程書婷　王紅波　紀(jì)慧　蔡茂盛　李賽

關(guān)鍵詞 礫巖；PDC 切削齒；齒形優(yōu)選；異型齒；ABAQUS

中圖分類號 TQ164；TG74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）01-0043-06

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0072

收稿日期 2022-05-12 修回日期 2022-06-22

PDC 切削齒主要是由聚晶金剛石粉末及碳化鎢基體在高溫高壓條件下燒結(jié)而成，用其制成的PDC 鉆頭大大提高了鉆進(jìn)效率。但由于材料和設(shè)計上的局限性，PDC 鉆頭在鉆進(jìn)較堅硬的地層時容易發(fā)生齒的磨損或斷裂[1]，依然需要進(jìn)行理論創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新。

20世紀(jì)80年代， 我國開始引進(jìn)PDC 鉆頭， 90 年代后各大油田開始使用PDC 鉆頭，但因其造價高昂，我國開始自主研發(fā)[2]，經(jīng)歷了從盲目模仿到自主創(chuàng)新設(shè)計的階段，有關(guān)PDC 切削齒的研究也逐漸多樣化。隨著油氣資源的不斷開采，技術(shù)設(shè)備的不斷提高，國內(nèi)外的油氣勘探都向更深更復(fù)雜的地層探索。我國西部油氣資源豐富，但所在區(qū)域分布的礫巖層非均質(zhì)性強(qiáng)、研磨性強(qiáng)，常規(guī)的PDC 鉆頭在鉆進(jìn)時磨損嚴(yán)重，同時易造成孔壁垮塌。因此，在開采這些油氣資源時，最主要的問題之一就是如何提高鉆頭的鉆進(jìn)效率，鉆進(jìn)堅硬的高研磨性礫巖層[3]。

針對礫巖層所進(jìn)行的PDC 鉆頭相關(guān)研究不斷增多。RAYMOND[4] 指出了PDC 鉆頭的優(yōu)越性和局限性，通過試驗(yàn)對鉆頭的性能進(jìn)行了研究，指出在堅硬地層中鉆進(jìn)的缺陷和改進(jìn)的預(yù)期趨勢，但并沒有解決鉆頭具體的配置問題；RODRIGUEZ 等[5] 針對礫巖層特性對PDC 鉆頭進(jìn)行了調(diào)整，改變金剛石磨?；旌衔飦頊y定其耐磨性，發(fā)現(xiàn)PDC 鉆頭的沖擊性和耐磨性之間存在矛盾；HARELAND 等[6] 指出了PDC 鉆頭在硬地層中的局限性，通過建立分析模型具體分析，再根據(jù)分析結(jié)果對鉆頭進(jìn)行整體設(shè)計，確立了鉆頭切削效率較高的后傾角；祝小林等[7] 提出了前排PX 齒與后排錐形齒的個性化鉆頭設(shè)計，提高了鉆頭的抗沖擊性，同時延長了鉆頭的使用壽命；劉和興等[8] 針對非均質(zhì)的巖石建立10 種異形齒，在改變圍壓條件下對異形齒切削非均質(zhì)巖石過程進(jìn)行模擬，分析了各齒的特性差異。這些研究大多是針對齒的某一參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，在針對特定巖層時，如何進(jìn)行參數(shù)組合來達(dá)到更高的鉆進(jìn)效果的研究并不多。

因此，為了延長PDC 鉆頭使用壽命，提高鉆頭的鉆井效率，需要對礫巖層用PDC 鉆頭的切削齒進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計，擬對新疆博孜地區(qū)巨厚礫巖層5 300 m 深井段的礫巖巖樣進(jìn)行單齒破巖試驗(yàn)。該地區(qū)的礫巖研磨性強(qiáng)，可鉆性差，可鉆性級值高達(dá)8～9 級，鉆速低至1.4 m/s，抗壓強(qiáng)度為39.6～68.3 MPa。且儲層的巖性以粒徑較小的細(xì)礫巖和中礫巖為主，鉆進(jìn)過程中在膏泥巖段可能鉆遇白云巖。單齒破巖試驗(yàn)可對切削齒齒形進(jìn)行初步優(yōu)選，再通過仿真軟件模擬分析斧形齒齒面角度及配合的后傾角角度，以實(shí)現(xiàn)較好的切削效果。

1 單齒破巖試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

單齒破巖試驗(yàn)裝置由特殊改裝的鉆銑床、齒夾持裝置、巖石夾持裝置、型號為FYHX1 的切向測力計、工作臺和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成，見圖1。試驗(yàn)所用的巖樣為礫巖，切削齒選用直徑為14 mm 的普通平面齒、錐形齒、斧形齒3 種，切削齒主要結(jié)構(gòu)如圖2。加壓裝置鉆壓范圍是0～3 000 N，齒夾持裝置用于夾持不同類型切削齒，巖石夾持裝置能減小切向力的測量誤差，工作臺移動速度為0～20 mm/s，巖樣四面是水平平面，長寬高為200 mm × 80 mm × 80 mm。

