【文章內(nèi)容簡介】 和磨損程度明顯小于 20176。的切削齒。Hough 在 1986 研究得出的結(jié)論是，在頁巖中，切削齒后傾角為 15176。、20176?；?25176。的 PDC 鉆頭的鉆進(jìn)速度沒有明顯的差別，優(yōu)于后傾角為 7176。的鉆頭。根據(jù)這些研究成果，在早期的 PDC 鉆頭設(shè)計(jì)中形成了這樣一種共識，即軟地層的 PDC 鉆頭應(yīng)采用 10176?！?0176。后傾角，而硬地層鉆頭采用 20176?！?5176。后傾角為宜，并以 20176。作為 PDC 切削齒的標(biāo)準(zhǔn)后傾角。近年來，隨著沖擊碎裂和熱加速磨損理論的發(fā)展，人們開始懷疑早期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的合理性。H．Karasawaamp。X．Li 等用后傾角為 10176。、15176。、20176。、25176。、30176。和 40176。的切削齒切削花崗巖，發(fā)現(xiàn)切削齒的受力隨著后傾角的增大而增大，而且切削角較小的切削齒反而不易碎裂。Sinor 等用后傾角分別為 10176。、20176。、30176。和 40176。的直徑 216mm 的 PDC 鉆頭在灰?guī)r和頁巖中進(jìn)行了臺架實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：在相同的鉆壓和扭矩下，后傾角越小的鉆頭，鉆進(jìn)速度越快；在相同的鉆速水平(如 12m／h)，鉆壓和扭矩隨著后傾角的增大而增大。根據(jù)以上內(nèi)容，本課題在鉆頭設(shè)計(jì)中選用 15176。后傾角，鉆進(jìn)三種不同的巖樣，測試對于特定地層不同后傾角度對破巖效率的影響。(2)側(cè)轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角 [12]的主要作用是使切削齒在切削地層時對齒前切削產(chǎn)生側(cè)向推力，使巖屑向鉆頭外緣移動，以利排出巖屑，防止鉆頭泥包。研究和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明，隨著水力清洗效果的提高，切削齒的側(cè)轉(zhuǎn)角對 PDC 鉆頭的性能沒有明顯的積極作用。因此，在現(xiàn)代 PDC 鉆頭設(shè)計(jì)中，對直線刀翼結(jié)構(gòu)的鉆頭，其切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角一般取零；對螺旋形布齒結(jié)構(gòu)的鉆頭，切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角隨切削齒在螺旋線的位置而變化，一般由內(nèi)向外逐漸增大。本文在鉆頭設(shè)計(jì)中采用直線刀翼結(jié)構(gòu)，其切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角取0176。 布齒密度設(shè)計(jì)布齒密度的選擇影響鉆頭的壽命和破巖速度。鉆頭布齒密度應(yīng)視所鉆的地層和鉆井條件而定。布齒數(shù)量越多，各個齒承擔(dān)的切削載荷越低，鉆頭壽命越長，但機(jī)械鉆速也相應(yīng)降低。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，對于深井、海洋鉆井、研磨性較強(qiáng)地層用的 PDC 鉆頭，布齒密度應(yīng)該高一些。對于軟地層、中深井等，布齒密度應(yīng)低一些。 布齒密度理論針對 PDC 鉆頭布齒密度的研究一直處于定性階段，難以從定量角度分析的問題，本文引入“井底覆蓋系數(shù)”和“當(dāng)量齒數(shù)”兩個概念，提出從定量的角度衡量 PDC 鉆頭布齒密度的標(biāo)準(zhǔn)。(1)“井底覆蓋系數(shù)”概念井底覆蓋系數(shù)反映鉆頭旋轉(zhuǎn)一周切削齒吃入地層的能力。．為了更好的保護(hù)切削齒，防止齒的損壞，現(xiàn)場中 PDC 鉆頭每轉(zhuǎn)吃入深度不能超過齒頂?shù)烬X根的距離(齒的半徑位置)，由此建立井底覆蓋系數(shù)公式： (25)Llni???