鄒德永， 郭玉龍， 趙 建， 陳修平， 王家駿， 于金平

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

錐形PDC單齒破巖試驗(yàn)研究

鄒德永， 郭玉龍， 趙 建， 陳修平， 王家駿， 于金平

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

為優(yōu)化錐形PDC齒鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并提高其鉆進(jìn)硬地層的能力，通過(guò)錐形PDC切削齒在玄武巖上的破巖試驗(yàn)，分析了切削角、錐頂角及鉆壓等因素對(duì)錐形PDC切削齒破巖效率的影響規(guī)律。結(jié)果表明：錐形PDC齒適合其錐尖指向鉆頭軸線安裝在鉆頭上；隨著切削角增大，切削深度先增大后減小，當(dāng)切削角為25°時(shí)，切削深度最深；破碎相同體積的巖石，錐頂角小的錐形PDC齒所需的水平切削力小，更易破碎巖石；切削深度與鉆壓呈指數(shù)關(guān)系，隨著鉆壓增加而增大。試驗(yàn)結(jié)果可為錐形PDC齒鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭 錐形切削齒 破巖 切削角 錐頂角 切削深度

目前，常規(guī)PDC鉆頭主要用于鉆進(jìn)軟到中硬地層，而在硬地層中的鉆進(jìn)效果不太理想[1-2]。其中，犁切型PDC鉆頭，采用異于常規(guī)PDC的錐形PDC齒作為切削齒，已在國(guó)外實(shí)驗(yàn)室以及一些現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)硬地層試驗(yàn)中取得了很好的破巖效果，具備了鉆進(jìn)硬地層的能力[3-7]。但是，國(guó)內(nèi)外關(guān)于錐形PDC齒破巖規(guī)律的研究尚屬空白，需進(jìn)一步探索和研究[8-13]。為此，筆者通過(guò)錐形PDC齒破巖試驗(yàn)對(duì)錐形PDC齒在不同切削角、齒形及鉆壓下的破巖規(guī)律進(jìn)行了分析，以期優(yōu)選出破巖效率高的齒形及切削角，為錐形PDC齒鉆頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，滿足深井鉆進(jìn)硬地層提速的迫切需求。

1 錐形PDC單齒破巖試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)原理及方法

每次試驗(yàn)時(shí)，將表面平整的巖樣固定在巖樣夾持裝置上，通過(guò)更換不同角度的小鉆頭實(shí)現(xiàn)切削角的變化，用加壓裝置給錐形PDC齒施加不同的鉆壓，然后搖動(dòng)鉆銑床滑枕，帶動(dòng)巖樣做直線運(yùn)動(dòng)，使錐形PDC齒切削巖樣形成溝槽；在切削過(guò)程中，利用切向力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量錐形PDC齒所受的水平切削力，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄并顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其原理如圖3所示。為分析錐形PDC齒的切削角、錐頂角及鉆壓對(duì)破巖效率的影響規(guī)律，分別進(jìn)行了不同切削角(0°，±5°，±10°，±15°，±20°，±25°，±30°，角度如圖4所示)、不同錐頂角(86°和78°)和不同鉆壓(1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 kN)的破巖試驗(yàn)。巖樣選用玄武巖，其可鉆性級(jí)值為9.27。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)以巖樣溝槽的深度(即切削深度)和水平切削力2個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)錐形PDC齒的破巖效果，分析各因素對(duì)錐形PDC齒破巖效率的影響規(guī)律。

2.1 切削角

2.2 錐頂角

2.3 鉆壓

3 結(jié)論及建議

1) 錐形PDC齒適合其齒尖指向鉆頭軸線安裝在鉆頭上，當(dāng)鉆進(jìn)條件相同時(shí)，切削角為25°時(shí)的破巖效果最好。結(jié)合鉆頭布齒設(shè)計(jì)理論、錐形齒的抗沖擊性能及不同地層的適應(yīng)性，切削角推薦選用20°～25°。

2) 錐形PDC齒在小鉆壓下的破巖效果較差，隨著鉆壓增大，破巖效果迅速得到提高。

3) 文中試驗(yàn)條件下，錐頂角小的錐形PDC齒的破巖效率優(yōu)于錐頂角大的錐形PDC齒。

4) 文中試驗(yàn)只選用了2種錐頂角和1種巖樣，建議后續(xù)試驗(yàn)中增加錐形PDC齒的齒型和巖樣類型，以進(jìn)一步探討錐頂角對(duì)破巖效率的影響規(guī)律和錐形PDC齒在不同硬地層的破巖規(guī)律。

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[編輯 劉文臣]

Experimental Study on Rock Breaking of Conical PDC Cutter

Zou Deyong, Guo Yulong, Zhao Jian, Chen Xiuping, Wang Jiajun, Yu Jinping

(SchoolofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong,266580,China)

In order to optimize the structure of PDC bits and improve their breaking performance in hard formations,this paper analyzed the influences of cutting angle,cone apex angle,weight on bit (WOB) and other factors of rock breaking of conical PDC cutter,through experiment with basalt.The results showed that the conical cutter was better to be installed on the bit with its prong pointing the bit axis.With the increase of the cutting angle,the cutting depth increased first and then decreased-to the maximum when the cutting angle was 25°.The conical PDC cutter with small cone apex angle required smaller force to break the same volume of rock and the cutting depth increased with the WOB exponentially.The experimental results could provide reference for the design of a conical PDC bit.

PDC bit;conical cutter;rock breaking;cutting angle;cone apex angle;cutting depth

2014-06-09；改回日期：2014-12-02。

鄒德永(1962—)，男，山東威海人，1984年畢業(yè)于華東石油學(xué)院鉆井工程專業(yè)，1988年獲石油大學(xué)(北京)油氣井工程專業(yè)碩士學(xué)位，2004年獲石油大學(xué)(華東)油氣井工程專業(yè)博士學(xué)位，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油氣井工程方面的教學(xué)與科研工作。

國(guó)家“十二五”科技重大專項(xiàng)“中東富油氣區(qū)復(fù)雜地層井筒關(guān)鍵技術(shù)”(編號(hào)：2011ZX05031-004)資助。

?鉆采機(jī)械?

10.11911/syztjs.201501021

TE921+.1

A

1001-0890(2015)01-0122-04

聯(lián)系方式：(0532)86983276，zouyan@upc.edu.cn。