（油气井工程专业论文）底砾岩地层pdc钻头损坏机理及钻头优化设计研究.pdf

s t u d yo nt h eb r e a k a g e m e c h a n i s ma n dt h eo p t i m i z a t i o n d e s i g no f p d cb i ti nb a s a lc o n g l o m e r a t ef o r m a t i o n s at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fe n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：k o n gd o n g l i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f l i ny i n g s o n g ，c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) _ 二。，li-ir。l： -i，1-lr、。 謦_lq1。d，。 | 。-q 0 i 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 卫。煎业 日期： 年 月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f t ( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 犰根蒙 指导教师签名： 旌蕴丝 日期： 日期： 年月日 年月日 艇。l_ | 弋，_p缸幕0 一湛 it六； ，一，j k 石， f产0影0x峰4矗、 矿蛩董 砧 摘要 p d c 钻头在软到中等硬度地层中具有很好的破岩性能，机械钻速高，使用寿命长， 钻井工作效率得到了大幅提升，综合经济效益显著，因而在钻井工程中得到了广泛应 用。但是由于p d c 钻头对于使用地层和工作条件敏感性强，在砾岩层及软硬交错等非 均质地层中未能取得良好的使用效果，因此有必要针对砾岩层的地层性质，研究其损 坏机理以便于优化设计p d c 钻头，进而提高其使用范围。 本文根据含砾石层的实际地层性质，分析了在砾岩层p d c 钻头的主要失效形式、 损坏机理及影响钻头损坏的主要影响因素，提出了改进p d c 钻头砾岩钻进性能的途 径：结合室内实验及测井资料、钻完井资料，得到了渤北地区地层可钻性、抗压强度、 研磨性与测井资料的关系模型及渤海湾北部地区地层特性数据库；通过单齿切削含砾 岩样实验，研究了砾石直径、胶结强度、切削深度、切削齿尺寸及后倾角等因素对切 削齿冲击载荷的影响规律，为钻头切削齿尺寸和后倾角设计提供理论依据；针对砾岩 地层钻头的损坏机理，结合渤北地区地层特性分析及单齿切削实验结果，通过p d c 钻 头冠部剖面优化设计，梳状布齿及多重切削布齿结构设计，切削齿类型及参数优选， 力平衡抗涡动设计等，优化设计了针对渤北地区底砾岩地层使用的直径为3 1 1 2 m m 的 p d c 钻头，为顺利钻进砾岩层及软硬交错等非均质地层提供了有效的途径和方法。 关键词：渤北底砾岩，p d c 钻头损坏，地层特性，含砾岩样，钻头设计 誓1 i * ， q ， s t u d yo nt h eb r e a k a g em e c h a n i s ma n d t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n o fp d cb i ti nb a s a lc o n g l o m e r a t ef o m a t i o n s k o n gd o n g l i a n g ( o i l g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c tb yp r o f l i ny i n g s o n g a b s t r a c t i ns o rt om e d i u mh a r d n e s sf o r m a t i o n s ，p d cb i th a sv e r yg o o dr o c kf r a g m e n t a t i o n a b i l i t i e s 、析n lh i g hp e n e t r a t i o nr a t ea n dl o n gd r l l i n gt i m e , w h i c hm a k e st h ed r i l l i n g e f f i c i e n c yh i g h l yi m p r o v e da n dt h ee c o n