新型加长防斜减振PDC钻头的设计试验研究

汤凤林 ， 沈中华， 段隆臣， 彭 莉， Чихоткин В.Ф.

(1.中国地质大学〈武汉〉，湖北 武汉 430074； 2.无锡钻探工具厂有限公司，江苏 无锡 214174)

0 引言

复合片(Polycrystalline Diamond Compact, PDC)以细粒金刚石为原料加入粘结剂在高温高压下烧结而成，多为圆片状，金刚石层厚度一般小于2 mm，切削岩石时作为工作层的碳化钨基体对聚晶金刚石薄层起支撑作用。两者之间的有机结合，使PDC既有金刚石的硬度和耐磨性，又具有碳化钨的结构强度和抗冲击能力。由于聚晶金刚石内晶体间的取向不规则，不存在单晶金刚石所固有的节理面，所以PDC的抗磨性和强度高于天然金刚石，且不容易破碎。

20世纪80年代，PDC研制成功，进入钻井领域，并从石油钻井很快地进入了地质钻探工程中。此后，复合片钻头(又称PDC钻头)研究日趋成熟，钻进工艺日臻完善，引起了钻探界的高度重视。近年来，在地质钻探中，已有逐步取代硬质合金钻头钻进的趋势，无论是钻头的研制，还是钻进工艺的改进方面，都取得了很大的进步[1-6]。

复合片钻头的特点是属于切削剪切型钻头，适用的地层范围比较宽，切削具的出刃比较大，钻进效率高，耐冲击性能好，复合片耐磨性能好，钻头寿命长，可以取得很好的技术经济指标，因此，得到了国际钻探界的认可[1-10]。

俄罗斯PDC被称为АТП (Алмазно-твердосплавная пластина)，复合片(见图1)和PDC钻头(见图2、图3)，在地质勘探和石油钻井中，在中等硬度和部分硬岩中得到了广泛应用。俄罗斯的钻井实践表明，在深井钻进中，PDC钻头的平均机械钻速达到了35～40 m/h，钻头进尺达到了1000 m以上，在西伯利亚地区工业钻井工作量的85%～90%是用PDC钻头完成的，有着很好的应用前景[7-20]。

图1 Ø13.5 mm PDC复合片，金刚石层厚度1～2 mmFig.1 Ø13.5mm PDC elements with 1 to 2mm thick diamond

图2 镶有PDC复合片的Ø112 mm的钻头Fig.2 Ø112mm bit with PDC elements

图3 镶有PDC复合片的Ø225 mm的钻头Fig.3 Ø225mm bit with PDC elements

但是，PDC钻头在可钻性7～8级岩石，特别是在软硬互层、裂隙互层和研磨性地层中钻进时，机械钻速降低、钻头寿命缩短，直接影响了这种钻头的技术经济指标，成了推广使用的“拦路虎”。俄罗斯南方国立技术大学Tretiak A.A.博士对此进行了深入的研究，设计出了加长型防斜减振PDC钻头，三维模型见图4，钻头外貌见图5[13]。

图4 加长型防斜减振PDC复合片钻头三维模型Fig.4 3-D model of elongated, stabilized and vibration-reduced PDC bit

图5 加长型防斜减振PDC复合片钻头外貌Fig.5 Profile of elongated, stabilized and vibration-reduced PDC bit

1 加长型防斜PDC钻头

复合片钻头上镶有底出刃(主要出刃)PDC、外出刃(破碎孔壁出刃)PDC和内出刃(形成岩心)PDC，一般没有防斜(增加稳定性)PDC。复合片钻头体高度一般为70 mm左右，连接螺纹部分不小于40 mm。没有防斜保稳PDC，会导致钻孔弯曲。为了减少弯曲，提高机械钻速和钻头进尺，需要改进钻头结构。要把钻头高度加长到90 mm，在钻头体外侧增加右转方向的螺旋线形附加水路内，安置3～12个Ø8 mm的PDC复合片。每个PDC都成5°～15°负前角。这种结构可以在一定程度上防止孔斜、保稳，增加机械钻速和提高钻头进尺。

加长型防斜钻头概貌见图6，俯视图见图7，局部图见图8[13]。

从图6可见，钻头上置有大直径DPDC的PDC复合片和小直径dPDC的PDC复合片。大直径DPDC的

图6 加长型防斜钻头概貌Fig.6 Sketch of elongated and stabilized bit

图7 加长型防斜钻头俯视Fig.7 Plan view of elongated and stabilized bit

图8 加长型防斜钻头局部视图Fig.8 Partial view of elongated and stabilized bit

PDC复合片用来破碎直径为D钻孔的孔底和孔壁，破碎孔壁时在纵向平面上成负前角β，在直径平面上成负前角γc。大直径DPDC复合片常常为直径13.5 mm，β=-(10°～15°)，γc=-(5°～15°)。镶在排出岩粉用的外径纵向水路中的小直径dPDCPDC复合片，可以破碎孔壁并增加钻头在孔底的横向稳定性。小直径dPDCPDC复合片的常用直径为8 mm，在直径平面上的角度为γc=-(5°～15°)。钻头连接螺纹部分外径D螺纹的大小、长度l和提断岩心需要的倒锥度(i=1∶12)按钻头系列参数确定。

2 防斜减振PDC钻头

防斜减振钻头(见图9、图10)的组成：带有连接螺纹2的刚体1、被钻头主水路3分成的扇形块4，镶在扇形块端面上的PDC复合片5。PDC与切削方向成的角度不同，为10°～15°。主水路3和附加水路6成一定角度，在钻头刚体1整个高度上按钻头回转方向向右回转成螺旋线形式。钻头刚体1的高度，与主水路3和附加水路6的螺旋线螺距有关。

