PDC钻头稳定性分析

　　自二十世纪七十年代初PDC钻头问世以来,PDC钻头在世界范围内得到了普遍应用。在均质的较软地层中PDC钻头具有破岩效率高、钻速快、进尺多、寿命长等优点。从八十年代中期开始,国内许多科研院校、石油企业厂矿、石油工具厂先后投入了大量的人力物力从事PDC钻头的研究与开发,并有多种PDC钻头在国内得到推广应用。在研究开发与使用过程中,人们发现许多PDC钻头的损坏是由于其不能在井下稳定地工作而造成的。为提高PDC钻头的工作性能,使其获得更广泛的适用范围,胜利石油管理局钻井工艺研究院对“PDC钻头的稳定性技术”进行了较多研究,在对影响PDC钻头稳定性的因素进行大量调研及分析。

　　现场应用中,有许多PDC钻头的钻进性能不理想,进尺少、钻速慢、寿命短,分析其原因主要是由于在钻进过程中PDC钻头发生了某种振动而使PDC钻头不能够稳定工作所致。振动形式主要有三类:回旋振动、扭转振动及轴向振动,本文仅对前两类进行研究。

　　1回旋振动

　　1.1回旋现象

　　钻头回旋是一种横向运动,在井眼直径稍大于钻头直径的情况下由作用在钻头上的侧向力(不平衡力)引起的。侧向力迫使钻头偏离原来井眼中心作横向移动,将钻头推向井壁,从而使钻头瞬时旋转中心不再是钻头几何中心。此时,钻头瞬时旋转中心可能位于钻头几何中心与原井眼中心之间称正向回旋;可能位于钻头几何中心与井壁之间称反向回旋。事实上多数情况下钻头回旋属于瞬时旋转中心位于钻头保径部位的反向回旋。而此种回旋恰恰是引起钻头振动程度最为严重的情况。在这种情况下,钻头与井壁间的作用就类似于一组内行星齿轮机构,钻头的瞬时旋转中心是位于钻头与井壁的接触部位。此时钻头既有自转又有与自转相反的公转。

　　1.2回旋振动的危害

　　正向回旋,由于钻头瞬时旋转中心离原井眼中心较近,多数PDC切削齿的运动状态与受力状态属于正常,因而危害不大。以下仅讲反向回旋且主要指常常发生的瞬时旋转中心为钻头保径处的情况,简称回旋。钻头发生回旋时,钻头设计的最基本前提钻头的几何中心是钻头的旋转中心不再成立,因而钻头的几何结构、PDC切削齿的布置变得不合理。回旋运动改变了PDC切削齿的工作状态,切削齿有时正向运动,有时侧向运动,有时反向运动,每个PDC切削齿都承受着很大的冲击载荷。

　　PDC切削齿的运动速度和方向无时不在变化,尤其是每时每刻总有部分PDC切削齿的切向运动速度与设计要求的方向相反,这叫瞬时局部反向旋转现象,对PDC切削齿的破坏特别严重。

　　反向旋转的危害极大,是由于PDC切削齿的承载特点所决定的。PDC切削齿的结构和自锐特点只允许它承受来自正面的载荷,对来自侧面和反面的载荷的承受能力很弱。反向旋转切削力主要作用在自锐出露的金刚石层反面上,正面无任何支撑,即使在较小载荷、作用时间较短的情况下,切削齿的金刚石层也会遭到严重破坏。

　　1.3影响钻头回旋的因素

　　1)钻头结构。一般来说,促使钻头产生横向运动的任何因素都能增加钻头回旋倾向。钻头切削不平衡力愈大,冠高系数愈大或外锥愈长,保径部位愈粗糙,则愈易发生回旋。

　　2)岩石性能。在软地层中钻进速度较快,没有足够的时间使井径扩大,因而钻头回旋不易发生。相反,由于某种原因,如钻较硬地层,机械钻速就较慢,钻头就有可能发生回旋。易引起钻头泥包的粘性地层可减小回旋倾向。不太软的松散地层通常最糟,因为它极易引起井径扩大,所以很易导致钻头回旋的发生。

　　3)操作参数。转速愈高,离心力愈大,钻头愈易发生回旋或回旋不易停止。钻压愈小,越易发生回旋,因为相对不平衡力增大。

　　2扭转振动

　　2.1扭转振动现象

　　引起PDC钻头扭转振动的原因主要有两个,其一是PDC钻头切削齿对地层的切削作用使钻头及钻柱承受扭转力,这个扭转力达到一定值时可导致钻头发生扭转振动;其二是井底钻具与井壁的接触,它们之间存在着一个摩擦力,当这个摩擦力达到一定大的数值时,就会导致钻柱扭转振动,从而引起PDC钻头发生扭转振动。当发生扭转振动时,钻头会发生卡滑现象。这种卡滑现象类似于单自由度扭振系统的有阻尼受迫振动,在钻头(或井底钻具)停止转动而处于静止阶段时,钻具在转盘驱动下发生扭转变形,当变形到钻具施加到钻头(或井底钻具)的扭转力克服了切削扭矩(或摩擦扭矩)时,钻头突然开始运动。转速迅速增大,最大时可以达到转盘转速的许多倍,随后逐渐降低,而最后阶段甚至会产生钻头反向旋转。这种扭转振动(卡滑)现象反映在钻台上就是我们常说的蹩钻现象。

　　2.2扭转振动的危害

　　发生扭转振动时,钻头会发生卡滑现象,导致钻头转速时大时小,甚至静止不动,或反向旋转。这样就会使PDC切削齿承受很大的冲击载荷,加速切削齿的磨损甚至引起金刚石层脱落,尤其是钻头反向旋转更容易导致PDC金刚石层的碎裂或脱落。由于钻头或井底钻具发生扭转振动时,钻柱承受着循环交变载荷,所以很易引起钻具疲劳破坏。

　　2.3影响扭转振动的因素

　　 研究证明,在钻头布齿密度大、钻头已磨钝、地层较硬、泥饼摩擦系数大、水敏地层、高钻压低转速情况下,钻头容易发生扭转振动。钻头布齿密度大,要想取得同样快的机械钻速,必须加更大的钻压,这样一是增大了切削齿与岩石间的摩擦力,二是更易使BHA靠近井壁,因而容易引起扭转振动。水敏地层或泥饼摩擦系数大,加大了BHA与井壁间的摩擦力,所以易引起扭转振动。在PDC切削齿吃入地层相同深度的情况下,地层越硬,钻头切削扭矩就越大,所以越易引起扭转振动。PDC钻头的一个固有特性是随着转速的增大而扭矩减小。对于磨钝了的PDC钻头,这个特性更为明显。这是因为锋利的PDC钻头以剪切方式破岩,岩屑的排出方便迅速,而磨钝了的PDC钻头部分地以挤压方式破岩,岩屑不易清除,因而扭矩增大,若转速增大,岩屑清除速度加快,因而扭矩就会减小。也就是说“井底岩屑不能及时清除”是引起“扭矩随转速增大而减小”这一PDC钻头特性的根本原因。这也说明,磨钝了的PDC钻头在低转速条件下容易引起扭转振动。