式中： n—切削齒總數(shù)，i=l； l—切削齒半徑中點(diǎn)處對應(yīng)弦長； L—冠部輪廓線長度。(2)“當(dāng)量齒數(shù)”概念2022 年，在國家石油和化學(xué)工業(yè)局提出新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T52172022)中第一次提到“當(dāng)量齒數(shù)”概念。在 SY/T52172022 標(biāo)準(zhǔn)中，以 ()直徑的鉆頭、()直徑的切削齒為基準(zhǔn)，給出了一張布齒密度與齒數(shù)的關(guān)系表。當(dāng)鉆頭直徑、切削齒直徑與該基準(zhǔn)相異時應(yīng)根據(jù)“當(dāng)量齒數(shù)”進(jìn)行折算。具體方法如下： (26)Ddnii???1Z6式中： Z—鉆頭的當(dāng)量齒數(shù)； D—鉆頭直徑； n—鉆頭上切削齒的種類數(shù)； Zi、d i—分別代表第 i 種齒的數(shù)量和直徑(不包括規(guī)徑面上的 PDC 齒)。另外，當(dāng)同一只鉆頭上出現(xiàn)幾種直徑的切削齒時，鉆頭 PDC 齒直徑代號的確定應(yīng)以數(shù)量最多的齒(不包括規(guī)徑面上的 PDC 齒)為依據(jù)。國家標(biāo)準(zhǔn)為 PDC 鉆頭布齒密度設(shè)計(jì)在量上提供了一個很好的依據(jù)，但是卻存在一定問題。首先，以 ()直徑的鉆頭、()直徑的切削齒為基準(zhǔn)，制作出的布齒密度與齒數(shù)的關(guān)系表為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所得，缺乏理論依據(jù)；其次，沒有考慮刀翼數(shù)量對布齒齒數(shù)的影響。以本課題設(shè)計(jì)三刀翼的 4 英寸直徑鉆頭為例，若選用較大尺寸切削齒，利用式(26)換算關(guān)系得出齒的數(shù)量，在布齒時存在布不開和發(fā)生齒干涉問題。由此，筆者認(rèn)為在定量衡量布齒密度概念時，應(yīng)將“井底覆蓋系數(shù)”和“當(dāng)量齒數(shù)”結(jié)合起來考慮。即用“井底覆蓋系數(shù)”值來度量布齒密度，再利用“當(dāng)量齒數(shù)”公式換算出不同布齒密度對應(yīng)的切削齒數(shù)量。 實(shí)驗(yàn)鉆頭布齒密度設(shè)計(jì)根據(jù)上文布齒理論，可指導(dǎo)不同冠部形狀下布齒。計(jì)算步驟為：選取基準(zhǔn)齒*N 量冠部輪廓線長度一計(jì)算井底覆蓋系數(shù)一計(jì)算基準(zhǔn)齒當(dāng)量齒數(shù)一計(jì)算其它規(guī)格齒個數(shù)。以下以“直線圓弧直線”型冠部形狀為例，闡述高密布齒下計(jì)算過程。，根據(jù)布齒不相干涉和完全覆蓋井底原則，對4英寸鉆頭布11個齒為高密度布齒。對“直線圓弧直線”型冠部形狀，冠部輪廓線長度為兩段直線長度與圓弧長度之和，即：L=。將三代入式(25)，得到高密度布齒情況下井底覆蓋系數(shù) ?=，在本文將此作為高密度標(biāo)準(zhǔn)。將井底覆蓋系數(shù)萬代入式(26)，可得 ? Z=：根據(jù)式(26)變式： (27)iidDZ??16由式(2—7)得 ? 切削齒齒數(shù) Zl=,? 切削齒齒數(shù) Z2= 用同樣的方法可計(jì)算不同冠部形狀下，低、中、高三種布齒密度對應(yīng)的切削齒數(shù)。 切削齒布齒方式設(shè)計(jì)鉆頭布齒方式的優(yōu)劣直接影響到鉆頭的鉆進(jìn)速度和使用壽命。本文設(shè)計(jì)鉆頭采用兩種徑向布齒方式。 徑向布齒原則徑向布齒設(shè)計(jì)一般應(yīng)滿足以下兩方面的要求：(1)在設(shè)計(jì)鉆速水平下，保證井底覆蓋良好井底覆蓋良好是指：當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)一周時，各切削齒在井眼剖面上的切痕能夠完全覆蓋井底，沒有留下影響鉆頭繼續(xù)向下鉆進(jìn)的巖石脊圈。經(jīng)驗(yàn)表明，要使井底覆蓋良好，給定切削齒中心與內(nèi)側(cè)相鄰切削齒中心的徑向間距不應(yīng)超過切削齒直徑的 60％，即： (28)601, ???ciidR緊靠鉆頭中心的切削齒與鉆頭中心的距離為切削齒直徑的90％比較合適。