張文波 史懷忠 席傳明 張楠 熊超 陳振良

摘要：混合布齒PDC鉆頭在油田現(xiàn)場(chǎng)取得了較好的提速和進(jìn)尺效果，但其設(shè)計(jì)過多依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論依據(jù)和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。為了優(yōu)選錐形PDC齒與常規(guī)PDC齒混合布齒參數(shù)，進(jìn)一步提高混合布齒PDC鉆頭在硬巖地層中的鉆進(jìn)性能，針對(duì)花崗巖地層設(shè)計(jì)并開展了錐形齒和常規(guī)齒混合切削試驗(yàn)，探究了同軌道切削順序、切削齒高差和異軌道錐形齒間距、切削齒高差對(duì)破巖效果的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：對(duì)于同軌道混合切削，采用先錐形齒后常規(guī)齒的切削順序可以使錐形齒和常規(guī)齒的破巖效率都達(dá)到最佳，獲得最佳的整體破巖效果；對(duì)于異軌道混合切削，隨著錐形齒間距的增加，切削力和破巖比能先減小后增大，而破巖體積先增大后減小；當(dāng)錐形齒間距為18 mm時(shí)，切削力和破巖比能同時(shí)達(dá)到最小值，分別為4 252 N和108 MPa，最優(yōu)錐形齒間距為18 mm。所得結(jié)論可為適用于硬巖地層鉆進(jìn)的混合布齒PDC鉆頭設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：PDC鉆頭；混合布齒；錐形齒；破巖比能；混合切削；同軌道切削

0 引 言

PDC鉆頭自20世紀(jì)70年代進(jìn)入油氣鉆井行業(yè)以來，憑借高鉆速、長進(jìn)尺的優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)了全球油氣鉆頭市場(chǎng)［1］。目前PDC鉆頭在全球的進(jìn)尺占比已經(jīng)超過90%，但常規(guī)PDC鉆頭在堅(jiān)硬地層中仍面臨崩齒、碎齒和磨損等挑戰(zhàn)［2-3］。2010年，美國Novatek公司C.J.DURRAND等［4］發(fā)明了一種新型PDC齒——錐形齒。該齒外形為圓錐狀，錐頂位置金剛石層厚度是常規(guī)PDC齒的2倍，抗沖擊性和耐磨性分別提高了100%和25%。此外，錐形齒依靠齒尖應(yīng)力集中和特殊的犁削破巖方式在硬巖地層中具有較高的破巖效率。

關(guān)于錐形PDC齒，國內(nèi)外學(xué)者開展了較為豐富的研究。中國石油大學(xué)（華東）鄒德永團(tuán)隊(duì)開展了錐形齒破巖、耐磨性和抗沖擊性測(cè)試的室內(nèi)試驗(yàn)，研究了切削角、錐頂半徑、吃入深度和巖石硬度等參數(shù)對(duì)錐形齒受力、耐磨性和抗沖擊性的影響規(guī)律［5-7］。C.J.DURRAND等［8］以及M.AZAR等［9］也對(duì)錐形齒的耐磨性和抗沖擊性進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)。XIONG C.等［10-11］通過單齒切削破碎花崗巖試驗(yàn)，對(duì)比了錐形齒和常規(guī)齒在切削力、破巖效率、切削槽形貌和切削槽斷口特征等方面的差異，揭示了錐形齒和常規(guī)齒的破巖特性和破巖機(jī)理差異，并通過理論推導(dǎo)，建立了預(yù)測(cè)錐形齒切削力的三維模型。胡思成等［12］通過ABAQUS有限元模擬，研究了錐形齒在旋沖和扭沖載荷下的巖石破碎過程和效率，探究了沖擊幅值和沖擊頻率對(duì)巖石內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)演化、破巖深度、破巖體積和破巖比能的影響規(guī)律。這些研究進(jìn)一步驗(yàn)證了錐形齒的高效破巖性能和長使用壽命，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了錐形齒存在單次破巖體積小、井底巖石覆蓋能力不足的問題。