o m i cb e n e f i tr e m a r k a b l yi n c r e s e d n o wp d c b i t h a sb e e nw i d e l yu s e di nd r i l l i n gf i e l d b u tf o rt h er e a s o nt h a ti ti ss e n s t i v et ot h ef o m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n d w o r k i n gc o n d i t i o n s ， i td o e s n ta c h i e v e g o o dp e r f o r m a n c e i n i n h o m o g e n e o u sf o r m a t i o n ss u c ha sc o n g l o m e r a t ea n di n t e r b e d e ds e c t i o n s i no r d e rt or e a c h t h eg o a lo fe n l a r g i n gt h es c o p eo fp d cb i ta p p l i c a t i o ni no i lf i e l d s ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d y t h et h eb r e a k a g em e c h a n i s mi nc o n g l o m e r a t ef o r m a t i o n sa n dd e s i g nt h ep d cb i to p t i m a l l y b a s e do nc h a r a c t e r i s t i c so fe 6 n g i o m e r a t ef o r m a t i o n s ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h et h ep d c b i t sm a j o rf a i l u r em o d e si nt h e s ef o r m a t i o n s ，a n dt h ed a m a g em e c h a n i s ma n dt h ef a c t o r s a f f e c t i n g i t sd a m a g ea r es t u d i e d h lo r d e rt od e s i g nas u i t a b l ep d cb i tf o rt h eb a s a l c o n g l o m e r a t ef o r m a t i o n si nt h en o r t ha r e a so fb o h a io i l f i e d ( b o b e i ) ，c o m b i n i n gw i t ht h e i n d o o re x p e r i m e n t s ，l o g g i n gd a t a s ，d r i l l i n ga n dw e l lc o m p l e t i o nd a t a s ，w eg e tt h er e l a t i o n m o d e l sb e t w e e nt h ed r i l l a b i l i t y , c o m p r e s s i v es t r e n g t h , a b r a s i v ep r o p e r t yw i t ht h ea c o u s t i c t i m e , t h ec h a r a c t e r i s t i c sd a t a b a s eo fb o b e ii se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r , s t r a t i g r a p h i cl i t h o l o g y a n dr e s i s t a n c ep r o p e r t i e so ft h ef o r m a t i o n si n t h i sr e g i o na r ea n a l y z e d b ym a k i n gc u t t i n g e x p e r i m e n t sw i t l las i n g l gp d c c u t t e ri nc e m e n ts a m p l e sc o n t