湯鳳林，趙榮欣，Нескоромных B.B.，李 博，周 欣，段隆臣

（1.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.Сибирский Федеративный университет，г.Красноярск Россия 660095；4.湖北省地震局，湖北 武漢 430064）

0 引言

在石油天然氣普查勘探鉆采工程、地質(zhì)勘探和其它有關(guān)行業(yè)中，使用的鉆進(jìn)方法很多。

金剛石鉆進(jìn)是一種比較先進(jìn)的鉆進(jìn)方法。由于這種方法的鉆進(jìn)效率比較高，鉆孔質(zhì)量比較好，施工勞動強(qiáng)度比較低，因此，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是，在金剛石鉆進(jìn)中，鉆柱始終處于壓縮、旋轉(zhuǎn)和摩擦等的復(fù)雜受力狀態(tài)中，因此產(chǎn)生振動。振動帶來的危害很大，主要有：（1）對金剛石造成嚴(yán)重?fù)p傷，鉆桿振動施于鉆頭上的沖擊力，促使出露的金剛石破碎、脫落、嚴(yán)重磨損（非正常磨損），鉆頭壽命顯著降低，單位進(jìn)尺金剛石消耗量增加；（2）嚴(yán)重影響巖心采取率及其品質(zhì)，鉆柱振動敲擊巖心，使巖心折斷、破碎，造成巖心堵塞；（3）設(shè)備管材嚴(yán)重磨損，轉(zhuǎn)矩增高，功率消耗增大；（4）鉆孔彎曲難以控制，鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下降，等等。

自從20 世紀(jì)70 年代以來，PDC（聚晶金剛石復(fù)合片）鉆頭在油氣田從軟到中硬的地層中鉆進(jìn)時逐步取代了金剛石鉆頭，在油氣井鉆進(jìn)中得到了廣泛的應(yīng)用。后來很快發(fā)展到地質(zhì)鉆探中來，PDC 鉆頭研究日趨成熟，鉆進(jìn)工藝日益完善，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不斷提高，引起了地質(zhì)鉆探界的高度重視，并已大量使用［1-7］。

但是，PDC 鉆頭鉆進(jìn)中產(chǎn)生的振動及其引起的切削具非正常磨損問題，一直沒有得到很好的解決，直接影響機(jī)械鉆速、鉆頭壽命、鉆孔質(zhì)量和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

1 PDC 鉆頭振動分析

PDC 鉆頭鉆進(jìn)時可能經(jīng)受各種振動，常見的振動類型有：軸向振動、橫向（徑向）振動和扭擰振動，見圖1［8］。其中橫向振動最為常見。

圖1 PDC 鉆頭鉆進(jìn)時鉆頭常見振動類型Fig.1 Common vibration types of the PDC bit in drilling

產(chǎn)生振動的原因很多，諸如鉆進(jìn)規(guī)程不穩(wěn)定、地質(zhì)剖面不均勻、有水力動力學(xué)過程存在、孔底動力作用系統(tǒng)復(fù)雜等。如果遇到各向異性巖石或定向斜孔鉆進(jìn)時，則振動會更加劇烈。橫向振動可使井筒形狀不規(guī)則，偏離設(shè)計方向，使用孔底遙測系統(tǒng)發(fā)生困難，動載荷水平升高，鉆具耐磨性降低，鉆井質(zhì)量惡化，鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)失控，鉆頭壽命受損，鉆井技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)降低等。

俄羅斯南方國立技術(shù)大學(xué)A.A.特列季雅克（А.А.Третьяк）教授利用楔形復(fù)合片和圓錐弧形復(fù)合片組合設(shè)計出來的油氣井雙層鉆頭，在解決復(fù)合片非正常磨損和振動問題方面取得了一定進(jìn)展。他們選用了楔形和圓錐弧形PDC 復(fù)合片（見圖2）［8-10］。

