凸棱非平面聚晶金剛石齒的破巖機理及在含礫 地層中的應用

陳煉 魏小虎 曹強 周巖 楊迎新 胡川 趙志杰 伍彬

摘要 ：為提高聚晶金剛石復合片（PDC）鉆頭在含礫、軟硬交錯等不均質地層中的抗沖擊性能，開展了凸棱非平面PDC齒的研究。通過仿真和室內實驗對比分析了凸棱非平面齒與常規平面齒的破巖機理。與平面齒相比，凸棱非平面齒與巖石的接觸應力分布更均勻，切削破巖過程中的載荷波動幅度明顯更小，切削穩定性更高。凸棱齒特殊的非平面結構改變了切削齒與巖石的互作用方式，在不均質地層得到成功應用。

關鍵詞 ：非平面聚晶金剛石齒；含礫地層；破巖機理；沖擊損壞

中圖分類號 ：TE242

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.022

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Mechanism of Rock Breaking by Convex Non-planar PDC Cutter and Its

Applications in Gravel-bearing Formation

CHEN Lian 1 WEI Xiaohu 1 CAO Qiang 1 ZHOU Yan 2 YANG Yingxin 1 HU Chuan 1

ZHAO Zhijie 1 WU Bin 1

1.School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，610500

2.Drilling and Production Technology Research Institute of China Petroleum Jidong Oilfield Branch，

Tangshan，Hebei，063000

Abstract ： A study of convex non-planar PDC cutter was conducted to improve the impact resistance of PDC bits in gravel-bearing， soft-hard interlaced， and other inhomogeneous formations. By comparing simulation and laboratory experiments， the mechanism of rock breaking between convex non-planar cutter and conventional planar cutter was investigated. Compared to planar cutter， the contact stress generated by cutting rock with convex non-planar cutter is more uniform on the cutter， the load fluctuation during the cutting processes is significantly smaller， and the cutting stability is higher. The special non-planar structure of the cutter changes the interaction mode between the cutting cutter and the rock， and is successfully applied in heterogeneous formations.

Key words ： non-planar polycrystalline diamond compact（PDC） gear teeth bit； gravel-bearing formation； mechanism of rock breaking； impact damage

0 引言

油氣鉆井中，聚晶金剛石復合片（polycrystalline diamond compact，PDC）鉆頭的進尺量已超過90%，成為最主要的鉆井破巖工具 ?［1-2］ 。PDC鉆頭在軟到中硬地層特別是較均質地層中的鉆速高、壽命長，但對地層巖性和使用條件較敏感，在硬地層、研磨性地層中使用壽命短。在高強度的含礫不均質地層中，PDC齒易發生先期沖擊損壞，導致鉆頭壽命急劇縮短 ?［3］ 。平面齒PDC鉆頭的弊端明顯，在鉆進含礫、軟硬交錯等不均質地層時，其較差的抗沖擊性能導致鉆速低、進尺短的問題尤為突出 ?［4］ 。

含礫極不均質地層的主要特點是含硬顆粒，顆粒間的膠結質與硬顆粒的強度差異極大，地層巖性極不均質，給PDC鉆頭帶來嚴峻挑戰 ?［5-6］ 。新疆油田八道灣組底礫巖和新疆庫車山前巨厚礫石等地層的礫石含量高，且礫巖硬度高、粒徑大，巖性不均質性極強，PDC鉆頭鉆進時，切削齒所受沖擊大 ?［7-8］ ，易使鉆頭發生崩齒、斷刃、掏心、環切等早期失效，導致PDC鉆頭壽命短、進尺短、趟鉆多、鉆井效率低、成本高。鉆進此類地層時，PDC鉆頭早期失效普遍，往往改用牙輪鉆頭鉆進，但牙輪鉆頭受軸承密封系統使用壽命的限制，起下鉆頻繁，無法有效解決鉆井效率低的難題。因此，提高PDC齒的抗沖性能是解決鉆頭在該類地層使用壽命短、單趟進尺短的有效途徑之一。