a i n i n gg r a v e l s ，w es t u d i e dt h e l a w so fs o m ef a c o r ss u c ha sg r a v e ld i a m e t e r , c e m e n t i n gs t r e n g t h , c u t t i n gd e p t h ，c u t t e rs i z e a n db a c kr a k ea n g l et h a ta f f e c tt h ei m p a c tf o r c eo np d cc u t t e r b a s e do nt h e s ee x p e r i m e n t s ， t h e o r e t i c a lb a s i sc a l lb eo b t a i n e df o rt h ed e s i g no ft h ec u t t e rs i z ea n db a c kr a k ea n g l e b a s e do nt h ed a m a g em e c h a n i s m ，c h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o b e io i l f i e l d sa n dr e s u l t so f e x p e r i m e n t s ，a n dc o n s i d e r i n gt h ep d c b i ti m p a c tr e s i s t a n c e ，d r i l l i n ge f f i c i e n c ya n dd r l l i n g s t a b i l i t yc o m p r e h e n s i v e l y , ap d cb i tt h a t3 11 2 m mi nd i a m e t e ri s d e s i g n e df o r t h e 赠o m e r a t ef o r m a t i o n so fb o b e i i nt h i sn e wp d c b i t , t h eb i tp r o f i l ei s o p t i m i z e d ，a p e 龇a n dm u l t i 。c u tc u t t i n gs 加c 眦i si n v e n t e d ，t h et y p e ，s i z e ，a n db a c k 础ea 1 1 9 l e 。f p d cc u t t e ra r es e l e c t e do p t i m a l l y , a n da f o r c ee q u i l i b r i ud e s i g ni sa p p l i e d 1 ( e y w o r d s ：b a s a lc o n g l o m e r a t eo fb o b e i ，p d cb i tb r e a k a g e , f o r m a t i o nc h a r a c t 喇s t i c s c e m e n ts a m p l ew i t hg r a v e l ，b i td e s i g n 瞽 i r 目录 第一章绪论1 1 1 研究目的及意义1 1 2 国内外研究现状：1 1 2 1p d c 钻头应用现状一l 1 2 2 抗冲击p d c 切削齿研究现状2 1 2 3 高性能p d c 钻头研究现状3 1 3 本文主要研究内容4 第二章p d c 钻头钻进砾石层损坏机理分析6 2 1p d c 钻头钻进砾岩的失效形式分析一6 2 1 1p d c 钻头失效形式6 2 1 2 砾岩中p d c 钻头主要失效形式。8 2 2 砾岩层p d c 钻头冲击损坏机理分析9 2 2 1 切向冲击力与扭转振动9 2 2 2 轴向冲击力与轴向振动一l o 2 2 3 侧向冲击力与钻头涡动l o 2 3 影响p d c 钻头在砾石层损坏的因素1 2 2 3 1 切削齿自身限制1 2 2 3 2p d c 钻头结构设计1 3 2 3 3 砾岩地层性质1 8 2 4 改进p d c 钻头钻进砾岩性能的方法18 第三章渤北地区底砾岩地层特性分析2 0 3 1 渤北地区地层概况及岩性描述。