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PDC钻头使用技巧-《工程钻探与取样技术》

更新时间:2025-01-17 工作计划 版权反馈
【摘要】:为了进一步提高PDC钻进的技术经济指标,用户在工程实践中还应注意以下PDC钻头的使用问题。1)PDC钻头的磨损特性图7-10表明,负斜镶的PDC片磨损后对钻探指标将产生显著影响。随着复合片损坏钻速急剧下降,单位体积破碎功耗增长,表明PDC片的磨损对钻头工作性能存在着实质性影响。事实上,合理的PDC片数量和排列方式将直接影响钻进速度和钻头寿命。关于PDC片的排列布置问题,主要应考虑切削槽状态和孔底岩石重复破碎对钻进效果的影响。

PDC钻头适用于软—中硬的大段均质岩层(含部分中硬以上Ⅶ~Ⅷ级岩层),不适合钻软硬交错地层、砾石层和裂隙性岩层。与牙轮钻头相比,PDC钻头宜采用低钻压、高转速钻进,由于PDC钻头无任何活动部件,更适合高转速的涡轮钻进。新钻头下井前孔底要清洁,先用小钻压和低转速磨合孔底。为了进一步提高PDC钻进的技术经济指标,用户在工程实践中还应注意以下PDC钻头的使用问题。

1)PDC钻头的磨损特性

图7-10表明,负斜镶的PDC片磨损后对钻探指标将产生显著影响。为了验证该结论,曾安排PDC钻头在恒定钻进规程下钻进辉长岩的试验:轴向载荷5.0kN、转速125r/min。试验结果见图7-11。

初始状态(当复合片还尖锐时)钻头表现出很高的机械钻速(将近4m/h),单位体积破碎功也不大(一般在0.6kN·m/cm3)。但是随着切削具被磨损,机械钻速度降至原先的1/3,而单位体积破碎功增至1.5~1.7kN·m/cm3。此后,钻进指标稳定在该水平直至复合片损坏为止。随着复合片损坏钻速急剧下降,单位体积破碎功耗增长,表明PDC片的磨损对钻头工作性能存在着实质性影响。为了提高已磨钝钻头的效率必须增大轴向载荷。

同时还应看到,当复合片钻头处于稳定工作期时(例如图7-11横坐标中从进尺4m至10m的阶段),它必然伴有切削刃自磨锐过程的特征。

俄罗斯学者在研究切削具磨损与摩擦路径的关系时,曾把它分为3个区域(图7-12),其中:I区——强烈磨损区,在这个时段切削具端部被磨成平面,这时接触面上压力被平均分配;Ⅱ区——稳定磨损区,这时磨损与路径的关系是线性的,切削具产生磨蚀磨损,接触压力恒定或缓慢地接近一个定值;Ⅲ区——疲劳磨损或热磨损区,这时磨损面上出现特别高的温度,如果磨损面积很大则磨损强度急剧增强并形成裂纹网,这时钻进过程已进入临界规程,这是不允许的。应选择合理的规程以保证复合片切削具中的硬质合金部分被磨掉,使金刚石能保证自锐,从而减小磨钝的面积。

图7-10 复合片在恒定轴载Py作用下切入岩石示意图

(a)—尖锐复合片情况;(b)—磨钝复合片情况

对比图7-11和图7-12可以看出,和硬质合金钻头一样,使用复合片钻头时必须尽量使钻进过程稳定在I区~Ⅱ区,并尽量延长其持续的时间。在钻压Py和转速n恒定的规程下,当工具工作在Ⅱ区时(自锐状态),由于接触面积稳定将导致机械钻速稳定。(www.xing528.com)

图7-11 机械钻速Vm和体积破碎功At与钻头

磨损的关系(辉长岩P=5.0kN,n=125r/min)

图7-12 切削具磨损与切削路径的关系

2)PDC片的数量和排列

在前文曾分析PDC片的切入角、扭转角影响。事实上,合理的PDC片数量和排列方式将直接影响钻进速度和钻头寿命。

钻头上PDC复合片数量越多,将使得分配在每个PDC上的载荷减少,影响孔底破碎岩石的效果。使用者应根据式(7-23)和钻杆柱所能提供的钻压大小,在钻头端面载荷均匀分布,并使相邻PDC之间具有合理距离(即发挥组合切削具预破碎区的作用)的基础上,尽量减少钻头上布置的PDC片数量。

关于PDC片的排列布置问题,主要应考虑切削槽状态和孔底岩石重复破碎对钻进效果的影响。当钻头上各PDC片都布置在同半径上(成单环排列)时[图7-13(a)],孔底破碎槽呈封闭式[图7-13(c)]。这时切削具与岩石接触的周长最大,摩擦功和能耗最大。当PDC布置在不同半径位置处,即PDC错开布置时[图7-13(b)],PDC片端面仅被覆盖一部分,相邻两个PDC片的切削槽相互重复一部分,形成半封闭式工作环境[图7-13(d)],从而可在环形孔底为岩石破碎提供自由面,使接触面、摩擦功和能耗都较小,而钻进效率提高。生产实践中曾出现在相近条件下(每片PDC的钻压和线速度基本相同)PDC绳索取心钻头比PDC单管钻头钻效高的情况,就是复合片在钻头上的排列方式及其形成的孔底封闭状态不同所致。因为绳索取心钻头壁厚,PDC片可以分环布置,其处于半封闭状态,接触岩石的面积较小,而排粉条件更好。

图7-13 复合片在钻头上的排列方式及其形成的孔底封闭状态示意图

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