為提高PDC鉆頭在含礫等極不均質地層中的適應性，學者在鉆頭布齒設計 ?［9-12］ 、輔助切削結構設計 ?［13-14］ 、齒型結構改進 ?［15-17］ 等方面開展了諸多嘗試。由于含礫地層巖性的不均質和硬顆粒帶來的沖擊，鉆頭布齒優化和輔助結構設計等切削結構的改進不能從根本上改變PDC鉆頭在不均質地層中受局部不均衡沖擊的工況，因此效果有限。應用非平面齒是提高鉆頭切削齒抗沖擊能力的有效手段，并已提出多種不同結構的非平面PDC齒，如屋脊齒 ?［18-19］ （又稱斧形齒）、三棱齒 ?［20-21］ （如奔馳齒等）、多棱齒、階梯面齒 ?［22］ （如哈里伯頓的4D齒）、環凹齒 ?［23-24］ （Hughes公司的StayCool、ShockWave齒）等，這些齒型的創新和改進提高了PDC鉆頭在不均質地層中的適應性，但在含礫地層中的應用效果仍不盡人意。

筆者針對PDC鉆頭在不均質地層中抗沖擊性差導致壽命短的問題，開展了新型凸棱非平面PDC齒破巖機理的研究，并對應非平面齒PDC鉆頭的開發與應用，找到凸棱非平面PDC齒的破巖力學規律和抗沖原因。

1 ?凸棱非平面PDC齒的刮切破巖仿真模型

建立凸棱非平面PDC齒與平面PDC齒切削均質砂巖、含礫砂巖和軟硬交錯巖石的仿真模型。圖1所示為含礫砂巖與軟硬交錯巖石的簡化仿真模型，其中，含礫砂巖中的硬礫和軟硬交錯巖石中的硬層選用高強度的灰巖（模型中的深色部分），軟巖選用強度低的砂巖（模型中的淺色部分）；含礫巖石模型的含礫量為33.3%，礫石隨機分布；軟硬交錯巖石模型的硬層灰巖占比為33.3%，軟層砂巖占比為66.7%。

1.1 建模假設

PDC齒的實際破巖環境較復雜，為簡化模型與參數的定義，對仿真模型作以下假設 ?［25-27］ ：①忽略巖石孔隙和紋理對破巖過程的影響；②忽略鉆井液與圍壓對破巖過程的影響；③忽略切削過程中的切削齒溫度變化對破巖過程的影響；④不考慮切削齒的磨損。

1.2 模型參數設置

單齒刮切巖石模型中，切削齒直徑 D 為 15.88 mm， 凸棱非平面齒的脊高 h 為0.8 mm，脊背夾角 α 為145°，脊背圓角半徑 r 為2 mm（圖2）。凸棱非平面齒與平面齒的仿真模型如圖3所示，模型選取0.25 mm的C3D8R單元進行網格劃分。巖石模型依照圣維南原理取為50 mm×50 mm×20 mm的長方體，并選擇C3D8R單元進行網格劃分。為提高仿真結果的準確度與計算效率，對巖石切削區域進行局部網格細化。巖石本構關系選擇Drucker-Prager準則 ?［28-29］ 。實際巖層的軟硬交錯情況復雜，為簡化仿真模型，灰巖與砂巖各取4列并按“硬 軟”交錯布置。模型中，灰巖的縱向（垂直于布置方向、平行于切削方向）寬度分別為5，3，4，5 mm，砂巖的縱向寬度（間隔）分別為6，7，10，10 mm。切削齒和巖石模型的相關材料參數如表1所示。

仿真中，設定PDC齒的前傾角為15°，切入巖石深度為2 mm，切削速度為250 mm/s。不均質巖石模型仿真中的切削方向垂直于巖石軟硬交錯布置方向，對巖石的非切削區域施加全約束。