圖2 PDC 復(fù)合片的類型Fig.2 Types of PDC cutters

采用楔形復(fù)合片時，在鉆進(jìn)過程中，楔形齒與地層接觸面積小，受力集中，齒下巖石在較大接觸應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生破裂裂紋，因此，比較容易“吃”入巖石。隨著鉆頭的回轉(zhuǎn)，楔形齒在巖石中“犁”出一條破碎穴槽，緊隨其后的圓形切削齒則以剪切方式，大面積切削強(qiáng)度已經(jīng)大大減弱了的井底巖石，達(dá)到快速鉆進(jìn)的目的。而且，還可以起到緩沖器的作用，大大提高鉆頭的抗沖擊強(qiáng)度，對鉆頭的橫向振動可以起到一定的抑制作用。

圓錐弧形復(fù)合片破碎巖石的表面呈弧形，受力條件好，能夠承受較大的鉆壓和動載荷，在負(fù)前角鑲焊的情況下，容易切入巖石，對于破碎硬巖比較有利。由于復(fù)合片表面呈圓弧形，有利于巖粉向四周分流，及時排離切削面，減少復(fù)合片的磨損。所以，這種復(fù)合片更適用于較硬巖石，承受比較復(fù)雜的受力條件，應(yīng)用范圍較廣。

把楔形復(fù)合片和圓錐弧形復(fù)合片結(jié)合起來，將其安置在鉆頭上的不同部位，使其發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，可以提高機(jī)械鉆速，增加鉆頭進(jìn)尺，取得好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

利用楔形復(fù)合片和圓錐弧形復(fù)合片組合設(shè)計出來的油氣井雙層鉆頭，經(jīng)過生產(chǎn)試驗(yàn)，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

這種新鉆頭的生產(chǎn)試驗(yàn)，是在俄羅斯科研生產(chǎn)企業(yè)《羅斯托夫鉆井公司》進(jìn)行的。為了進(jìn)行對比，使用了直徑215.9 mm 的復(fù)合片鉆頭和俄羅斯國產(chǎn)三牙輪鉆頭Ⅲ215.9СГВ，在鉆進(jìn)可鉆性6～7 級巖石中，在2200～2600 m 井段進(jìn)行鉆進(jìn)對比。雖然開發(fā)出來的新型復(fù)合片鉆頭的成本高一點(diǎn)，但是新型復(fù)合片鉆頭的鉆頭進(jìn)尺是三牙輪鉆頭進(jìn)尺的8 倍，一個復(fù)合片鉆頭的經(jīng)濟(jì)效益為11 萬6552 盧布，可見經(jīng)濟(jì)效益是很高的，受到了有關(guān)單位的好評［8-10］。

2 凹狀曲面PDC 切削具的提出和計算

楔形復(fù)合片和圓錐弧形復(fù)合片組合的PDC 鉆頭，橫向振動問題尚未完全解決，俄羅斯西伯利亞聯(lián)邦大學(xué)涅斯科羅姆內(nèi)赫.V.V.（Нескоромных В.В.）教授等提出使用凹狀曲面PDC 切削具鉆頭，以解決這個橫向振動問題，并做了大量的工作［10-22］。

應(yīng)該說，橫向振動是常見的振動類型之一，也是PDC 鉆頭鉆進(jìn)時的一種主要振動類型。

使用凹狀曲面PDC 切削具之所以是解決鉆具橫向振動問題的方案之一，主要是因?yàn)槭褂眠@種切削具，可以提高鉆進(jìn)時切削具與孔底巖石的摩擦力，易于實(shí)現(xiàn)各個切削具切削力的平衡，等等。

從圖3 可以看出鉆進(jìn)過程中PDC 切削具與孔底巖石相互作用的情況。標(biāo)準(zhǔn)的PDC 切削具由聚晶金剛石平面研磨層1、硬質(zhì)合金底座2 和剛體3 組成。鉆頭上鑲的PDC 切削具是定向的，光滑的切削面與巖石切削剪切方向是一致的。切削具的形狀這樣布置時，工作面上的摩擦力很小，這是可能導(dǎo)致鉆具產(chǎn)生橫向振動的主要原因之一［12］。

圖3 兩個并排排列PDC 切削具工作示意Fig.3 Schematic diagram of the two side-by-side PDC cutters in cutting

