PDC钻头孔底碎岩过程-工程钻探技术

6.5.2.1　PDC切削刃的受力分析

一般认为，PDC钻头在弹-塑性岩石中的破岩机理与孕镶金刚石钻头有着本质区别。PDC钻头破碎岩石的方式是以切削（剪切）破碎为主，挤压破碎为辅。

根据金属切削理论，单个PDC片在有一定吃入量的情况下切削破碎岩石时的受力如图6-37所示。其中，Pym、Pxm为施加在单个PDC片上的轴向载荷和切向力；Pn、Ps为PDC片切入岩石部分前端面对岩石的压持作用力和与岩石的摩擦力；Pb、Pt为PDC片底端所受岩石的反力和与岩石的摩擦力。可以写出下述方程：

图6-37　有一定吃入量的单个复合片切削破碎岩石时的受力示意图

式中：f——切削具与岩石间的摩擦系数，一般f=0.3～0.4；

φ——切削具与岩石间的摩擦角，（°）；

k——切削力系数，一般与切入深度、切削面积和切削角等因素有关；

m——参与工作的切削刃数量。

切削刃破碎岩石的条件为：

式中：σc——岩石的极限抗压强度，由于在这里是切削具局部吃入岩石表面，更符合压入硬度的概念，所以可用压入硬度Hy来替代它，MPa；

Sa——切削刃前端面与岩石间的压持面积，mm2；

R——圆形复合片的半径，mm；

γ——复合片的安装角度，（°）；

h——单个切削刃切入岩石的深度，（mm），h=H/m，H为每转给进量。

由式（6-23）～式（6-26），可确定金刚石切削具前表面使岩石变形和破碎所需的切向力：

据式（6-28），可确定回转切削型PDC钻头的机械钻速：

式中：n——转速，r/min；

B——动载系数。

可见，影响切削刃机械钻速的因素有：复合片的尺寸结构（切削刃的尺寸R和负斜镶安装角度γ）；岩石性质（岩石的压入硬度Hy、研磨性和弹-塑性等）和钻进规程（主要指钻压Py和转速n）。

式（6-28）表明：岩石的压入硬度越大，复合片的尺寸和安装角越大，轴向载荷（切入深度）越大，则所需的切向力Px越大。所以，在岩石较硬的情况下不宜盲目追求大直径复合片、较大的负斜镶安装角和增大轴向载荷（切入深度）。(www.xing528.com)

式（6-29）表明：轴向载荷Py和转速n越大，岩石的压入硬度和复合片尺寸越小，机械钻速将显著增加。此外，还应考虑切削不均匀、冲击作用和钻杆柱的稳定性等其他因素。

6.5.2.2　PDC钻头的孔底碎岩过程分析

在生产实践中，金刚石-硬质合金复合片不仅可以钻进软—中硬岩石，还可以钻进部分中硬以上的（Ⅶ～Ⅷ级）岩石。PDC钻进不同岩层的工作机理是一个复杂问题。在上述分析切削刃受力情况的基础上，可以对PDC钻头的孔底碎岩过程进行如下定性分析。

1）单片PDC的孔底碎岩过程分析

PDC片在垂直力和水平力共同作用下（图6-38），比压最大处位于前端面刃尖附近（图中圆点处），接触点的压力使岩石内部产生弹性应力和应变并逐渐增大，岩石中的初裂纹也应在此处首先开始萌生并发展。此处会出现3种性质的微裂纹：一是受剪切作用的剪切裂纹，将向自由表面发展；二是受前端面压力作用的压应力裂纹，具有向深部发展的趋势；三是因底部摩擦拉应力产生的张裂纹，有向深部和后侧表面发展的趋势。这3个微裂纹在外载增加的情况下都会迅速发展并分岔。

图6-38　PDC作用下岩石中裂隙发育情况示意图

①—剪切微裂纹；②—压入微裂纹；③—拉伸微裂纹

由于岩石的抗拉和抗剪强度比抗压强度低得多，因此PDC片前端接触岩石的剪切裂纹发育得快些。剪切裂纹分岔后，一部分向表面发展并相互贯穿，有利于岩石产生体积剪切破碎；一部分裂纹向深部发展，由于受深部岩石各向压缩阻力作用而再转向水平向，虽然对当前的破碎没有直接影响，但它与张裂隙一起为后续PDC片破碎岩石准备了预破碎区。可以认为，岩石破碎是在外载下岩石内部裂纹产生、扩展和贯通的过程。

在较软和塑性较明显的地层中，PDC钻进类似于车刀切削金属的连续切削（剪切）破碎过程。复合片切削刃在轴向和水平载荷作用下吃入岩石并前移，当刃前的岩石内某一位置剪应力达到其屈服极限时，岩石开始沿剪切力相等的“初滑移面”产生塑性滑移而实现切削破碎（参见图6-39，其中OA面为滑移面，该面左边代表弹性变形区，右边代表塑性变形区）。这时岩石实质是在挤压过程中以滑移变形方式成为切屑。破碎区的深度和宽度与金刚石复合片的吃入深度和宽度相当。

图6-39　PDC沿滑移面切削破碎软岩石示意图

在中硬及部分硬的、脆性较明显的地层中，PDC钻进的破碎过程是碰撞→多次压碎及小剪切→大剪切的不连续（波动）过程。钻头上的载荷和破碎区的深度和宽度亦是变化的，一般会大于金刚石复合片的吃入深度和宽度。

2）组合PDC的孔底碎岩过程分析

PDC钻进破碎岩石的外载荷不仅取决于岩石性质和单个PDC的几何特性，还取决于多个组合PDC的空间布置特性，因为前面切削刃产生的预破碎区和切槽自由面会极大影响后续PDC片破碎岩石的效果。

如图6-40所示，设岩面上同时作用两个安装距离为D1的PDC，单个PDC作用下岩石的变形及裂纹发育范围为D2，则影响岩石破碎效果的重要因素之一是变形交叉带的性质。

图6-40　组合PDC的孔底碎岩过程示意图

若D1＜D2，则两变形带相交，变形发展相互关联。这样，两相邻PDC之间区域A在多数情况下可以被破碎。当作用于PDC的载荷进一步增大时，区域A的破碎岩石被挤出，产生更大的体积破碎。当然，如果两个PDC过于接近，区域A中的岩石受到扩大的各向压缩作用，可能使得岩石破碎反而更加困难。

若D1＞D2，两变形带不相交，变形发展相互关联微弱，不利于形成体积破碎，但前面切削具产生的裂纹可为后续PDC破碎岩石提供良好的预破碎作用。

可见，钻头上两相邻PDC布置过密或过疏都不利于产生良好的岩石破碎效果。