2 刮切破巖仿真結果分析

2.1 PDC齒破巖機理分析

圖4所示為兩種PDC齒切削巖石時，巖石在不同時刻的Mises應力分布圖，可以看出，平面齒在破碎巖石時，應力集中區域為切削齒邊緣處，說明平面齒的齒面對巖石形成擠壓，齒刃邊緣與巖石作用產生較大的應力，平面齒對巖石產生擠壓和剪切作用；凸棱齒破碎巖石時，巖石的應力集中區域為切削齒的中間部分即凸棱齒的凸脊，說明凸棱齒主要依靠凸脊結構與巖石作用 產生較大的點載荷 ?［30］ ，從而在巖石上產生小范圍破碎，以吃入 巖石。

圖5所示為巖石在切削全過程的最大塑性主應變云圖，圖6所示為巖石在切削全過程的塑性剪應變云圖，圖中的紅色與橙色區域為PDC齒切削過程中巖石發生較大塑性變形的區域。由圖5a、圖6a可以看出，平面PDC齒刮切巖石區域存在較大的塑性變形且呈條狀分布（平行于齒面），被切削巖石發生塑性剪應變的區域為切削齒邊緣。這說明平面PDC齒破巖主要是依靠向與切削齒接觸的巖石施加壓應力，通過切削齒邊緣的剪切力剪切、擠壓破碎巖石。觀察圖5b、圖6b可以看到，被切削巖石發生較大塑性拉應變的區域為凸棱齒凸脊結構的兩側，同時被切削巖石還在凸脊結構的兩側存在相反方向的塑性剪應變，剪切變形發生在整個巖石的刮切區域。這說明凸棱齒在依靠其表面凸脊結構擠壓巖石產生點載荷侵入巖石后，凸脊結構繼續擠劈（拉）巖石，使被刮切區域巖石在切削齒凸脊結構兩側發生拉剪變形，最終在拉剪綜合作用下使巖石破碎。

2.2 PDC齒受力情況分析

圖7所示為PDC齒切削巖石時切削齒的接觸應力分布，可以發現，切削齒的接觸應力只出現在與巖石接觸的區域，且凸棱非平面PDC齒的接觸應力分布范圍更廣；平面PDC齒的接觸應力主要分布在切削齒的齒刃邊緣，凸棱非平面PDC齒的接觸應力主要分布在切削齒的凸脊兩側及齒刃邊緣，并在切削齒的凸脊出現應力集中。這與兩種切削齒破巖機理的分析結果一致，進一步說明平面PDC齒主要通過剪切、擠壓破碎巖石，凸棱非平面PDC齒主要依靠切削齒上的凸脊結構擠劈、剪切破碎巖石。

圖8所示為兩種PDC齒切削不同巖石時切削齒所受切向力隨時間的變化曲線。

在3種巖石中，兩種切削齒的切向力都隨時間發生明顯波動，但不同巖性導致切向力曲線變化不同。均質的砂巖中，平面齒和凸棱齒的切向力均周期性波動，且波動頻率較低。含礫砂巖中，平面齒和凸棱齒的切向力也周期性波動，但波動頻率明顯高于均質砂巖。 軟硬交錯巖石中，平面齒和凸棱齒的切向力周期性波動，但波動頻率在均質砂巖和含礫砂巖之間；切削齒切到軟巖時，切削載荷整體明顯下降，切到硬巖時，整體載荷會明顯升高。切削過程中，隨巖性的軟硬變化，切削力曲線呈大周期性升降波動。切向力在切削過程中周期性波動的原因是，切削開始時，在巖石內聚力作用下，切削齒的切向力逐漸增大；達到并將超過內聚力時，巖石發生崩損，切削力達到峰值；之后，切削齒與崩損后的巖石接觸區域驟減，切削力迅速減小，直到再次與未破碎的巖石接觸，切向力再次迅速增大，如此反復。