(2)內(nèi)疏外密，使各切削齒的磨損相對均勻?qū)?PDC 鉆頭磨損的分析發(fā)現(xiàn)，鉆頭內(nèi)側(cè)附近切削齒一般都沒有明顯的磨損。因此，在 PDC 鉆頭設(shè)計(jì)中，內(nèi)側(cè)部位一般設(shè)計(jì)較少的切削齒，布齒密度最低，由內(nèi)向外，布齒密度越來越大. 徑向布齒理論本文從根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本課題研究特點(diǎn)，提出兩種徑向設(shè)計(jì)布齒理論。(1)等齒間距布齒理論等齒間距布齒理論是以相鄰切削齒中心連線間距相等為標(biāo)準(zhǔn)的布齒理論。運(yùn)用此理論的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)刀翼的均勻布齒，有利于研究使用不同的切削齒對鉆頭的影響規(guī)律。缺點(diǎn)在于切削齒磨損不均勻，鉆頭壽命難以保證。(2)等體積布齒理論等體積布齒法徑向布齒設(shè)計(jì)理論依據(jù)是：如果鉆頭上每個切削齒切削巖石的體積相同，則各切削齒的磨損程度相等，鉆頭報廢時各切削呈比較均衡的磨損狀態(tài)。設(shè)直徑為 Db 的鉆頭上布置 N 個切削齒(保徑齒除外)，切削齒的直徑為 dc，各切削齒的徑向坐標(biāo)為 Rc1， Rc2，?，R cN(+l)。第 N 個切削齒為規(guī)徑齒(最外側(cè)切削齒)，該齒徑向坐標(biāo)為(D bdc)/.2。設(shè)鉆頭旋轉(zhuǎn)一周的進(jìn)尺為?，破碎巖石的總體積為?D ?，以規(guī)徑齒徑向坐標(biāo)為半徑的巖石破碎體積為?( Dbdc )2?/4。按2b照巖石破碎體積相等的原則，第 X 個切削齒破碎巖石的體積應(yīng)滿足下式，即： ? (29)NdDRcbxc4)()( 221, ??????將式(29)展開并整理得： = (210)2XC,dcb4)(2式(210)為等體積布齒公式。但是根據(jù)此等體積布齒公式設(shè)計(jì)出的鉆頭中心齒遠(yuǎn)離鉆頭中心線，不能滿足完全覆蓋井底的要求，就需要人為調(diào)整，如增加切削齒和調(diào)整鉆頭中心附近的切削齒坐標(biāo)。本文在設(shè)計(jì)切削齒徑向布齒時就采用了此法。 實(shí)驗(yàn)鉆頭徑向布齒設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的鉆頭按照等間距布齒和等體積布齒兩種理論設(shè)計(jì)。(1)等齒間距布齒本文選用在“直線圓弧直線”型冠部形狀鉆頭上使用等間距布齒法布齒，所有齒間距均為 2mm，布齒密度為中密度。(2)等體積布齒本文在“直線圓弧直線” “直線圓弧圓弧”兩種冠部形狀的鉆頭上使用等體積布齒法布齒。以 直徑切削齒，低密度布齒為例，闡述具體操作方法。鉆頭直徑 ，切削齒直徑 , 計(jì)劃布齒數(shù)為 5 個(低密度)的 PDC鉆頭根據(jù)等體積布齒原則布齒的設(shè)計(jì)結(jié)果如下表：上表為鉆頭直徑 ，切削齒直徑 ，計(jì)劃布齒數(shù)為 5 個的 PDC鉆頭按照式(210)計(jì)算出的數(shù)據(jù)表。由此表可以看出，l 號切削齒距離鉆頭中心較遠(yuǎn)，不能滿足井底覆蓋要求。為此，本文作出如下修改：將原來 1 號切削齒作為 0 號齒，2 號切削齒作為1 號齒，依次類推，只計(jì)算后 4 個齒的徑向距離，將原來 1 號齒徑向距離人為調(diào)節(jié)，保證 1 號齒出露出鉆頭中心線。修改后參數(shù)表如下表所示：齒序號 1（0） 2（1） 3（2） 4（3） 5（4）所在刀翼號 1 2 3 1 2齒序號 1 2 3 4 5徑向坐標(biāo)（mm） 徑向坐標(biāo)（mm） 根據(jù)表(24)可知，在兩種剖面形狀下，不同密度的直徑為 的切削齒個數(shù)有 11 五種，直徑為 的切削齒個數(shù)有9 五種，直徑為 切削齒個數(shù)有 8 五種。根據(jù)上面的布齒方法，可得到三種切削齒在不同密度下以等體積原則布齒的徑向布齒數(shù)據(jù)。