1.2 試驗(yàn)原理及方法

PDC 鉆頭由多個切削齒組成，其破巖過程中主要依靠各切削齒完成，而鉆頭的整體受力較為復(fù)雜，單個切削齒的破巖狀態(tài)反映了鉆頭整體的破巖能力，因此需要對PDC 切削齒進(jìn)行單齒破巖試驗(yàn)[9]。

單齒破巖試驗(yàn)主要采用PDC 齒在巖樣上直線切削的方式，通過改變鉆壓等參數(shù)來獲取其切向力等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)前需要準(zhǔn)備表面打磨平整的礫巖巖樣和所需的切削齒；在試驗(yàn)過程中，將切削齒固定在切削齒夾持裝置上，將打磨平整后的巖樣固定在巖樣夾持裝置上，給切削齒施壓一個恒定的鉆壓，利用電機(jī)驅(qū)動工作臺帶動巖樣以5 mm/s 的速度做勻速直線運(yùn)動，在鉆壓作用下，切削齒在巖樣上切削出溝槽；在切削巖樣的過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時采集在不同條件下切削齒吃入巖樣的深度和切削齒受到的切向力[10]。

試驗(yàn)方案：將平面齒、錐形齒和斧形齒裝入齒夾持裝置中保持齒固定，通過加壓裝置對切削齒分別施加1 000、1 500、2 000、2 500 N 的鉆壓。當(dāng)切削齒尖端與巖樣接觸后，控制巖樣移動速度為5 mm/s，每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，實(shí)時觀測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的切削齒吃入巖樣的深度和切削齒受到的切向力，最后結(jié)果取其平均值。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，同一時間段內(nèi)平面齒、錐形齒和斧形齒的鉆進(jìn)深度平均值以及受到的切向力的平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差的結(jié)果如表1 所示。分別對比分析不同切削齒的鉆進(jìn)深度和切向力，進(jìn)而衡量切削齒的破巖效果。

1.3.1 不同切削齒鉆進(jìn)深度的對比分析

不同鉆壓下不同類型的切削齒的鉆進(jìn)深度對比情況如圖3 所示。從圖3 可知：不同切削齒的鉆入深度均隨鉆壓的增大而增加，在切削齒切削速度不變的條件下，一定范圍內(nèi)增大鉆壓有利于提高切削效率；同一時間段內(nèi)，不同鉆壓下斧形齒鉆入巖樣的深度都是最大的，錐形齒次之，平面齒鉆入巖樣的深度最小。3 種切削齒中，斧形齒破巖效果較好。

1.3.2 不同切削齒切向力的對比分析

不同鉆壓下平面齒、錐形齒和斧形齒在切削巖樣的過程中所受的切向力隨時間變化的對比情況見圖4～圖7。

由圖4～圖7 可知：在相同鉆壓條件下，斧形齒受到的切向力最小，其次為錐形齒，普通平面齒受到的切向力最大，說明斧形齒破巖效率最高。原因是斧形齒的破巖方式為犁削破巖，在簡單應(yīng)力條件下，加載方式不同，巖石的強(qiáng)度也不同，巖石的抗拉強(qiáng)度比抗剪強(qiáng)度小[11]，受到的切向力較小，同時斧形齒的斧刃會對巖石產(chǎn)生預(yù)破壞，從而使巖石強(qiáng)度降低，吃入巖石時的受力更小。由表1 計算4 種鉆壓條件下的切向力標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)的平均值可知：平面齒受到的切向力的標(biāo)準(zhǔn)差是斧形齒的2.63 倍，錐形齒受到的切向力的標(biāo)準(zhǔn)差是斧形齒的1.82 倍。通過各切削齒的切向力隨時間變化趨勢及標(biāo)準(zhǔn)差的比較可知，斧形齒切削效果最好且最穩(wěn)定。斧形齒在切削巖石的過程中受到的切向力波動范圍最小，錐形齒次之，平面齒波動范圍較大。在針對礫巖層進(jìn)行鉆頭設(shè)計時不僅需要考慮鉆進(jìn)效率，也需要提高鉆頭的使用壽命和整體穩(wěn)定性，穩(wěn)定的切削齒可以在一定程度上減少鉆頭受到的沖擊損壞。

同時，在不同鉆壓下，切削齒受到的切向力隨著鉆壓的增大而增加，且平面齒隨鉆壓的增加整體的切向力波動范圍更大，切向上受力更加不穩(wěn)定，斧形齒隨鉆壓的增加在切向力波動幅度小，較為穩(wěn)定。綜上可知，相對于平面齒和錐形齒，斧形齒在礫巖鉆進(jìn)過程中破巖效率最高且受力更加穩(wěn)定，在針對礫巖層設(shè)計鉆頭時，使用斧形齒可以獲得更好的鉆進(jìn)效果。