图9 防斜减振钻头侧视图Fig.9 Side view of stabilized and vibration-reduced bit

图10 防斜减振钻头俯视图Fig.10 Plan view of stabilized and vibration-reduced bit

经过研究确定，与切削方向垂直安置的PDC复合片产生的振动脉冲，是钻头振动的主要来源。用与切削方向成5°～15°角的单个复合片切削具切削中等硬度脆性岩石时，在切削同样厚度岩石条件下，产生的振动脉冲大为减小。因为以不同方向安置在钻头上的PDC复合片产生的振动脉冲，在很大程度上可以互相抵消，所以安置在防斜减振钻头上的PDC复合片均与切削方向成5°～15°角，但方向不同(参见图10)。

在附加水路6内置有2个以上的减斜(稳定)用PDC复合片，每个PDC都与切削平面成β角(-5°～-15°)。而且，钻头端面上的PDC复合片与切削方向均成10°～15°角度。因此作用在钻头上PDC复合片上的力，如T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7和T8等，构成作用力的多角形(见图11)，面向孔底和岩心，没有面向孔壁的，其结果是抵消了钻头本身产生的振动，使钻头按设计方向钻进[13]。

图11 防斜减振钻头上作用力形成的多角形Fig.11 Polygon formed by loads acting on stabilized andvibration-reduced bit

3 加长型防斜减振PDC钻头工作原理

钻进时，钻头在轴载荷和扭矩作用下破碎岩石。用于冷却钻头、排送岩粉到地表的冲洗液，从冲洗液泵出来，通过回转的钻杆柱到达孔底。冲洗液从钻头底端出来，通过主要水路3和附加水路6携带岩粉并将其运往地表。因为主要水路3和附加水路6成一定角度，沿着螺旋线向右转动，所以冲洗液流动时呈高度紊流的流型。固定在附加水路6中的防斜PDC复合片7，破碎(校准)孔壁岩石，减少孔斜。主要(底刃)PDC复合片以不同方向的力破碎孔底岩石，作用到钻头上的力指向孔底和岩心。这样就可以改善排粉条件、减少振动、减少复合片的剪切和折断，使机械钻速增加和钻头寿命延长。

4 钻头钻进试验研究

4.1 室内钻进试验研究[13]

4.1.1 室内钻进试验条件

室内试验用岩石物理力学性质，见表1。

4.1.2 钻进试验台

表1 试验用岩石物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of rock used in experiment

钻进试验使用的是在СКБ-4型钻机基础上改建的试验台，见图12。

1-机座；2-机架；3-变速箱；4-分动箱；5-升降机；6-回转器；7-单片离合器；8-液压控制部件；9-电动机；10-离合器把手；11-分动箱把手；12-升降机开关把手；13-提升闸把手；14-下降闸把手；15-变速箱把手；16-液压分配部件；17-给进调节器；18-节流器；19-控制仪表；20-压力指示表；21-人工孔底外壳；22-岩样；23-排出冲洗液用的通道；24-水龙头；25-软管；26-立管；27-钻头

图12钻头钻进试验台
Fig.12Drillingtestbench

4.1.3 试验钻进工艺参数

试验使用的工艺参数见表2。

表2 试验钻进工艺参数Table 2 Test drilling parameters

试验研究了机械钻速与钻头上复合片数量的关系(见图13)。

图13 轴载P和转速n不变时，机械钻速与钻头上复合片数量的关系曲线Fig.13 Curve of PRM vs number of PDC elements on the bitat constant axial load P and RPM

试验研究了轴载P和转速n不变时，机械钻速与钻头上复合片镶焊角度大小的关系(见图14)。

图14 机械钻速与Ø112 mm钻头复合片镶焊角度的关系曲线Fig.14 PRM vs PDC welding angle on Ø112mm bit

4.2 野外试验研究

除了实验室试验之外，还在雅库特的阿尔罗萨(Алроса)钻探公司和罗斯托夫州的罗斯托夫钻探公司进行了野外生产试验，所用的钻头和规程参数见表3，得到的机械钻速与规程参数的关系曲线见图15[13]。

表3 复合片钻头野外试验规程参数Table 3 Field testing parameters of PDC bit

在同样地质和生产条件下，同样直径112 mm的硬质合金钻头CA-4和PDC复合片钻头钻进，得到的技术经济指标见表4[13]。

5 讨论和建议

俄罗斯学者针对PDC钻头在深井钻进中，在可钻性7～8级及其以上级别岩石，特别是在软硬互层、裂隙互层和研磨性地层中钻进时，机械钻速降低、钻头寿命缩短的问题，提出了安置侧刃PDC以增加钻头稳定性和防斜，安置主要PDC与切削方向成一定角度，以减少振动和为此增加钻头高度的办法，来进行钻头设计并进行了实验室和野外试验，取得了一定成果，具有理论价值和实际意义。

图15机械钻速V与冲洗液量Q、轴载P、转速n和(Ø225 mm钻头)PDC复合片数量N的关系曲线
Fig.15CurvesofPRMVvsflowrateQ,axialloadP,RPMn,andNumberofPDCelementsNforØ225mmbit

表4 技术经济对比Table 4 Comparison of technical and economic performance

实验室试验表明，Ø112 mm钻头，钻头上PDC复合片以8个为好，Ø225 mm钻头，PDC复合片以10个为好；复合片镶焊角度以-15°为好。

野外生产试验表明，在同样生产和技术条件下，PDC复合片钻头的机械钻速是硬质合金钻头的近2倍，钻头进尺是硬质合金钻头的4倍，钻头的纯工作时间是硬质合金钻头的13倍。这些指标说明，加长型防斜减振钻头的设计思想是可取的，生产试验是成功的，应该给予肯定。