2 0 3 2 渤北地区地层抗钻特性模型建立2 l 3 2 1 室内岩心实验2 1 3 2 2 抗钻特性模型的建立2 3 3 3 渤北地区地层抗钻特性分析2 6 3 4 渤北地区地层特性总结2 9 第四章切削齿切削含砾岩样冲击载荷变化规律实验研究31 4 1 单齿切削含砾岩样实验31 4 1 1 实验设计3 1 4 1 2 岩样制备3 3 4 1 3 实验装置3 5 4 1 4 实验程序一3 7 4 4 胶结强度及砾石尺寸对冲击载荷影响规律研究3 8 4 4 1 胶结强度3 9 4 4 2 砾石尺寸4 3 4 5 切削参数对冲击载荷影响规律研究4 4 4 5 1 切削齿切削深度4 4 4 5 2 切削齿尺寸4 6 4 5 3 切削齿后倾角4 7 第五章底砾岩地层p d c 钻头优化设计5 0 5 1 钻头体材料选择5 0 5 2p d c 钻头冠部形状设计5 1 5 3 钻头切削结构设计5 3 5 3 1 钻头刀翼设计。5 3 5 3 2 梳状切削结构5 3 5 3 - 3 多重布齿结构5 5 5 4 切削齿优选及工作角设计5 6 5 4 1 切削齿的选择5 6 5 4 2 切削齿尺寸优选5 6 5 4 3 切削齿工作角设计一5 7 5 5 钻头布齿设计5 8 5 5 1 径向布齿设计5 8 5 5 2 周向布齿设计6 0 5 5 3 力平衡抗涡动设计6 2 结论6 z l 参考文献。：6 6 附萄匙6 9 致谢7 2 v t 缸 “ 翟 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 p d c 钻头具有较高的机械钻速、较长的使用寿命，适合钻进软到中硬的均质地层， 在世界范围内得到了广泛的应用，现己成为现场使用最多的钻头。但是p d c 钻头对地 层条件敏感性强，当在砾岩地层钻进时，p d c 钻头并没有表现出良好的钻进性能。 渤海北部地区各区块馆陶组地层中均存在着大段底砾岩地层，当使用p d c 钻头在底 砾岩地层中钻进时，切削齿容易受到较大的冲击载荷发生崩齿而失去切削能力，导致钻 头进尺低不能有效钻穿砾岩层段，常规p d c 钻头甚至钻进几米就发生损坏而不得不起 出。在该地区钻井时，操作规程规定先用p d c 钻头钻穿上部砂岩地层，然后换成牙轮钻 头钻穿砾岩层段，再换回p d c 钻头继续钻砾岩以下地层，频繁的起下钻严重增加了钻井 时间，而且牙轮钻头钻井效率低且抗磨损能力差，在砾岩中的钻井效率低钻井时间长。 海洋钻井作业费用昂贵，因此提高p d c 钻头工作性能对于节省钻井成本具有非常重要的 意义。 针对渤北地区底砾岩地层p d c 钻头易发生先期损坏的问题，本文通过研究p d c 钻头在砾岩中的损坏机理，分析影响钻头损坏的因素，并通过实验研究不同因素对切 削齿冲击载荷的影响规律，为钻头的优化设计提供实验依据，并结合渤北地区的地层 特性合适的p d c 钻头，以提高p d c 钻头在渤海北部地区底砾岩地层中的工作性能。 1 2 国内外研究现状 1 2 1p d c 钻头应用现状 p d c 钻头自应用于钻井领域以来发展迅速，逐渐占据了很重要的地位。目前p d c 钻头在设计制造和操作等技术方面不断改进，在钻井领域所占比重起来越大。2 0 0 0 年 p d c 钻头的钻井进尺仅占总进尺的2 6 ，2 0 0 3 年迅速增加为5 0 ，而2 0 0 6 年p d c 钻头的钻井进尺已经占到总钻井进尺的6 0 。我国从2 0 世纪8 0 年代初开始从国外引 进p d c 钻头，并在2 0 世纪9 0 年代中期以后发展迅速，当前国产化率已达9 0 以上， 在全国多数油田得到了应用与普及【1 捌。 相对于牙轮钻头，p d c 钻头在软到中硬的均质地层具有更高的破岩效率及工作寿 命，但是对于硬地层或者砾岩这种非均质地层较强的地层，p d c 钻头容易受到较大的 第一章绪论 载荷工作不平稳并导致钻头发生磨损或冲击损坏，严重影响了p d c 钻头的破岩效率及 使用寿命，制约了p d c 钻头的进一步推广和应用。 在我国的渤海北部分布着大量的底砾岩，底砾岩即位于海侵侵蚀面上的砾岩，地 层非均质性强，钻井环境恶劣，在这种地层采用牙轮钻头会增加钻井作业时间，而天 然金刚石钻头价格昂贵，考虑到p d c 钻头较高的工作效率及抗磨损能力，如果能够提 高其在这些地层的工作性能，将会对钻井工程的发展产生十分重要的意义，随着复合 片开发技术及钻头设计方法的不断进步，p d c 钻头对这些地层的适应能力正逐渐增 强。 1 2 2 抗冲击p d c 切削齿研究现状 抗冲击和抗磨损能力是切削齿的两个主要评价指标，二者之间存在着相反的关系。 比如，为了提高金刚石层的抗磨损性能，通常采用较小的金刚石颗粒，但这样会降低金 刚石层的抗冲击性，相反如果采用较大的金刚石颗粒则会降低其抗磨损性能。考虑到这 两个性能指标在现场应用的重要性，平衡p d c 的抗冲击和抗磨损性能是非常重要的。 最新的p d c 技术有效处理了抗磨损和抗冲击性能之间的矛盾关系，从而提高了p d c 齿 的性能 4 1 2 1 。 