目前，錐形齒主要是和常規(guī)齒配合使用，混合布置在PDC鉆頭冠部或中心位置，形成混合布齒PDC鉆頭，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量應(yīng)用，取得了較好的提速和進(jìn)尺效果［13-14］。但是混合布齒PDC鉆頭的設(shè)計(jì)過多依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論依據(jù)和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。劉忠等［15-16］開展了錐形齒與常規(guī)齒混合切削砂巖的試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，探究了混合布齒參數(shù)對(duì)切削力和破巖效率的影響規(guī)律。但針對(duì)硬巖地層，混合PDC鉆頭缺乏相關(guān)的混合布齒基礎(chǔ)研究。為此，筆者針對(duì)花崗巖，設(shè)計(jì)并開展了錐形齒和常規(guī)齒混合切削試驗(yàn)，探究了同軌道切削順序、切削齒高差和異軌道錐形齒間距、切削齒高差對(duì)破巖效果的影響規(guī)律，優(yōu)選了混合布齒參數(shù)，以期為適用于硬巖地層鉆進(jìn)的混合布齒PDC鉆頭設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 混合切削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

PDC齒切削破巖試驗(yàn)主要用于研究PDC齒破巖性能，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

該裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，利用相似原理模擬PDC齒直線切削破巖，主要由切削系統(tǒng)和控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2大部分組成。切削系統(tǒng)主要由底座、側(cè)支撐臂、調(diào)角絲杠、切削刀頭、PDC齒夾持器、巖樣夾持裝置、載荷傳感器、水平滑臺(tái)、重載導(dǎo)軌和伺服電機(jī)組成。控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由各種不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、采集自控裝置及機(jī)柜等組合而成。通過調(diào)角絲杠帶動(dòng)切削刀頭旋轉(zhuǎn)，配合不同角度的PDC齒夾持器，實(shí)現(xiàn)錐形齒在0°～45°、常規(guī)齒在0°～60°范圍內(nèi)的切削角調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度為0.5°。通過沿豎直方向上下移動(dòng)PDC齒夾持器，配合數(shù)顯千分表調(diào)節(jié)切削深度，調(diào)節(jié)范圍為0～5 mm，調(diào)節(jié)精度為0.01 mm。伺服電機(jī)最大推力為10 kN，切削速度在10～200 mm/s范圍內(nèi)可調(diào)。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的巖石是產(chǎn)自山東的花崗巖露頭，切割成150 mm×150 mm×150 mm的立方體，嚴(yán)格控制巖石表面的平整度和平行度。對(duì)花崗巖的基本力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

采用武漢玖石超硬材料有限公司生產(chǎn)的S1913型常規(guī)齒和C1621型錐形齒開展破巖試驗(yàn)，2種齒的幾何參數(shù)如圖2a和圖2b所示。值得注意的是，錐形齒是以前傾角破巖，而常規(guī)齒則是采用后傾角破巖，2種齒的切削角示意圖如圖2c和圖2d所示。

1.3 試驗(yàn)方案及流程

錐形齒與常規(guī)存在2種混合布齒模式：一種是錐形齒與常規(guī)齒的切削軌道重合，即同軌道布齒模式；另一種是錐形齒與常規(guī)齒的切削軌道不重合，2個(gè)軌道之間存在一定徑向間距，即異軌道布齒模式。針對(duì)這2種混合布齒模式，設(shè)計(jì)了錐形齒與常規(guī)齒混合切削試驗(yàn)。圖3a是同軌道切削模式示意圖。先采用錐形齒在花崗巖表面進(jìn)行第一次切削，然后采用常規(guī)齒在與第一道切削槽重合的位置進(jìn)行第二次切削。圖3b是異軌道切削模式示意圖。先采用錐形齒在花崗巖表面進(jìn)行2次切削，形成2道切削槽，這2次切削時(shí)錐形齒齒頂之間存在一定間距，定義為錐形齒間距，然后采用常規(guī)齒在第一道與第二道切削槽中間的位置進(jìn)行第三次切削。

表2和表3分別為同軌道混合切削和異軌道混合切削試驗(yàn)方案表。本文共設(shè)計(jì)了14組試驗(yàn)，其中5組為同軌道混合切削，9組為異軌道混合切削，主要探究錐形齒間距、錐形齒與常規(guī)齒的切削順序以及錐形齒與常規(guī)齒之間的切削深度差對(duì)破巖效果的影響。為了增加試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，減小試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。每次切削破巖過程中，實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄錐形齒和常規(guī)齒切削力，切削完成后收集產(chǎn)生的巖屑，后續(xù)對(duì)其篩分和稱質(zhì)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 同軌道切削順序

