC鉆頭工作原理及相關(guān)特點

第二章 PDC鉆頭工作原理及相關(guān)特點第二章PDC鉆頭工作原理及相關(guān)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(fù)合片切削齒和齒柱式兩種結(jié)構(gòu)，它們的結(jié)構(gòu)以及在鉆頭上的安裝方式如圖1-2所示。復(fù)合片式切削齒是將復(fù)合片直接焊接在鉆頭體上預(yù)留的凹槽內(nèi)而形成的。它普通用于胎體鉆頭；齒柱式切削齒是將復(fù)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者焊接在鉆頭體上的齒空內(nèi)，它普通用于鋼體鉆頭，也實用于胎體鉆頭的。復(fù)合片(即聚晶金剛石復(fù)合片)是切削齒的核心。復(fù)合片普通為圓片狀，其結(jié)構(gòu)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(fù)合片式切削齒 (b)齒柱式切削齒圖1-3 復(fù)合片的結(jié)構(gòu)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(xué)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(fù)合片切削結(jié)構(gòu)正是利用了巖石這一力學(xué)特性，采用高效的剪切方式來破碎巖石，從而達(dá)到了快速鉆井的圖1-4 PDC鉆頭的切削方式第二章 PDC鉆頭工作原理及相關(guān)特點目的。當(dāng)PDC鉆頭在軟到中等級硬度地層進(jìn)時，復(fù)合片切削齒在鉆壓和扭矩作用下克服地層應(yīng)力吃入地層并向前滑動，巖石在切削齒作用下沿其剪切方向破碎并產(chǎn)生塑性流動，切削所產(chǎn)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(fù)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(dāng)溫度超過700℃時，金剛石層內(nèi)的粘結(jié)金屬將失效而導(dǎo)致切削齒破壞，因此PDC齒不能直接燒結(jié)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向來與巖石表面滑動磨擦要產(chǎn)生大量的磨擦熱，當(dāng)切削齒清洗冷卻條件不好，局部溫度較高時，就有可能導(dǎo)致切削齒的熱摩損(350-700℃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浮現(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(hù)切削齒，這即是對鉆頭水力計的基本要求之一。此外PDC鉆頭應(yīng)避免在高硬度，高研磨性的地層中高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，以免造成局部磨擦溫度過高。聚晶金剛石復(fù)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。切削齒的布置切削齒的布置與所鉆地層及鉆頭類型有關(guān)，它將影響到鉆頭的機(jī)械鉆速、總進(jìn)尺和磨損。切削齒布置越多，磨損越慢，鉆頭壽命越長，但機(jī)械鉆進(jìn)速度越低。切削齒的布置應(yīng)使每一個切削齒的切削力、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(shè)計要求。切削齒出刃與胎體第二章 PDC鉆頭工作原理及相關(guān)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，也可以是部份出刃：全出刃普通用于鉆軟地層，全出刃切削齒對鉆頭清洗有利，且鉆速較高；部份出刃用于較硬地層，它的切削齒強度較高，但鉆頭清洗相對較艱難，合用于油基鉆井液中鉆進(jìn)；硬質(zhì)合金胎體鉆頭由于是鑄造形成，不受加工限制。切削齒的羅列方向有關(guān)PDC鉆頭的切削齒的羅列方式的研究目前較多。為了便于清除以利于鉆進(jìn)，切削齒在鉆頭體上羅列還應(yīng)注意側(cè)傾角和后傾角。側(cè)傾角在鉆進(jìn)時產(chǎn)生外推力，在鉆井液的清洗作用下側(cè)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(hù)切削刃，延長其壽命。后傾角普通為0~25。后傾角愈大，機(jī)械鉆速愈低，但在硬地層中后傾角可減少切削刃的損壞。側(cè)傾角鉆頭體切削塊 切削塊后傾角圖 2.1側(cè)傾角與后傾角示意圖影響鉆進(jìn)速度的主要因素有不少，而且互相交織在一起而變得十分復(fù)雜。要想把所有的影響因素反應(yīng)到一個統(tǒng)一的鉆速模式中是很艱難的。但其中影響較大、變化規(guī)律較明顯的因素有鉆壓、轉(zhuǎn)速、牙齒磨損、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(guān)系的有轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)、壓差、鉆井液性能等。轉(zhuǎn)速對鉆速的影響從機(jī)械破巖的原理來看，隨著轉(zhuǎn)速 n的增加，鉆速 v 也相應(yīng)增加。通過現(xiàn)場m和室內(nèi)的試驗得出的典型轉(zhuǎn)速與鉆進(jìn)速度呈指數(shù)關(guān)系，且指數(shù)小于1。這反映出鉆頭破碎巖石的時間效應(yīng)問題。它們之間的關(guān)系用數(shù)學(xué)形式可表達(dá)為：vn入(2.1)m第二章 PDC鉆頭工作原理及相關(guān)特點式中入為轉(zhuǎn)速指數(shù)，是巖石自然屬性，它隨地質(zhì)條件和埋藏深度不同而異。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，使巖屑留在井底而造成重復(fù)切削，導(dǎo)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(chǔ)上給出了水力參數(shù)和機(jī)械轉(zhuǎn)速合理匹配的關(guān)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(nèi)鉆出的巖屑總量，而清除這些巖屑就需要相應(yīng)的水力功率。如果實際水力功率小于清巖所需的水力功率,井底就會積累巖屑，影響鉆速的提高。由于水力破巖的作用已經(jīng)受鉆壓的限制，凈化程度只是從保證機(jī)械破巖效果方面影響轉(zhuǎn)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(dá)到充分后無論如何提高水力功率也不可能提高轉(zhuǎn)速。18凈化不完善區(qū)12速鉆6凈化完善區(qū)1 2單位水功率