h y c a l o g 公司发明的新型p d c 切削齿包含两层金刚石层，其中表层采用超硬热稳定 性金刚石，金刚石层与碳化钨基底间采用非平面交界面，其耐磨性和抗冲击性都有很大 提高，增加了p d c 钻头的寿命和使用范围。采用这种切削齿的p d c 钻头在墨西哥北部的 s i g m a 油田和c u i t l a h u a c 油田取得了良好效果，成功钻穿了最高抗压强度达2 8 0 m p a 的砾岩 地层，这种p d c 钻头的在直井平均机械钻速高达1 4 9 m h ，在定向井中平均机械钻速可达 1 3 2 m h ，相对常规p d c 钻头分别提高了8 7 和1 1 8 ，该钻头在提高机械钻速的同时降 低了钻井成本，在两个油田的每米钻井成本相对其它井分别降低了2 6 和7 4 。 g m e n s a - w i l m o t 等采用一系列先进技术来优化设计p d c 切削齿，采用了非平面交 界面技术，并有效处理了抗冲击和抗磨损性能间的矛盾关系，提高了切削齿的抗冲击和 抗磨损能力。通过有限元分析优化p d c 的几何结构，将交界面处及切削齿环向的残 余应力及应力梯度降至最低，提高了切削齿的抗冲击性能( 图1 1 ) ；研制了一套金刚 石颗粒分析和筛选程序，可以在较大范围内分配金刚石颗粒尺寸，有效平衡切削齿的抗 冲击和抗磨损性能的矛盾关系，由于小颗料的金刚石可以填充到大的金刚石颗粒间隙 中，采用该程序可以保证较多的金刚石含量；设计了独特的烧结工艺，优化温度和压 2 一 峄v 譬 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 的抗冲击和抗磨损能力。 呵 图1 - 1 通过有限元分析优化的界面几何结构 f 蟾1 - 1c a r b i d ei n t e r f a c eg e o m e t r yd e v e l o p m e n tt h r o u g hf e aa n a l y s i s 美国d b s 公司开发的z 3 型切削齿适合钻进硬地层和软硬夹层，该切削齿金刚石层与 碳化钨之间采用双向直槽型非平面结合方式，通过有限元和微电子显微镜分析方法减少 了交界面处残余应力，并采用了无压浸渍工艺。非平面交界面技术在复合片上的应用及 其独特的钻头结构，使得该钻头在砾石夹层中钻进具有良好的性能。现场使用结果表明， 用该切削齿制造的f m 3 0 0 0 系列钻头在软硬交错地层中钻进，可以实现较高的机械钻速 并降低钻井成本，钻头进尺及机械钻速分别提高了2 2 和4 1 。 1 2 3 高性能p d c 钻头研究现状 p d c 钻头在软硬交错及砾岩等非均质地层，大的冲击载荷及工作稳定性差是限制 其应用的主要原因。因此通过优化p d c 切削结构降低切削齿上的载荷值，并改善钻头 的工作稳定，减小钻头发生涡动的机率是改进其在这些地层应用效果的重要途径【1 3 。9 】。 美国v a r e l 公司通过实验研究，认识在砾岩层p d c 钻头最主要的失效形式是由达 大的冲击载荷引起的切削齿冲击损坏，通过优化钻头设计，设计了一种新型的分层冠 部形状，每层轮廓要单独设计，有效提高了钻头的工作稳定性，并减轻了钻头上的冲 击载荷，该公司设计了新型p d c 钻头在砾岩钻进，与采用多刀翼的p d c 钻头相比， 钻头进尺提高了4 5 ，机械钻速提高了3 0 。 美国h y c a l o g 公司生生产的新型全保径p d c 钻头，可以对任何方向的侧向不平衡 力提供低摩擦环境，实验证明这种钻头可以有效减轻钻头震动及扭矩波动，提高了钻 头寿命和机械钻速，适合钻软硬交错及砾岩等非均质地层。该钻头还结合了大后倾角 和辅助切削齿( 孕镶金刚石齿柱) 等技术，使其具备了较好的定向性能。现场实验证 明：与普通p d c 钻头和常规抗回旋钻头相比，在砾岩中该钻头的钻进深度分别大1 8 0 与6 8 ，机械钻速分别高1 4 1 和7 0 。 s m i t h 公司研制的新型钻头采用了三种尺寸的p d c 切削齿，优化了切削齿的几何 3 第一章绪论 结构，设计了独特的布齿方法，该钻头每个刀翼上相邻的两个切削齿尺寸不同，且每 个切削齿的两侧是另两种尺寸的切削齿，此外还优化了钻头的金刚石出露体积，新技 术的使用，不仅提高了钻头的抗冲击和抗磨损能力，还有效提高了钻头的工作稳定性。 该钻头在西非的安哥拉的硬地层取得了良好的应用效果，机械钻速为1 6 5 m h ，钻头 进尺达到了1 3 5 4 m 。 胜利油田孙明光等通过采用1 3 r a m 小型切削齿，在刀翼上增加人造热稳定聚晶金 刚石块辅助切削元件，采用同轨布齿技术，对p d c 钻头进行力平衡设计等技术，对 p d c 钻头进行了优化设计，在胜利油田的软硬交错地层取得了良好的应用效果，与牙 轮钻头相比，钻直井机械钻速提高了4 0 以上，钻斜井机械钻速提高了5 0 以上，钻 头进尺都提高了一倍以上。 