圖5對(duì)比了同軌道切削模式下，不同切削順序?qū)η邢髁?、破巖體積和破巖比能的影響規(guī)律。

第1組按照先錐形齒后常規(guī)齒的切削順序開展試驗(yàn)；第2組與第1組的順序相反，采用先常規(guī)齒后錐形齒開展試驗(yàn)。如表2所示，在這2組試驗(yàn)中，錐形齒和常規(guī)齒的切削參數(shù)都相同，唯一不同的是2種齒的切削順序。結(jié)果表明，與第2組相比，第1組的切削力減小了19.6%，破巖體積增加了16.4%，破巖比能減小了31.3%。這說明采用先錐形齒后常規(guī)齒的切削順序可以實(shí)現(xiàn)以更小的切削力破碎更大體積的巖石，獲得更高的破巖效率。

第1組第一次切削與第2組第二次切削均采用錐形齒，切削參數(shù)相同，但破巖效果卻存在顯著差異，如圖6a所示。

第1組中錐形齒的切削力和破巖體積均顯著大于第2組中的，但破巖比能僅為第2組中錐形齒破巖比能的29.6%，這意味著第1組中錐形齒的破巖效率顯著高于第2組中錐形齒的破巖效率。對(duì)于常規(guī)齒（見圖6b），第1組第二次和第2組第一次切削參數(shù)均相同，第1組的常規(guī)齒切削力和破巖體積均顯著小于第2組的，破巖比能也比第2組的破巖比能低24.8%。這說明先采用錐形齒后采用常規(guī)齒的同軌道混合切削模式可以讓錐形齒和常規(guī)齒的破巖效率都達(dá)到最佳，故先錐形齒后常規(guī)齒的這種切削順序達(dá)到的整體破巖效果最佳。

2.2 同軌道切削齒高度差

對(duì)于同軌道混合切削，除了切削順序外，錐形齒和常規(guī)齒的高度差是另一個(gè)對(duì)破巖效果有重要影響的參數(shù)。針對(duì)先錐形齒后常規(guī)齒的切削順序，研究了錐形齒和常規(guī)齒的高度差對(duì)切削力、破巖體積和破巖比能的影響規(guī)律，如圖7所示。

第1、3和4組試驗(yàn)的第一次切削均采用錐形齒，切削深度為3 mm；第二次切削均采用常規(guī)齒，但是切削深度不同，分別為2、3和4 mm，即切削齒高度差分別為-1、0和1 mm。隨著第二次切削常規(guī)齒的切削深度增加，切削力呈線性增大，破巖體積也逐漸增加，破巖比能逐漸降低，破巖效率逐漸提高。但值得注意的是，當(dāng)常規(guī)齒切削深度由3 mm增加到4 mm時(shí)，即切削齒高度差由0增加到1 mm時(shí)，破巖體積大幅增加（由4 616 mm3增加到6 484 mm3），破巖比能也出現(xiàn)明顯降低（由113 MPa減小到98 MPa）。這表明增加第二次常規(guī)齒的切削深度，即增加切削齒高度差，可以逐步提高破巖效率，尤其是當(dāng)?shù)诙纬Ｒ?guī)齒的切削深度大于第一次錐形齒的切削深度時(shí)，破巖效率提高更加明顯。這主要是因?yàn)榈诙吻邢鲿r(shí)，常規(guī)齒不僅將第一次錐形齒在切削槽兩側(cè)形成的受損傷巖石破碎了，同時(shí)還將切削槽底部受損傷的巖石破碎了，即錐形齒第一次破巖對(duì)切削槽周圍造成損傷的巖石，在第二次常規(guī)齒破巖過程中被最大范圍地破碎了。

切削齒高度差增加可以提高破巖效率，但是也不能過大。錐形齒具有卓越的抗沖擊能力，其與常規(guī)齒混合布齒在鉆頭上，除了提高破巖效率，另一個(gè)重要的功能是分擔(dān)沖擊載荷，保護(hù)常規(guī)齒，延長鉆頭壽命，提高鉆頭進(jìn)尺。當(dāng)錐形齒與常規(guī)齒高度差過大時(shí)，錐形齒無法對(duì)常規(guī)齒形成有效保護(hù)。因此，在錐形齒與常規(guī)齒同軌道布齒時(shí)，不僅要考慮破巖效率，還應(yīng)考慮鉆頭壽命。根據(jù)本研究結(jié)果，建議錐形齒與常規(guī)齒的高度差不超過1 mm。

