砾岩层PDC切削齿优选试验

程书婷　王红波　纪慧　蔡茂盛　李赛

关键词 砾岩；PDC 切削齿；齿形优选；异型齿；ABAQUS

中图分类号 TQ164；TG74 文献标志码 A

文章编号 1006-852X（2023）01-0043-06

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0072

收稿日期 2022-05-12 修回日期 2022-06-22

PDC 切削齿主要是由聚晶金刚石粉末及碳化钨基体在高温高压条件下烧结而成，用其制成的PDC 钻头大大提高了钻进效率。但由于材料和设计上的局限性，PDC 钻头在钻进较坚硬的地层时容易发生齿的磨损或断裂[1]，依然需要进行理论创新和技术创新。

20世纪80年代， 我国开始引进PDC 钻头， 90 年代后各大油田开始使用PDC 钻头，但因其造价高昂，我国开始自主研发[2]，经历了从盲目模仿到自主创新设计的阶段，有关PDC 切削齿的研究也逐渐多样化。随着油气资源的不断开采，技术设备的不断提高，国内外的油气勘探都向更深更复杂的地层探索。我国西部油气资源丰富，但所在区域分布的砾岩层非均质性强、研磨性强，常规的PDC 钻头在钻进时磨损严重，同时易造成孔壁垮塌。因此，在开采这些油气资源时，最主要的问题之一就是如何提高钻头的钻进效率，钻进坚硬的高研磨性砾岩层[3]。

针对砾岩层所进行的PDC 钻头相关研究不断增多。RAYMOND[4] 指出了PDC 钻头的优越性和局限性，通过试验对钻头的性能进行了研究，指出在坚硬地层中钻进的缺陷和改进的预期趋势，但并没有解决钻头具体的配置问题；RODRIGUEZ 等[5] 针对砾岩层特性对PDC 钻头进行了调整，改变金刚石磨粒混合物来测定其耐磨性，发现PDC 钻头的冲击性和耐磨性之间存在矛盾；HARELAND 等[6] 指出了PDC 钻头在硬地层中的局限性，通过建立分析模型具体分析，再根据分析结果对钻头进行整体设计，确立了钻头切削效率较高的后倾角；祝小林等[7] 提出了前排PX 齿与后排锥形齿的个性化钻头设计，提高了钻头的抗冲击性，同时延长了钻头的使用寿命；刘和兴等[8] 针对非均质的岩石建立10 种异形齿，在改变围压条件下对异形齿切削非均质岩石过程进行模拟，分析了各齿的特性差异。这些研究大多是针对齿的某一参数进行优化研究，在针对特定岩层时，如何进行参数组合来达到更高的钻进效果的研究并不多。

因此，为了延长PDC 钻头使用寿命，提高钻头的钻井效率，需要对砾岩层用PDC 钻头的切削齿进行优选设计，拟对新疆博孜地区巨厚砾岩层5 300 m 深井段的砾岩岩样进行单齿破岩试验。该地区的砾岩研磨性强，可钻性差，可钻性级值高达8～9 级，钻速低至1.4 m/s，抗压强度为39.6～68.3 MPa。且储层的岩性以粒径较小的细砾岩和中砾岩为主，钻进过程中在膏泥岩段可能钻遇白云岩。单齿破岩试验可对切削齿齿形进行初步优选，再通过仿真软件模拟分析斧形齿齿面角度及配合的后倾角角度，以实现较好的切削效果。

1 单齿破岩试验

1.1 试验装置

单齿破岩试验装置由特殊改装的钻铣床、齿夹持装置、岩石夹持装置、型号为FYHX1 的切向测力计、工作台和数据采集系统等部分组成，见图1。试验所用的岩样为砾岩，切削齿选用直径为14 mm 的普通平面齿、锥形齿、斧形齿3 种，切削齿主要结构如图2。加压装置钻压范围是0～3 000 N，齿夹持装置用于夹持不同类型切削齿，岩石夹持装置能减小切向力的测量误差，工作台移动速度为0～20 mm/s，岩样四面是水平平面，长宽高为200 mm × 80 mm × 80 mm。