与国外相比，我国在高性能p d c 钻头开发方面尚有比较大的差距，目前报道成功 应用于砾岩地层、硬地层及软硬交错地层的p d c 钻头还比较少，而且有多是通过增加 刀翼数量、采用小切削齿、增加后倾角角度及布齿数量等，严重降低了钻头的破岩效 率。 对于砾岩，地层非均质性是引起钻头快速损坏的重要原因，有必要针对砾石层的 特点，研究p d c 钻头的损坏机理，并研究不同因素对钻头载荷的影响规律，改进钻头 切削结构，优化切削齿参数设计，提高p d c 钻头在砾岩中的工作性能。 1 3 本文主要研究内容 ( 1 ) 砾岩地层p d c 钻头的损坏机理分析 针对砾岩层的实际情况，结合现场资料，分析p d c 钻头的主要失效形式，分析 p d c 钻头冲击载荷的产生及其对钻头运动造成的影响，并分析影响切削齿冲击载荷的 主要因素。 ( 2 ) 渤海湾北部地区地层特性分析 利用开发井地区已钻探井的资料，根据岩心试验和测井的数据，研究渤海湾北部 地区的岩性特征及岩石力学特性，为钻头优化设计提供科学的依据。 ( 3 ) p d c 齿切削含砾岩样力学特性试验研究 制作不同砾径、胶结强度的含砾水泥试样，设计不同切削齿参数的单齿p d c 钻头， 进行切削实验，通过测量切削过程中切削齿受到的轴向力、切向力及侧向力，分析岩 样胶结强度、砾石尺寸、切削深度、切削齿尺寸及后倾角对切削齿受到的轴向、切向 4 赫， ； k ； 鲥 誓 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 和侧向冲击载荷的影响规律，为钻头切削齿参数的优化设计提供理论依据。 ( 4 ) p d c 钻头布齿结构优化设计 针对渤海湾北部地区的地层特性及底砾岩地层p d c 钻头的损坏机理，通过优选切 削齿、优化设计钻头切削结构及布齿参数、力平衡抗涡优化设计等，设计出适合在渤 北底砾岩地层钻进的p d c 钻头。 5 第二章p d c 钻头钻进砾石层的损坏分析 第二章p d c 钻头钻进砾石层损坏机理分析 p d c 钻头在软到中硬的均质地层取得了良好的使用效果，但是在砾岩地层等非均 质的使用效果不甚理想，主要表现在p d c 钻头在砾石层中钻进切削齿损坏较快，导致 钻头失去切削能力、机械钻速严重降低。本章将针对砾石层的实际情况对p d c 钻头的 损坏机理进行分析。 2 1p d c 钻头钻进砾岩的失效形式分析 对于p d c 钻头，有两种失效形式，即磨损和冲击损坏。下面将简单介结两种失效 形式，并根据现场资料总结p d c 钻头在砾石层的主要失效形式。 2 1 1p d c 钻头失效形式 对于p d c 钻头，主要有磨损和冲击损坏两种失效形式 2 0 描】： ( 1 ) 磨损 复合片主要由两部分组成，上面是聚晶金刚石层，下部是起支撑作用的碳化钨基底， 由于材料性质的不同导致它们之间存在着残余应力和内部缺陷，在切削齿与岩石产生的 摩擦力的作用下，金刚石微粒会从基底脱落，从而导致切削齿发生磨损，又称为磨粒磨 损或研磨性磨损。磨损表现为复合片切削刃逐渐被磨钝，磨损面逐渐增大，钻头机械钻 速逐渐降低。 与其他失效形式相比，磨损是一种相对稳定的失效形式，贯穿于整个钻头的工作过 程。磨损速度主要取决于切削齿的受力、切削刃与岩石接触面上的温度、切削速度、岩 石研磨性以及切削齿的耐磨性。 ( 2 ) 冲击损坏 这种形式的钻头损坏是由作用在切削齿上的冲击载荷引起，表现为切削齿碎裂或 金刚石层剥落等。冲击损坏主要有两种形式： 崩刃 崩刃表现为切削齿刃面上金刚石层碎裂，主要由切削齿上的切向载荷引起( 图 2 - 1 ) ，是最常见的冲击损坏形式。钻头的大部分钻压和扭矩都施加于复合片切削刃上， 受力面积很小，当钻头钻进比较硬或者非均质性较强的地层时，p d c 切削刃会受到较 大的沿钻头切向的冲击载荷，由于复合片脆性大，从而导致切削刃发生破裂，其裂纹 6 、 i 瓠 ” 4 j ，# - 去切削能力，是导致钻头先 轴同力m 一 图2 - 1 由切向载荷引起的崩刃 f i g2 - 1c u t t i n ge d g ec r a c kc a u s e db yt a n g e n t i a lf o r c e 剥离 剥离表现为聚晶金刚石层与碳化钨基底的粘接被破坏导致金刚石层从基底脱离， 致使复合片切削刃不复存在而失去切削能力，剥离主要是由切削齿受到的轴向载荷引 起的( 图2 2 ) 。由于金刚石层与基底间存在残余应力，导致在它们的交界面上粘接力 较弱，在钻头破岩过种中，钻压施加的轴向力主要沿着该交界面方向，当切削齿受到 较大的轴向冲击载荷时，由于轴向力过大导致在该交界面处发生金刚石层剥离。 