2.3 異軌道錐形齒間距

圖8展示了異軌道混合切削時(shí)，切削力、破巖體積和破巖比能隨錐形齒間距的變化規(guī)律。由圖8可知：切削力和破巖比能的變化規(guī)律相似，當(dāng)錐形齒間距從14 mm增加到22 mm時(shí)，切削力和破巖比能先減小后增大；破巖體積的變化規(guī)律則與切削力和破巖比能的變化規(guī)律相反，隨著錐形齒間距的增大而先增大后減??；當(dāng)錐形齒間距為18 mm時(shí)，切削力和破巖比能同時(shí)達(dá)到最小值，最小切削力為4 252 N，最小破巖比能為108 MPa。這意味著錐形齒間距為18 mm時(shí)，破巖效果最佳，即在本研究條件下，最優(yōu)錐形齒間距為18 mm。

2.4 異軌道切削齒高度差

在異軌道混合切削中，第一次和第二次切削時(shí)錐形齒切削深度為2 mm，第三次切削時(shí)常規(guī)齒的切削深度分別設(shè)置為1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 mm，即錐形齒與常規(guī)齒的高度差分別為-1.0、-0.5、0、0.5和1.0 mm。圖9展示了切削力、破巖體積和破巖比能隨切削齒高度差的變化規(guī)律。由圖9可知，破巖體積隨著切削齒高度差的增加而顯著增大，這是第三次切削時(shí)常規(guī)齒的切削深度逐漸增大，齒與巖石的接觸面積增大造成的。隨著切削齒高度差的增加，切削力和破巖比能先減小后增大。當(dāng)切削齒高度差為0.5 mm，即常規(guī)齒的切削深度比錐形齒的切削深度大0.5 mm時(shí)，切削力和破巖比能同時(shí)達(dá)到最小值，最小切削力為4 827 N，最小破巖比能為107 MPa。這意味著切削齒高度差為0.5 mm時(shí)，破巖效果達(dá)到最佳。此外，值得注意的是，當(dāng)切削齒高度差由0.5 mm增加到1.0 mm時(shí)，切削力從4 827 N急劇增加到6 138N。這主要是因?yàn)榈谝淮魏偷诙五F形齒切削時(shí)在切削槽周圍誘導(dǎo)的裂紋長度有限，隨著與巖石表面距離的增加，巖脊的損傷程度逐漸減弱。當(dāng)切削齒高度差為1.0 mm時(shí)，常規(guī)齒在第三次切削時(shí)的切削深度為3.0 mm，該區(qū)域的巖脊損傷程度較弱或沒有受到損傷，因此，切削力會(huì)急劇增大。在本文研究條件下，異軌道混合切削的最優(yōu)切削齒高度差為0.5 mm，在異軌道混合布齒設(shè)計(jì)時(shí)，建議錐形齒與常規(guī)齒的高度差為0.5 mm。

3 結(jié)論及建議

（1）對(duì)于同軌道混合切削，采用先錐形齒后常規(guī)齒的切削順序，可以使錐形齒和常規(guī)齒的破巖效率都達(dá)到最佳，獲得最佳的整體破巖效果。

（2）對(duì)于同軌道混合切削，隨著切削齒高度差的增加，切削力呈線性增大，破巖體積逐漸增加，破巖比能逐漸降低，破巖效率逐漸提高。同時(shí)考慮破巖效率和鉆頭壽命，建議錐形齒與常規(guī)齒的高度差不超過1 mm。

（3）對(duì)于異軌道混合切削，隨著錐形齒間距的增加，切削力和破巖比能先減小后增大，而破巖體積先增大后減小。當(dāng)錐形齒間距為18 mm時(shí)，切削力和破巖比能同時(shí)達(dá)到最小值，分別為4 252 N和108 MPa，最優(yōu)錐形齒間距為18 mm。

（4）對(duì)于異軌道混合切削，隨著切削齒高度差的增加，切削力和破巖比能先減小后增大，破巖體積逐漸增大。當(dāng)切削齒高度差為0.5 mm，切削力和破巖比能同時(shí)達(dá)到最小值，分別為4 827 N和107 MPa，最優(yōu)切削齒高度差為0.5 mm。

參考文獻(xiàn)：

［1］WARREN T M，SINOR L A.PDC bits： whats needed to meet tomorrows challenge［C］∥University of Tulsa Centennial Petroleum Engineering Symposium.Tulsa，Oklahoma： SPE，1994： SPE 27978-MS.

［2］CHENG Z，LI G S，HUANG Z W，et al.Analytical modelling of rock cutting force and failure surface in linear cutting test by single PDC cutter［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2019，177： 306-316.