根據(jù)巖石破碎原理得知，對巖石進(jìn)行切削剪切破碎的R是軸載Poc和剪切載荷F的合力。改變合力R的方向，與從孔底來的阻力的再分配有關(guān)，也與Poc和F的大小和比例有關(guān)。在鉆進(jìn)規(guī)程穩(wěn)定條件（切削具切入巖石深度h不變）下，切削具的切削剪切碎巖合力R，將以與其切削面5 成直角的角度集中（見圖3）。

為了把碎巖的能量能在PDC 切削具中心集中起來并將其引入巖層，以提高破碎巖石效果，需要使切削具破碎巖石部分的整個表面，形成縱向凹狀曲面（見圖4）。

圖4 鉆頭切削具切削表面形狀結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Design of the cutting surface form of the cutter

用凹狀曲面切削具鉆進(jìn)時，可把巖石切削剪切力分成彼此同向的幾個向量Ri（R=ΣRi），見圖5（a）。Ri的反作用力可以防止切削具橫向振動，從而消除鉆頭振動。但是，這種情況只有在向量R1和R2的數(shù)值足以使切削具破碎巖石穩(wěn)定時才可發(fā)生，見圖5（b）。

圖5 工作表面呈圓錐形凹面PDC 的幾何形狀和諸力分布示意Fig.5 Geometry and force distribution of the PDC cutter with conic concave cutting surface

如果R1和R2在形成的碎巖區(qū)4 不能相遇，則在切削平面中心部分5 中，就會出現(xiàn)一個破碎切削具前面余下巖柱需要的向量R3。如果R3＞（R2+R1），則振動不會消除。減振作用只有在切削剪切力的向量R1和R2的方向，可以使由于這兩個力的作用而使巖石破碎，并在與切削具中心線上相交才能得到保證（圖5b）。在這種情況下，將有兩個向量，且這兩個向量相等（R1=R2），則切削具橫向振便可消除。

可以通過改變切削平面頂角∝ 的辦法，來改變切削具凹面5 切削剪切力的分布。PDC 切削具縱向凹面可有2 種形式：圓錐形凹面（圖4a）和球形凹面（圖4b）。我們以圓錐形凹面切削具為例進(jìn)行討論［12］。

圖5（b）表明，切削具和巖石相互作用時，如果2個向量R1和R2的方向，可以使由于這兩個力的作用而使巖石破碎，并在位于通過切削具中心線的平面內(nèi)相交，則圓錐形凹面的頂角α可按下列公式計算：

式中：a——向量R的長度；B——凹面圓錐體母線的長度。

從幾何上分析切削具與巖石的相互作用（圖5c），我們得到向量R的長度a：

故向量R的長度a：

凹面圓錐體母線長度B與切削具直徑d和巖石切削剪切深度h的相關(guān)（見圖5d）如下：

所以，可使橫向振動消失的切削具切削表面凹面圓錐體頂角α，按下式計算：

俄羅斯批量生產(chǎn)的PDC 切削具系列的直徑d為8、13、16 和19 mm。如果設(shè)定切削具切入巖石深度（每轉(zhuǎn)進(jìn)尺）h和推薦切削具安裝角度，例如γcκ=20°、γn=20°，則可以計算出切削具凹狀切削面的最優(yōu)頂角α見表1。

表1 可以消除橫向振動的切削具凹狀錐體頂角計算結(jié)果[12]Table 1 Calculating results of the apex angle of the cutter concave cone for damping of lateral vibration

3 凹狀曲面切削具受力計算機(jī)仿真模擬及結(jié)果

為了分析凹面切削具的水力動力學(xué)情況，對其進(jìn)行了計算機(jī)仿真模擬［11-12］。

計算機(jī)仿真模擬是用有限元方法完成的。為了簡化研究系統(tǒng)，模型由3 部分組成：切削具、孔底部分和沖洗液。為了可以進(jìn)行對比，對用按照Ulterro工藝鑲焊的金剛石PDC 鉆頭和鑲有凹面錐體PDC切削具的鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)時的水力學(xué)過程，進(jìn)行了模擬。