2 斧形齒角度優(yōu)選

利用ABAQUS 軟件對斧形齒鉆進(jìn)礫巖過程進(jìn)行仿真模擬，為了便于計算，需要對以下條件進(jìn)行假設(shè)：（1）不考慮溫度、壓力、流場變化的影響；（2）不考慮巖屑、鉆井液對鉆進(jìn)過程的影響；（3）鉆頭為均質(zhì)材料，切削片與鉆頭體材料參數(shù)相同；（4）假設(shè)鉆頭鉆進(jìn)過程中不發(fā)生磨損與破壞。

2.1 切削齒破壞模型

德魯克–普拉格（Drucker –Prager）屈服準(zhǔn)則是在Mohr–Coulomb 準(zhǔn)則和Mises 準(zhǔn)則基礎(chǔ)上擴(kuò)展和推廣而得[12]，德魯克–普拉格屈服準(zhǔn)則考慮了中間主應(yīng)力的影響，又考慮了靜水壓力（平均應(yīng)力σ_m）的作用，克服了Mohr–Coulomb 準(zhǔn)則的主要弱點(diǎn)，計算精度得到了明顯提高[13]。德魯克一普拉格屈服準(zhǔn)則為：

2.2 切削齒仿真模擬

PDC 切削齒是PDC 鉆頭破巖過程中最基本也是最重要的部分，在PDC 齒破巖過程中，切削齒在載荷作用下逐漸侵入巖石，當(dāng)巖石達(dá)到屈服極限時開始產(chǎn)生初始裂紋，斧形齒的齒面角度對齒的吃入能力產(chǎn)生影響[14]，對不同角度的斧形齒做垂直方向上的旋轉(zhuǎn)壓入礫巖模擬，模擬所用的切削齒及礫巖層的材料屬性見表2。

從單齒破巖試驗(yàn)得知斧形齒在礫巖層中鉆進(jìn)時效果最好。對斧形齒的齒面角度進(jìn)一步優(yōu)選，改變斧形齒齒面角度，利用仿真模擬齒面角度為140°，150°，160°斧形齒模型在礫巖模型垂直方向上的旋轉(zhuǎn)壓入過程，得到的結(jié)果如圖8 所示。

由圖8 可知：斧形齒的應(yīng)力集中在齒尖端的斧形凸起部分，PDC 切削齒擠壓巖石的過程首先在尖端部位形成塑性區(qū)和高應(yīng)力區(qū)，此應(yīng)力集中區(qū)域最容易產(chǎn)生巖石的破壞。分析各切削齒的Mises 應(yīng)力值，在礫巖鉆進(jìn)時，斧形齒齒面角度為140°時的應(yīng)力值最小，所需的破巖能量最小。因此，在對礫巖層用鉆頭進(jìn)行設(shè)計時，斧形齒的齒面角度選用140°時切削效率更高，更適用于礫巖層。

2.3 后傾角優(yōu)選

斧形齒尖端有凸起的脊刃，在破碎巖石的過程中應(yīng)力會集中在尖端，即PDC 切削齒擠壓巖石的過程中首先在尖端部位形成塑性區(qū)和高應(yīng)力區(qū)，巖石隨之發(fā)生破壞。在對斧形齒的齒面角度進(jìn)行優(yōu)選后，需要優(yōu)選PDC 齒在鉆頭上的后傾角。針對鉆進(jìn)效果較好的140°斧形齒，分別選取10°， 20°， 30°后傾角在礫巖模型上做直線切削模擬，得出其應(yīng)力分布如圖9 所示，可見當(dāng)切削齒后傾角發(fā)生變化而其他條件不變時，其應(yīng)力值及應(yīng)力場分布均會發(fā)生變化。

圖10 為PDC 齒140°斧形齒不同后傾角時的切向力。由圖10 可知：斧形齒與礫巖接觸的后傾角發(fā)生改變時，斧形齒的切削力發(fā)生變化，140°斧形齒在礫巖中進(jìn)行切削，當(dāng)配合30°后傾角時，斧形齒破碎礫巖時所用的切向力低于其他后傾角的，破巖時更小的切向力可以配合更小的扭矩和鉆壓，有利于鉆頭的鉆進(jìn)。

3 結(jié)論

（1）通過改變針對礫巖的單齒破巖試驗(yàn)的鉆壓，對比分析了普通平面齒、錐形齒和斧形齒的碎巖深度和切向力，得出斧形齒在礫巖層中切削效率最高，同時受力最穩(wěn)定，更適合應(yīng)用到礫巖層中。

（2）改變斧形齒齒面角度，利用仿真模擬140°，150°，160°斧形齒模型在礫巖模型中垂直方向上的旋轉(zhuǎn)壓入過程，通過分析各模擬結(jié)果的應(yīng)力值差異得出，140°斧形齒在礫巖中鉆進(jìn)效果更好。

（3）改變140°斧形齒在礫巖模型上進(jìn)行切削時的后傾角，140°斧形齒配合30°后傾角時切削效率最高。