朱麗紅， 陳澤鵬， 黃 勇， 強(qiáng) 偉， 王京印

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

0 引 言

PDC鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)具有鉆速快、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于軟到中硬的均質(zhì)地層。PDC鉆進(jìn)泥頁巖地層時(shí)，由于鉆進(jìn)速度很快，巖石破碎后產(chǎn)生大量巖屑，如果井底清洗不充分，巖屑會(huì)堆積于井底。與此同時(shí)，由于泥頁巖中黏土礦物水化膨脹，黏性增強(qiáng)，巖屑會(huì)附著于切削齒和鉆頭體上，形成鉆頭泥包[1-2]。鉆頭泥包導(dǎo)致鉆頭破巖能力顯著較低，鉆速下降，并且切削齒失去冷卻作用，鉆齒磨損速度加快，鉆頭壽命縮短。泥包嚴(yán)重時(shí)，鉆頭完全失去鉆進(jìn)能力，無法實(shí)現(xiàn)進(jìn)尺，造成鉆井效率降低，鉆井成本升高[3]。目前，提高PDC鉆頭自身防泥包性能的措施主要包括三方面：鉆頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)、水力設(shè)計(jì)優(yōu)化及鉆頭體表面處理[4-6]。與其他兩種方法相比，鉆頭體表面處理采用降低PDC鉆頭與泥質(zhì)巖屑間黏附力的方式，其可從根本上預(yù)防鉆頭泥包的出現(xiàn)。目前，常用手段如鉆頭體表面涂抹黃油、纏繞金屬網(wǎng)等，但上述措施防泥包的時(shí)效性短、效果差。

自然界中生物體表具有非光滑特征，其是在自然環(huán)境中經(jīng)過長(zhǎng)期的自然選擇而得到的最佳結(jié)果[7]。非光滑表面仿生是借鑒自然生物體表的非光滑形態(tài)并將其應(yīng)用于工程材料表面，實(shí)現(xiàn)減黏、減阻和抗磨等特性[8-9]。目前，非光滑表面仿生已在眾多工程領(lǐng)域得到應(yīng)用[10-13]。本文將仿生非光滑幾何表面形態(tài)引用到PDC鉆頭的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，并采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)不同非光滑表面結(jié)構(gòu)、不同尺寸及不同時(shí)間狀態(tài)下的試件與黏土間的黏附力進(jìn)行了測(cè)量，為PDC鉆頭防泥包性能的研究提供新的思路和方法。

1 基于生物體表仿生的非光滑表面

以海生動(dòng)物、陸上動(dòng)物等幾種比較典型的非光滑表面為例，生物體表的典型非光滑表面形狀有凹坑狀、凸起狀、波狀和鱗片狀。表1展示了幾種典型非光滑表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

在設(shè)計(jì)PDC鉆頭非光滑表面形態(tài)時(shí)，不但要考慮生物原型的尺寸大小、形態(tài)及密度等，還要考慮工業(yè)加工的難易程度、材料本身的力學(xué)特性與生物原型材料力學(xué)特性的匹配關(guān)系，試件的表面質(zhì)量等。因此，PDC鉆頭體非光滑表面形態(tài)的設(shè)計(jì)原則是試件的形態(tài)和尺寸與試樣接近或相似，且均勻分布。綜合上述因素，同時(shí)考慮PDC鉆頭體的機(jī)械加工條件，工藝參數(shù)的選取，以及凹坑、溝槽的形態(tài)的相似性，最后選取PDC鉆頭體工業(yè)表面設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示，總共10個(gè)試件，所有試件的直徑為60 mm，厚度為10 mm。加工完成后的非光滑表面試件如圖1～3所示，圖4為用于對(duì)比實(shí)驗(yàn)的光滑表面試件。

表1 幾種典型非光滑單元表面結(jié)構(gòu)參數(shù)[14]

表2 非光滑試件參數(shù) mm

圖1 圓形溝槽試件

圖2 方形凸包試件

圖3 圓形凹坑試件

圖4 光滑表面試件

2 非光滑表面防黏附性能實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

非光滑表面防黏附性能實(shí)驗(yàn)采用模擬實(shí)驗(yàn)方式，借助圓盤型試件與飽和黏土間的黏附，模擬井下PDC鉆頭泥包現(xiàn)象，測(cè)試不同表面形態(tài)試件與黏土間的黏附力，評(píng)價(jià)非光滑表面防泥包效果。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主要包括裝飽和黏土容器、固定臺(tái)架、拉力計(jì)和拉力顯示儀(見圖5)。拉力計(jì)具有儲(chǔ)存峰值的功能，以牛頓為單