t 轴冉力 图2 - 2 由轴向载荷引起的剥落 f i g2 - 2p c i ) l a y e rs p a l l i n gc a u s e db ya x i a lf o r c e 此外，在切削过程中切削齿与岩石作用产生大量摩擦热，当钻头发生振动而与岩 石脱离时，然后切削齿被泥浆冷却，由于交界面两侧材料性质的不同在该处产生极大 的内应力，当其超过粘结层结合强度时，就会造成金刚石层的剥离。 7 第二章p d c 钻头钻进砾石层的损坏分析 2 1 2 砾岩中p d c 钻头主要失效形式 表2 1 列出了在渤北旅大油田两口井采用b d 6 0 6 k g 型p d c 钻头的钻进情况，其机械 钻速比较理想，在进入底砾岩前，两只p d c 钻头的平均机械钻速均达到1 6 0 m h 以上。其 中a 1 井底砾岩井段长9 1 m ，该钻头共钻了4 5 m 的底砾岩，a 2 井底砾岩井段长1 0 1 m ，该钻 头共钻了4 6 m 的底砾岩，两只钻头均示能钻穿底砾岩层，为了继续钻进底砾岩地层，两 口井均起钻更换为牙轮钻头钻穿砾岩层，在钻穿底砾岩层之后，换p d c 钻头继续钻底砾 岩下部地层。频繁起下钻不仅延长了作业时间，还导致钻井成本的增加。 表2 - 1 渤北辽东区块部分井底砾岩层段钻进情况 t a b l e2 - 1d r i l l i n ge a s e so fs o m ew e l l si nb a s a lc o n g l o m e r a t ef o r m a t i o no fl i a o d o n go i lf i e l di n b o b e i 井号砾岩顶深m砾岩底深mp d c 钻头砾岩段钻进情况 a l1 2 9 2 1 3 8 3 钻至1 3 7 1 m ，下牙轮钻头 a 2 1 4 6 31 5 6 4 钻至1 5 0 9 m ，下牙轮钻头 由于砾岩地层中含有大量的砾石，地层非均质性强，切削齿容易受到很大的冲击， 冲击载荷常造成p d c 钻头刀翼的鼻部和肩部在短时间内被破坏，丧失大部分或全部的切 削能力。图2 3 为渤海北部地区底砾岩地层钻头损坏图片，由图片可以清晰看出复合片 发生了严重的冲击损坏，复合片金刚石层大片断裂，而且由于失去了金刚石层的保护， 切削齿碳化钨基底部分沿长度方向断裂。 图2 - 3 渤海北部地区钻头损坏图片 f i g2 - 3p d c b i tb r e a k a g ep i c t u r e so fn o r t h e r nb o h a io f f s h o r eo i l 矗e 埘 8 妊 - 、0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 因此，当使用p d c 钻头钻进渤海北部的底砾岩地层时，钻头的主要失效形式是复合 片受到大的冲击载荷发生崩刃等冲击损坏，在这种地层中，钻头的进尺明显缩短，因而 有必要对砾岩层切削齿受到的冲击载荷进行分析和研究。 2 2 砾岩层p d c 钻头冲击损坏机理分析 根据钻头与岩石的相互作用原理，可知切削齿在破碎岩石的同时也会受到岩石对 其施加的反作用力。岩石对切削齿的反作用力主要包括岩石破碎阻力以及切削齿与岩 石接触面上的摩擦阻力。但是无论切削齿的受力情况如何，都可以将其受到的力分解 为轴向力e 、切向力c 和侧向力e 三个分力【2 5 瑚】。相应地，切削齿受到的冲击载荷 也可分解为切向冲击载荷、轴向冲击载荷以及侧向冲击载荷。 图2 4 所示为p d c 钻头在钻进过程中钻遇砾石的情况。 图2 - 4p d c 钻头钻遇砾石示意图 f i g2 - 4p d c b i td r i l l i n gf o m a i t i o nc o n t a i n i n gg r a v e l s 当钻头在砾石层钻进时，不同切削齿工作情况是不同的，部分切削齿会切削到砾 石，而钻头的其它切削齿则切削地层中较软的均质部分。由于砾石强度要远大于地层 其它成分，导致切削砾石的复合片在瞬间受到很大的冲击载荷。冲击载荷的存在不仅 容易导致切削齿发生冲击损坏，还会降低钻头的工作稳定性，进而导致钻头的受力情 况更加复杂，加重切削齿冲击。 2 2 1 切向冲击力与扭转振动 切向力是作用切削齿上沿钻头旋转方向上的力。由于切削齿切削较软地层中的均 质部分与坚硬的砾石所受到的阻力不同，在钻压和扭矩作用下，切削齿会保持较高的 切削速度，当切削齿钻到砾石时，由于砾石坚硬，切削齿会受到很大的破岩阻力，钻 9 第二章p d c 钻头钻进砾石层的损坏分析 头的大部分扭矩施加在这些切削齿上，由于切削速度快且金刚石与砾石脆性极强变形 很小，切削齿瞬间加载形成沿钻头切向的冲击载荷，大的冲击载荷会导致金刚石层内 出现微裂纹，进而导致切削齿的抗冲击能力下降，钻头切削速度越快，加载越迅速， 切削齿受到的冲击载荷也越大。