3.1 按照Ulterro 工藝鑲焊的金剛石PDC 鉆頭的模擬

在這種PDC 切削具鉆頭設(shè)計中，特別注意切削具的形狀和布置。Ulterro’s New Counter Force Technology 公司的鉆頭結(jié)構(gòu)，在防止振動方面取得了積極成果。該鉆頭生產(chǎn)公司建議，在鉆頭端面上的2 個相鄰切削具宜呈定向排列，切削面迎面靠近，這樣可以消除鉆頭橫向振動。該公司確認(rèn)，除了鉆頭工作穩(wěn)定外，這種結(jié)構(gòu)Ulterro 鉆頭還有利于把振動能量導(dǎo)入地層，以提高碎巖效果。Ulterro 鉆頭使用效率表明，一年鉆進(jìn)了1500 萬m 長度的井眼。根據(jù)《Drilling contractor》國際承包協(xié)會公布的資料，在Eagle Ford（德克薩斯州）油田使用Ulterro 鉆頭，創(chuàng)造了鉆井速度記錄（速度增加近40%）。同時，鉆進(jìn)15 h 就獲得了50000 美元的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)計算機(jī)模擬結(jié)果（見圖6），在兩個相鄰PDC 按照Ulterro 工藝安裝（兩個切削具定向、迎面靠近）時，“介質(zhì)”（即巖屑和沖洗液的混合物）的最大壓力區(qū)集中在兩個切削具之間，二者安排越近，壓力值越大。但是，間隙小，會產(chǎn)生局部阻力，導(dǎo)致這種水力壓力狀態(tài)不能使沖洗液通過兩個切削具之間的部分，在一定地質(zhì)條件下可能形成巖屑堵塞，引起切削具燒毀。

圖6 使用按照Ulterro 工藝安裝的鉆頭鉆進(jìn)時，井底產(chǎn)生的水力動力學(xué)過程的模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of the downhole hydrodynamic process while drilling with the PDC bit of Ulterro technology

3.2 凹面切削具鉆頭受力計算機(jī)仿真模擬

標(biāo)準(zhǔn)平面切削具和凹面切削具的水力壓力，以及切削具安裝角度對其的影響見圖7。

圖7 PDC 切削具范圍內(nèi)產(chǎn)生的水力動力學(xué)過程模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of the hydrodynamic process withing the limits of the PDC cutter

與用標(biāo)準(zhǔn)平面PDC 切削具進(jìn)行鉆進(jìn)時一樣，在凹狀曲面切削具下面也可以看到有水力壓力不同的壓力區(qū)（圖7b）存在。切削具安裝前角的變化，對此壓力區(qū)分布的性質(zhì)有一定影響，其對凹狀曲面切削具的影響比對標(biāo)準(zhǔn)平面切削具的影響更大。同時，計算機(jī)模擬研究結(jié)果表明，在其他條件相同情況下，凹狀曲面切削具有利于降低水力壓力數(shù)值的水平。從圖7 可見，在相同條件下，鑲有PDC 安裝前角γn=-25°的凹面切削具下面的壓力，比標(biāo)準(zhǔn)平面PDC 切削具下面的壓力低25%～50%（圖7a、b）。安裝前角較小時，也有類似情況。例如，在安裝前角γn=-15°時，凹面切削具下面的壓力比平面切削具下面的壓力低50%以上（圖7c、d）?？梢姡济媲邢骶呦旅娴膲毫Ρ绕矫媲邢骶呦旅娴膲毫π?，有利于破碎孔底巖石，提高碎巖效果。而且，安裝前角γn=-15°時壓力降低的幅度，比PDC 安裝前角γn=-25°時的幅度大，說明安裝角度小一點(diǎn)，可能壓力會更小，效果會更好。

在任何鉆進(jìn)條件下和任何鉆頭切削具鑲裝角度條件下，凹面切削具都有利于在PDC 工作端面的中心部分，集中形成高壓區(qū)和沖洗液壓力最高區(qū)。隨著凹面切削具安裝前角數(shù)值的減小，例如，在安裝前角γn從-25°變到-15°時，如圖7（b）、7（d）所示，可以看到最大壓力區(qū)有從切削具凹面移向切削具與巖石接觸處（面）的趨勢。

水力壓力與凹狀曲面圓錐頂角α的關(guān)系見圖8。

圖8 圓錐形凹面PDC (γn=-25°)范圍內(nèi)產(chǎn)生的水力動力學(xué)過程的計算機(jī)模擬結(jié)果Fig.8 Simulation results of the hydrodynamic process within the limits of the PDC cutter with concave conic cutting surface (γn=-25°)