圖5 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

位。臺(tái)架和拉力計(jì)配合使用，拉力計(jì)上下游程在合理范圍之內(nèi)，避免試件與黏土分離后做過多的無用功，同時(shí)臺(tái)架還能允許更換不同量程的拉力計(jì)。為了保證每次實(shí)驗(yàn)試件在黏土中沉降在同一深度，在容器中心設(shè)計(jì)一個(gè)用于支撐的支桿，使其可以支撐試件。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)架操作簡(jiǎn)單，使用方便，通過更換拉力計(jì)可進(jìn)行不同大小黏附力的測(cè)量，也可進(jìn)行簡(jiǎn)易改裝，安裝各種傳感器及夾具。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

非光滑表面防黏附實(shí)驗(yàn)的具體過程如下：

(1) 選取優(yōu)質(zhì)黏土，經(jīng)烘干、研磨、篩分后，將黏土裝入實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的容器中，黏土表面壓實(shí)平整，注入水，制成飽和黏土，并靜置1周，以保證水與黏土顆粒的充分接觸。

(2) 將試件放置于飽和黏土的表面并充分接觸，靜置一段時(shí)間后，試件與黏土間產(chǎn)生黏附力。上提試件，當(dāng)拉力大于試件與黏土間的黏附力時(shí)，試件與黏土分離，拉力計(jì)顯示最大拉力，為了避免誤差，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次，選取實(shí)驗(yàn)平均值作為黏附力的數(shù)值。

(3) 調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)，測(cè)試仿生試件非光滑表面單元體的形狀分布、尺寸大小及與黏土接觸時(shí)間對(duì)黏附力大小的影響，具體參數(shù)設(shè)置如下：下放速度10 mm/s，提升速度5 mm/s，保壓時(shí)間1 min、10 min、1 h、4 h、12 h，試件自重200 g左右。

(4) 將得到試件與黏土分離的拉力和所測(cè)試的試件在與拉脫力垂直方向的投影面積的比值作為黏附力，黏附力的單位設(shè)為Pa。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理與分析

對(duì)于實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的仿生非光滑試件，影響其黏附性的因素有非光滑單元體形狀及其尺寸、單元體的分布狀態(tài)以及非光滑表面與黏土的接觸時(shí)間，于是選取三者為研究對(duì)象，分別討論這3種因素對(duì)黏土/試件界面間黏附力的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6～8所示。

圖6 圓形溝槽試件黏附力

(1) 非光滑單元體形態(tài)對(duì)黏附性能的影響。通過對(duì)圖6～圖8中3種非光滑表面產(chǎn)生的黏附力大小對(duì)比可知，圓形溝槽試件的黏附力最小，凹坑形的最大。由此得出：3種非光滑表面單元體降黏效果最好的是圓形溝槽，方形凸包次之，圓形凹坑形最差。

圖7 方形凸包試件黏附力

圖8 圓形凹坑試件黏附力

(2) 非光滑單元體尺寸對(duì)黏附性能的影響。通過對(duì)圖6～圖8中不同尺寸參數(shù)之間的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在3個(gè)類型的試件中，中等尺寸的仿生非光滑單元體表面黏附力最小，說明存在最優(yōu)尺寸。鑒于實(shí)驗(yàn)只選取了3種尺度的單元體尺寸，后期需要進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)來確定最優(yōu)值。

(3) 試件與黏土接觸時(shí)間對(duì)黏附性能的影響。由圖6～圖8可知，對(duì)于3種不同形態(tài)的非光滑試件，其與黏土間的黏附力均隨接觸時(shí)間的增加而增大，說明采用非光滑表面防泥包時(shí)應(yīng)盡量減少PDC鉆頭與泥質(zhì)巖屑的接觸時(shí)間。

4 結(jié) 語

將仿生學(xué)中的非光滑幾何表面形態(tài)引用到PDC鉆頭的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)合PDC鉆頭泥包特性和生物體表的非光滑形態(tài)，設(shè)計(jì)了圓形溝槽、方形凸包、圓形凹坑三種非光滑表面試件。

采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)不同非光滑表面結(jié)構(gòu)、不同單元體尺寸及接觸時(shí)間狀態(tài)下的試件與黏土間的黏附力進(jìn)行了測(cè)量，得出了這三種因素對(duì)黏附力大小的影響程度，總結(jié)出非光滑表面單元體的形態(tài)、尺寸及接觸時(shí)間的最佳值域。