随着切削齿受冲击次数的增加，切削齿的抗冲击强度 会逐渐降低，当冲击载荷超过聚晶金刚石层的抗冲击强度时，金刚石层会在宏观上发 生破裂，导致切削齿的切削能力下降，随着切削齿损坏加重，最终导致钻头报废。 此外，由于砾石的存在，钻头受到较大冲击载荷，导致其受力波动很大，容易引 发钻头扭转振动，导致钻头旋转速度忽大忽小，甚至会发生静止不动或反向旋转的情 况，j h 胃0 了切削齿与岩石的冲击作用，导致切削齿受到更大的切向冲击载荷。此外， 当钻具与井壁接触产生的摩擦力比较大时，会使钻柱发生扭转振动，从而引发钻头扭 转振动。 切向冲击载荷施加在金刚石层的刃面上，主要会使钻头发生崩刃。但是当冲击载 荷很大而引发钻头反向旋转时，由于切削齿自向结构的特点切削齿承受反向载荷的能 力很弱，也会导致金刚石层剥落田娜】。 2 2 2 轴向冲击力与轴向振动 切削齿受到的轴向冲击载荷主要是由于钻头的钻压引起的。轴向冲击与切向冲击 是同时发生的，因而两种冲击载荷产生的原因及过程相似，当切削齿钻遇砾石时，为 了克服坚硬砾石对钻头产生的大的轴向阻力，保证切削齿吃入砾石将其切削掉，钻头 的大部分钻压会集中在这些切削齿上，由于切削速度大且金刚石层与砾石脆性强缓冲 时间极短，切削齿轴向力瞬间增大，形成沿钻头轴向上的冲击载荷。 由于上部钻柱具有弹性，当钻头受到的轴向冲击载荷很大时，钻柱发生会变形导 致钻头向上弹起，导致钻头发生轴向振动，轴向振动导致钻头上下振动，同扭转振动 一样，会使切削齿受到更大的轴向冲击载荷。此外，当钻头发生轴向振动时，切削齿 的吃入深度时大时小，导致钻头扭矩发生较大波动，增加了切削齿上的切向冲击载荷。 与切向冲击不同，轴向冲载荷击主要会引起切削齿金刚石层的剥落，这主要是由 于轴向冲击载荷会产生沿着金刚石层与支撑体交界面的力，残余应力的存在导致该交 界面处的结合力较弱，导致金刚石层基底剥落。 2 2 3 侧向冲击力与钻头涡动 侧向力又称侧向不平衡力，是作用在钻头横向上的力，侧向力主要是由地层的非 1 0 、 一 i 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 均质性引起的。在均质地层中，侧向力是非常小的，但是在砾岩中，侧向力受地层非 均质性影响，往往比较大。 如图2 5 所示，当切削齿切削到砾石时，导致切削齿受到一个与砾石位置相反方 向的侧向力，其大小与砾石的大小、形状及切削位置等因素有关，由于地层中砾石大 小不同，且砾石与切削齿相对位置随机性高，因而导致侧向力会有大的波动，由于砾 石比较坚硬，侧向力的值往往比均质地层大很多。 图2 - 5 切削齿钻遇砾石侧向力示意图 f i g2 - 5l a t e r a lf o r c eo np d cc u t t e rw h i l ed r i l l l i n gg r a v e l 由于钻头在侧向是没有推动力的，因此相对于切向和轴向冲击载荷，切削齿受到 的侧向冲击力仍然很小，一般不会导致切削齿直接发生冲击损坏。但较大的侧向冲击 力容易导致钻头发生样横向移动甚至涡动，而涡动会使钻头受力变的非常复杂，是钻 头发生冲击损坏的一个重要原因。 当钻头侧向由于砾石存在受到较大的不平衡力时，会导致钻头偏离井眼中心发生 横向移动，钻头与井壁接触产生的摩擦力和刮削力会在钻头上作用一个反向的扭转力， 当侧向力比较大导致钻头与井壁接触紧密而产生足够大的反扭矩时，钻头与井壁不再 发生相对滑动，钻头会以该接触点为瞬时旋转中心发生反向回旋( 涡动) ，此时钻头不 仅有绕着钻头中心的自转，而且还有与自转方向相反的公转，如图2 6 所示。钻头反 向回旋容易造成切削齿金刚石层的剥落。此外，钻头涡动2 9 3 3 】使每个切削齿运动方向 与切削齿的切削工作面的夹角不断变化，切削面积和形状不断变化，导致切削齿受力 状态不断改变，加剧了切削齿上的冲击载荷，导致钻头更容易发生冲击损坏。 第二章p d c 钻头钻进砾石层的损坏分析 图2 - 6p d c 钻头涡动示意图 f i g2 - 6p d c b i tw h i r l i n g 因此，通过上述分析知道，由于地层中砾石的存在，切削齿与砾石作用瞬间会形 成较大的冲击载荷，同时还容易引发钻头扭转振动和轴向振动，加剧切削齿受到的冲 击载荷，是钻头发生冲击损坏的主要原因。较大的侧向力主要导致钻头发生横向移动， 当侧向力比较大时，可能引发钻头涡动，钻头涡动会改变切削齿的工作状态加剧冲击 载荷。因此，在针对砾岩优化设计p d c 钻头时，除了考虑钻头的破岩效率外，设计的 钻头应能减小单个切削齿上的冲击载荷并提高钻头的工作稳定性，以达到提高钻头工 作寿命的目的。 2 3 影响p d c 钻头在砾石层损坏的因素 切削齿在砾石层中发生冲击损坏，主要受切削齿自身性质、钻头设计及砾岩性质 三个因素的影响。其中第一个因素为导致切削齿无法承受大的冲击载荷；后两个因素 则影