1.2 试验原理及方法

PDC 钻头由多个切削齿组成，其破岩过程中主要依靠各切削齿完成，而钻头的整体受力较为复杂，单个切削齿的破岩状态反映了钻头整体的破岩能力，因此需要对PDC 切削齿进行单齿破岩试验[9]。

单齿破岩试验主要采用PDC 齿在岩样上直线切削的方式，通过改变钻压等参数来获取其切向力等试验数据。在试验前需要准备表面打磨平整的砾岩岩样和所需的切削齿；在试验过程中，将切削齿固定在切削齿夹持装置上，将打磨平整后的岩样固定在岩样夹持装置上，给切削齿施压一个恒定的钻压，利用电机驱动工作台带动岩样以5 mm/s 的速度做匀速直线运动，在钻压作用下，切削齿在岩样上切削出沟槽；在切削岩样的过程中，数据采集系统实时采集在不同条件下切削齿吃入岩样的深度和切削齿受到的切向力[10]。

试验方案：将平面齿、锥形齿和斧形齿装入齿夹持装置中保持齿固定，通过加压装置对切削齿分别施加1 000、1 500、2 000、2 500 N 的钻压。当切削齿尖端与岩样接触后，控制岩样移动速度为5 mm/s，每组试验重复3 次，实时观测数据采集系统的切削齿吃入岩样的深度和切削齿受到的切向力，最后結果取其平均值。

1.3 试验结果及分析

对试验数据进行整理，同一时间段内平面齿、锥形齿和斧形齿的钻进深度平均值以及受到的切向力的平均值及其标准差的结果如表1 所示。分别对比分析不同切削齿的钻进深度和切向力，进而衡量切削齿的破岩效果。

1.3.1 不同切削齿钻进深度的对比分析

不同钻压下不同类型的切削齿的钻进深度对比情况如图3 所示。从图3 可知：不同切削齿的钻入深度均随钻压的增大而增加，在切削齿切削速度不变的条件下，一定范围内增大钻压有利于提高切削效率；同一时间段内，不同钻压下斧形齿钻入岩样的深度都是最大的，锥形齿次之，平面齿钻入岩样的深度最小。3 种切削齿中，斧形齿破岩效果较好。

1.3.2 不同切削齿切向力的对比分析

不同钻压下平面齿、锥形齿和斧形齿在切削岩样的过程中所受的切向力随时间变化的对比情况见图4～图7。

由图4～图7 可知：在相同钻压条件下，斧形齿受到的切向力最小，其次为锥形齿，普通平面齿受到的切向力最大，说明斧形齿破岩效率最高。原因是斧形齿的破岩方式为犁削破岩，在简单应力条件下，加载方式不同，岩石的强度也不同，岩石的抗拉强度比抗剪强度小[11]，受到的切向力较小，同时斧形齿的斧刃会对岩石产生预破坏，从而使岩石强度降低，吃入岩石时的受力更小。由表1 计算4 种钻压条件下的切向力标准差倍数的平均值可知：平面齿受到的切向力的标准差是斧形齿的2.63 倍，锥形齿受到的切向力的标准差是斧形齿的1.82 倍。通过各切削齿的切向力随时间变化趋势及标准差的比较可知，斧形齿切削效果最好且最稳定。斧形齿在切削岩石的过程中受到的切向力波动范围最小，锥形齿次之，平面齿波动范围较大。在针对砾岩层进行钻头设计时不仅需要考虑钻进效率，也需要提高钻头的使用寿命和整体稳定性，稳定的切削齿可以在一定程度上减少钻头受到的冲击损坏。

同时，在不同钻压下，切削齿受到的切向力随着钻压的增大而增加，且平面齿随钻压的增加整体的切向力波动范围更大，切向上受力更加不稳定，斧形齿随钻压的增加在切向力波动幅度小，较为稳定。综上可知，相对于平面齿和锥形齿，斧形齿在砾岩钻进过程中破岩效率最高且受力更加稳定，在针对砾岩层设计钻头时，使用斧形齿可以获得更好的钻进效果。