［3］BRETT J F，WARREN T M，BEHR S M.Bit whirl： a new theory of PDC bit failure［C］∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition.San Antonio，Texas： SPE，1989： SPE 19571-MS.

［4］DURRAND C J，SKEEM M R，HALL D R.Thick PDC，shaped cutters for geothermal drilling： a fixed cutter solution for a roller cone drilling environment［C］∥44th U.S.Rock Mechanics Symposium and 5th U.S.-Canada Rock Mechanics Symposium.Salt Lake City，Utah： ARMA，2010： ARMA 10-524.

［5］孫源秀，鄒德永，侯緒田，等．錐形PDC齒犁切破巖受力試驗(yàn)研究［J］．石油機(jī)械，2014，42（9）：23-26．

SUN Y X，ZOU D Y，HOU X T，et al.Test of force of conical PDC cutter during rock plow-breaking［J］.China Petroleum Machinery，2014，42（9）： 23-26.

［6］鄒德永，郭玉龍，趙建，等．錐形PDC單齒破巖試驗(yàn)研究［J］．石油鉆探技術(shù)，2015，43（1）：122-125．

ZOU D Y，GUO Y L，ZHAO J，et al.Experimental study on rock breaking of conical PDC cutter［J］.Petroleum Drilling Techniques，2015，43（1）： 122-125.

［7］王濱，鄒德永，林森，等．錐形PDC齒耐磨性能試驗(yàn)研究［J］．石油機(jī)械，2015，43（7）：23-26．

WANG B，ZOU D Y，LIN S，et al.Wear resistance test of conical PDC cutter［J］.China Petroleum Machinery，2015，43（7）： 23-26.

［8］DURRAND C J，SKEEM M R，CROCKETT R B，et al.Super-hard，thick，shaped PDC cutters for hard rock drilling： development and test results［C］∥Proceedings，Thirty-Fifth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering.Stanford，California： Stanford University，2010： SGP TR-188.

［9］AZAR M，LONG W，WHITE A，et al.A new approach to fixed cutter bits［J］.Oilfield Review，2015，27（2）： 30-35.

［10］XIONG C，HUANG Z W，YANG R Y，et al.Comparative analysis cutting characteristics of stinger PDC cutter and conventional PDC cutter［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2020，189： 106792.

［11］XIONG C，HUANG Z W，SHI H Z，et al.3D cutting force model of a stinger PDC cutter： considering confining pressure and the thermal stress［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，2021，54（9）： 5001-5022.

［12］胡思成，管志川，路保平，等．錐形齒旋沖及扭沖的破巖過程與破巖效率分析［J］．石油鉆探技術(shù)，2021，49（3）：87-93．

HU S C，GUAN Z C，LU B P，et al.Rock breaking process and efficiency analysis of conical cutting teeth under rotary and torsional impact［J］.Petroleum Drilling Techniques，2021，49（3）： 87-93.

［13］AZAR M，WHITE A，VELVALURI S，et al.Middle east hard/abrasive formation challenge： reducing PDC cutter volume at bit center increases ROP/drilling efficiency［C］∥SPE/IADC Middle East Drilling Technology Conference & Exhibition.Dubai，UAE： SPE/IADC，2013： SPE 166755-MS.

［14］AL-ENEZI D，GOSWAMI B，TAKATE Y，et al.Conical diamond element on PDC bits sets new drilling performance benchmark in northern Kuwait field［C］∥SPE Middle East Oil & Gas Show and Conference.Manama，Kingdom of Bahrain： SPE，2017： SPE 183781-MS.

［15］劉忠，侯輝輝，胡偉．基于預(yù)破碎的巖石切削試驗(yàn)及分析［J］．石油機(jī)械，2019，47（12）：38-43，57．

LIU Z，HOU H H，HU W.An experimental and numerical simulation study on rock cutting based on pre-breaking［J］.China Petroleum Machinery，2019，47（12）： 38-43，57.

［16］劉忠，胡偉，尹卓，等．PDC鉆頭混合布齒參數(shù)對(duì)破巖的影響研究［J］．石油機(jī)械，2020，48（3）：51-57．

LIU Z，HU W，YIN Z，et al.The influence of mixed cutter arrangement parameters of PDC bit on rock breaking［J］.China Petroleum Machinery，2020，48（3）： 51-57.

［17］SIMON R.Energy balance in rock drilling［J］.Society of Petroleum Engineers Journal，1963，3（4）： 298-306.

［18］TEALE R.The concept of specific energy in rock drilling［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts，1965，2（1）： 57-73.