第 3 章 室內(nèi)鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，本敬實(shí)驗(yàn)分為四次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，即后傾角優(yōu)選實(shí)驗(yàn)、切削齒齒尺寸優(yōu)選實(shí)驗(yàn)、布齒密度優(yōu)選實(shí)驗(yàn)和剖面形狀優(yōu)選實(shí)驗(yàn)。分別研究后傾角角度、切削齒尺寸、布齒密度和剖面形狀對 PDC 鉆頭破巖效率的影響規(guī)律。 切削齒尺寸對鉆頭破巖效率的影響規(guī)律研究切削齒尺寸對鉆頭破巖效率的影響可通過切削齒尺寸優(yōu)選實(shí)驗(yàn)來完成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案要求，切削齒尺寸優(yōu)選實(shí)驗(yàn)所用鉆頭共 15 支，采用相同的冠部形狀，均為“直線圓弧直線”型，相同的布齒密度。三種不同尺寸切削齒各對應(yīng)五種后傾角。所鉆巖層為軟、中、中硬三種硬度巖層。設(shè)計(jì)鉆壓為6KN、8KN、10KN 融三種鉆壓。測試扭矩、鉆壓、轉(zhuǎn)速、進(jìn)尺四組數(shù)據(jù)。(1)相同后傾角下切削齒尺寸對鉆頭鉆速的影響規(guī)律。以15176。后傾角為例。(a) P C32．5R巖樣 (b) ．5R巖樣 (C) G級固井水泥摻砂巖樣由圖可以看出在 15176。后傾角下，EC32．5R 和 E052．5R 兩種水泥巖樣中，安裝 ? 切削齒的鉆頭鉆速高于安裝 ? 和 ? 切削齒的鉆頭鉆速；在 G級固井水泥摻砂巖樣中安裝 ? 切削齒的鉆頭鉆速最高，安裝 ? 切削齒的鉆頭鉆速次之；安裝 ? 切削齒的鉆頭鉆速最低。(2)不同后傾角下切削齒尺寸對鉆頭鉆速的影響規(guī)律；以6KN為例。 (a) EC32．5R巖樣 (b) (c) G級固井水泥摻砂巖樣由圖可知，在 6KN 的鉆壓下， 和 兩種水泥巖樣中，除 5176。后傾角對鉆頭鉆速影響較小外，安裝 ? 切削齒的鉆頭鉆速均高于在設(shè)計(jì)有同種后傾角角度的 ? 和 ? 切削齒的鉆頭鉆速；在 G 級固井水泥摻砂巖樣中安裝 ? 切削齒的鉆頭鉆速高于在設(shè)計(jì)有同種后傾角角度的 ? 和? 切削齒的鉆頭鉆速。此外，從圖中可清晰地看出在三種水泥巖樣中，設(shè)計(jì)有 15176。后傾角的三種切削齒鉆頭鉆速最快。(3)不同巖樣下切削齒尺寸對鉆頭鉆速的影響規(guī)律以15176。后傾角為例，研究切削齒尺寸在三種巖樣中對鉆頭鉆速的影響規(guī)律。 (a) 6KN鉆壓下 (b) 8KN鉆壓下 (c) 10KN鉆壓下由圖可知，安裝 ?鉆速最高，安裝 ?，安裝 ?低；在G級固井水泥摻砂巖樣中安裝 ?，安裝 ?削齒的鉆頭鉆速次之，安裝 ?。以同樣的方法分析 5176。、10176。、20176。、25176。后傾角時不同巖樣下切削齒尺寸對鉆頭鉆速的影響規(guī)律均與 15176。后傾角時結(jié)論相同，在此不作贅述。綜上所述，通過在不同的后傾角、不同鉆壓和不同巖樣下實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析對比，安裝 ?的鉆頭鉆速最高；在G級固井水泥摻砂巖樣中安裝 ?。即在軟底層中安裝較大的切削齒的鉆頭易獲得較高的機(jī)械鉆速，在中到中硬地層，安裝 ?。研究后傾角角度的變化對鉆頭破巖效率的影響可通過后傾角優(yōu)選實(shí)驗(yàn)來完成。實(shí)驗(yàn)鉆頭使用切削齒尺寸優(yōu)選實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的鉆頭。(1)相同切削齒尺寸下后傾角對鉆頭鉆速的影響規(guī)律；以安裝 ?的鉆頭為例 (a) EC32．5R巖樣 (b) P．052．5R巖樣 (c) G級固井水泥摻砂巖樣由圖可以得出，安裝 ?中20176。后傾角時鉆速最快，5176。后傾角時鉆速最慢； G級固井水泥摻砂巖樣中15176。后傾角時鉆速最快10176。后傾角時鉆速次之，且與15176。后傾角時鉆速接近5176。后傾角時鉆速最慢。(2)不同切削齒尺寸下后傾角對鉆頭鉆速的影響規(guī)律以 8KN 鉆壓為例，研究不同切削齒尺