2 斧形齿角度优选

利用ABAQUS 软件对斧形齿钻进砾岩过程进行仿真模拟，为了便于计算，需要对以下条件进行假设：（1）不考虑温度、压力、流场变化的影响；（2）不考虑岩屑、钻井液对钻进过程的影响；（3）钻头为均质材料，切削片与钻头体材料参数相同；（4）假设钻头钻进过程中不发生磨损与破坏。

2.1 切削齿破坏模型

德鲁克–普拉格（Drucker –Prager）屈服准则是在Mohr–Coulomb 准则和Mises 准则基础上扩展和推广而得[12]，德鲁克–普拉格屈服准则考虑了中间主应力的影响，又考虑了静水压力（平均应力σ_m）的作用，克服了Mohr–Coulomb 准则的主要弱点，计算精度得到了明显提高[13]。德鲁克一普拉格屈服准则为：

2.2 切削齿仿真模拟

PDC 切削齿是PDC 钻头破岩过程中最基本也是最重要的部分，在PDC 齒破岩过程中，切削齿在载荷作用下逐渐侵入岩石，当岩石达到屈服极限时开始产生初始裂纹，斧形齿的齿面角度对齿的吃入能力产生影响[14]，对不同角度的斧形齿做垂直方向上的旋转压入砾岩模拟，模拟所用的切削齿及砾岩层的材料属性见表2。

从单齿破岩试验得知斧形齿在砾岩层中钻进时效果最好。对斧形齿的齿面角度进一步优选，改变斧形齿齿面角度，利用仿真模拟齿面角度为140°，150°，160°斧形齿模型在砾岩模型垂直方向上的旋转压入过程，得到的结果如图8 所示。

由图8 可知：斧形齿的应力集中在齿尖端的斧形凸起部分，PDC 切削齿挤压岩石的过程首先在尖端部位形成塑性区和高应力区，此应力集中区域最容易产生岩石的破坏。分析各切削齿的Mises 应力值，在砾岩钻进时，斧形齿齿面角度为140°时的应力值最小，所需的破岩能量最小。因此，在对砾岩层用钻头进行设计时，斧形齿的齿面角度选用140°时切削效率更高，更适用于砾岩层。

2.3 后倾角优选

斧形齿尖端有凸起的脊刃，在破碎岩石的过程中应力会集中在尖端，即PDC 切削齿挤压岩石的过程中首先在尖端部位形成塑性区和高应力区，岩石随之发生破坏。在对斧形齿的齿面角度进行优选后，需要优选PDC 齿在钻头上的后倾角。针对钻进效果较好的140°斧形齿，分别选取10°， 20°， 30°后倾角在砾岩模型上做直线切削模拟，得出其应力分布如图9 所示，可见当切削齿后倾角发生变化而其他条件不变时，其应力值及应力场分布均会发生变化。

图10 为PDC 齿140°斧形齿不同后倾角时的切向力。由图10 可知：斧形齿与砾岩接触的后倾角发生改变时，斧形齿的切削力发生变化，140°斧形齿在砾岩中进行切削，当配合30°后倾角时，斧形齿破碎砾岩时所用的切向力低于其他后倾角的，破岩时更小的切向力可以配合更小的扭矩和钻压，有利于钻头的钻进。

3 结论

（1）通过改变针对砾岩的单齿破岩试验的钻压，对比分析了普通平面齿、锥形齿和斧形齿的碎岩深度和切向力，得出斧形齿在砾岩层中切削效率最高，同时受力最稳定，更适合应用到砾岩层中。

（2）改变斧形齿齿面角度，利用仿真模拟140°，150°，160°斧形齿模型在砾岩模型中垂直方向上的旋转压入过程，通过分析各模拟结果的应力值差异得出，140°斧形齿在砾岩中钻进效果更好。

（3）改变140°斧形齿在砾岩模型上进行切削时的后倾角，140°斧形齿配合30°后倾角时切削效率最高。