3圖 2.2鉆速與水力參數(shù)關(guān)系曲線根據(jù)圖2.2中的曲線回歸可得：N0.85270.31(2.2)cjj并通過大量的試驗得到：CvN(2.3)HvmNcjj式中：N——凈化充分時的鉆頭比水功率，W/mm2；cjv——凈化充分時的鉆速，m/h；jN——實際鉆頭比水功率，W/mm；c2第二章 PDC鉆頭工作原理及相關(guān)特點——實際鉆速，m/h；mH——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(jī)械鉆速不會提高。若按(2.3)計算出的C值大于1時，說明井底已充分凈化，C值取1。H

H由(

2.3)可得：v C

v

(2.4)m

H

j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(chǎn)生壓持效應(yīng)，從而影響了鉆頭的破巖效率，使得機(jī)械鉆速降低。它對鉆速的影響規(guī)律如圖(2.3)所示。根據(jù)曲線，可導(dǎo)出壓差對鉆速影響關(guān)系。v-vCp0vm0 00p圖2.3壓差與鉆速關(guān)系曲線v(2.5)vme0.001714p0式中：vm——實際速度，m/h；——零壓差時的鉆速，m/h；0e——自然對數(shù)的底數(shù)；——壓差，kPa。鉆井液性能對鉆速的影響鉆井液性能對鉆進(jìn)的影響是復(fù)雜的，因為鉆井液各種性能之間關(guān)系密切，改變鉆井液一種性能常會引起其它性能的相應(yīng)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(dāng)艱難。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(guān)特點和固相含量及其分散性能都對鉆速具有不同的影響。①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(yīng)下降。降低鉆井液密度雖能提高鉆速，但受地質(zhì)條件的限制，不能任意降低。②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(yīng)提高。③鉆井液固相含量及其分散性對鉆速的影響實踐證明，鉆井液固相含量對鉆速影響較大，因此必須嚴(yán)格控制固相含量。鉆井液中不僅固相含量對轉(zhuǎn)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(nèi)小于1m的固相顆粒越多，對鉆速的影響越大(約大12倍擺布)。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(zhuǎn)速，應(yīng)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(guān)，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(yán)格控制，因此至今尚未有能切當(dāng)反映鉆井液性能影響規(guī)律的數(shù)學(xué)模式作為優(yōu)選鉆井液性能的客觀依據(jù)，這是優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)中需要進(jìn)一步研究解決的重要課題。PDC鉆頭的損壞情況不少，原因也各不相同，主要有斷齒、泥包、沖蝕、噴嘴或者通道阻塞、噴嘴周圍及本身損壞等。斷齒問題：PDC鉆頭鉆進(jìn)過程中要承受各種交變載荷，這些都直接會導(dǎo)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(dǎo)致斷齒，但最終往往是以斷齒結(jié)束。鉆頭泥包問題：所謂“鉆頭泥包”，就是鉆頭在鉆進(jìn)過程中，切削巖石的切削第二章 PDC鉆頭工作原理及相關(guān)特點力很大，從可變形的塑性巖石中擠出水，導(dǎo)致巖削緊貼在鉆頭體上，若巖削未及時排除，會越積越多，產(chǎn)生泥包。泥包對鉆頭的負(fù)面影響很大，?？蓪?dǎo)致三個方面的問題：1.在鉆頭上堆積了大量的切削，使切削齒不能接觸地層，導(dǎo)致機(jī)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(nèi)的活塞似的工作，在起下鉆的時導(dǎo)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(fù)合片，直接影響復(fù)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(rèn)為渦動的原因是隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)，鉆頭的瞬時旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運動。鉆頭在鉆進(jìn)過程受深度側(cè)向不平衡力的作用而被推向井壁，鉆頭的一側(cè)與壁間發(fā)生磨擦。鉆頭在側(cè)向不平衡力、側(cè)向磨擦力、轉(zhuǎn)動扭矩的聯(lián)合作用下產(chǎn)生不規(guī)則運動，其瞬時旋轉(zhuǎn)中心再也不是鉆頭的幾何中心，此時的運動狀態(tài)就稱為渦動，而且渦動一旦產(chǎn)生就很難住手。同時，由于較高的轉(zhuǎn)速，鉆頭渦動運動產(chǎn)生很大的離心力，將鉆頭一側(cè)推向井壁，產(chǎn)生更大的磨擦力，從而進(jìn)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(shè)計的不合理，過大的射流作用在井底，部份形成漫流，部份則反彈作用