圖8（a）表示在凹面圓錐頂角α=104°時，PDC切削具的3 個壓力區(qū)的分布情況（紅色表示壓力最大區(qū)，黃色表示壓力最小區(qū)），最大壓力區(qū)主要位于沿著切削具凹曲的位置上。凹面錐體頂角增到α=155°時，切削具的壓力降低30%左右，而且最大壓力區(qū)不完全集中在凹狀曲面上（見圖8b）。

切削具最大壓力區(qū)的范圍越大，“介質(zhì)”（即沖洗液和巖屑混合物）對形成巖石切入阻力的可能性越大，故在孔底壓力集中地區(qū)，沖洗液容易進(jìn)入地層，有利于孔底形成巖石的預(yù)破碎。

從圖8 可見，不論凹狀曲面角度α大小如何，進(jìn)入切削具下方的主要沖洗液量，都是力圖進(jìn)入PDC切削面的中心部分，在此形成紊流。當(dāng)沖洗液流遇到巖石后，液流分成2 個大小相等、方向相反的液流，進(jìn)入切削具的范圍內(nèi)，沖洗切削具工作表面的側(cè)部（見圖8c）?？梢酝ㄟ^提高改變頂角α的辦法來控制沖洗液的壓力。減小角度α，有利于增加沖洗液在切削具切削平面上的流速，其結(jié)果是可以提高沖洗液進(jìn)入巖石的強(qiáng)度及其排屑能力，因而可以提高切削具的冷卻效果。

4 分析、討論和建議

根據(jù)上述材料可做如下分析、討論和建議。

（1）PDC 鉆頭在石油天然氣鉆井和地質(zhì)鉆探中得到了廣泛的應(yīng)用，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，受到了有關(guān)單位的好評和重視。但是，鉆具振動及由其引起的鉆頭非正常磨損問題，直接影響機(jī)械鉆速、鉆頭進(jìn)尺的提高和正常鉆進(jìn)的保證，鉆孔質(zhì)量也受一定影響，成了急需解決的問題。解決PDC 鉆頭振動問題，首要的是要解決PDC 切削具的振動問題。

（2）國內(nèi)外鉆探專家提出使用楔形切削具和圓柱錐形切削具，雖然使非正常磨損和振動問題有一定緩解，但未根本解決。俄羅斯科學(xué)工作者對使用凹狀曲面PDC 切削具來解決振動問題，進(jìn)行了研究和試驗(yàn)，提出了建議，是一個創(chuàng)新，有一定參考價值，值得引起我們的注意。使用這種切削具來消除橫向振動的機(jī)理主要是要增加切削具和巖石破碎時產(chǎn)生的摩擦力。

（3）研究和計算表明，為了保證消除橫向振動，建議使用凹狀曲面切削具。凹狀曲面切削具的最優(yōu)頂角α范圍應(yīng)該是位于104°～155°之間，切削具安裝前角一般為15°～20°，一定不能為0°。在鉆進(jìn)較軟巖石時，可以減小凹狀曲面頂角、增加切削具安裝角，以便利用沖洗液流能量形成巖石預(yù)破碎區(qū)。在鉆進(jìn)破碎巖石時，建議使用盡量大的凹狀曲面角度切削具，切削具安裝角盡量小，易于切削具切入巖石、適時沖洗預(yù)破碎區(qū)和降低介質(zhì)阻力，因而提高破碎巖石效果。

（4）計算機(jī)模擬表明，使用凹狀曲面切削具還有利于巖石破碎和預(yù)破碎，可以根據(jù)所鉆巖石的性質(zhì)，通過調(diào)整凹狀曲面角度α和切削具安裝角度γn來實(shí)現(xiàn)其更有效地破碎巖石。

（5）俄羅斯這種新型切削具經(jīng)過了理論研究和分析計算，有一定創(chuàng)新性和適用價值。但是，尚未見到其生產(chǎn)使用結(jié)果的材料，需要跟蹤取證，以便評價其有效性和使用前景。