切削齒的不同形狀導致切向力曲線波動幅度明顯不同，三種巖性中，凸棱齒的波動幅度明顯小于平面齒的波動幅度，且凸棱齒的切削過程更平穩。因此，凸棱齒破巖時的切削穩定性更強，在破巖過程中所受的沖擊更小，即凸棱結構能明顯減小切削齒的沖擊，減少或避免切削齒沖擊失效。

圖9、圖10所示分別為PDC齒切削地層時切向力的平均值及均方差。由圖9可以看出，在常規砂巖和含礫巖石中，凸棱齒的切向力平均值均比平面齒的??；在軟硬交錯巖石中，凸棱齒的切向力平均值比平面齒的大。這是由于軟硬交錯巖石中的軟巖與常規砂巖的強度一樣，而硬巖比常規砂巖的強度高，含礫巖石中雖有硬巖顆粒，但硬顆粒所占量的比例較低（約33%）。由圖10可知，凸棱齒切削不同巖石的切向力均方差均比平面齒的小，這與切削力曲線的分析結果一致，即凸棱齒在切削過程中的切削力波動幅度較平面齒小，切削過程的沖擊振動也小。切削齒在切削過程中承受的切向力越小，巖石越容易破碎，切削齒所需輸出的能量也越小。由于凸棱齒切削不同巖石的切向力均方差均比平面齒的小，所以凸棱齒在切削多數地層時所需的能量較平面齒小。

進一步比較兩種切削齒切削不同地層時切向力的極差，由圖11可知， 平面齒在不同巖性下的切向力變化范圍都明顯要比凸棱齒的大，說明平面齒在切削過程中，特別是在切削非均質地層時，瞬時切向力的增大、減小幅度都較凸棱齒大。大幅度的切削載荷波動對切削齒造成的沖擊更大，易造成切削齒的沖擊損壞。

3 凸棱非平面PDC齒的刮切破巖實驗

3.1 實驗方案

單齒切削巖石試驗裝置由刨床和測試系統組成，其中，測試系統由PDC齒、夾持裝置和配套傳感器等組成，如圖12所示。實驗巖樣為砂巖（力學參數見表1），選用的常規平面PDC齒與凸棱非平面PDC齒（圖13）的直徑均為15.88 mm。實驗前，對被刮切巖石表面進行預平整，PDC的切削前傾角為15°，切削速度為250 mm/s，切入深度為2 mm。

3.2 實驗結果分析

PDC齒刮切巖樣時，切向力隨時間的變化曲線以及切向力平均值、均方差和極差如圖14所示，可知，凸棱齒的切向力平均值明顯小于平面齒，切向力的均方差及極差也較平面齒的小，與仿真模擬分析結果的趨勢一致，說明在切削過程中，凸棱齒比平面齒的切削平穩性好，沖擊更小，遭受瞬時大載荷沖擊的可能性更低。

綜合分析實驗及仿真模擬結果可知：相同巖石中，凸棱非平面齒的切向力均值比平面齒的小，在鉆進過程中，其被沖擊損壞的可能性較平面齒低，抗沖擊性能更強，使用壽命更長；凸棱齒切向力的波動幅度及瞬時最大切向力，在均質地層和非均質地層中都要較平面齒小，切削巖石產生的接觸應力分布也更均勻，在鉆進過程中受到的沖擊振動更小。因此，采用凸棱齒能降低PDC鉆頭鉆進工作時的黏滑振動，鉆頭切削破巖過程的穩定性更高，并能減少鉆頭沖擊損壞，提高鉆頭持續鉆進能力，延長鉆頭使用壽命。

4 凸棱非平面PDC齒的現場應用

4.1 工程問題與鉆頭開發

以上研究表明，凸棱齒特殊的非平面凸棱結構能改變切削齒與巖石的互作用方式，明顯減小切削載荷波動幅度和切削齒破巖沖擊，提高切削破巖的平穩性。凸棱齒在含礫等不均質地層中所受的工作沖擊明顯小于平面齒，有利于提高切削齒的抗沖擊能力，提高切削齒在不均質地層中的適應性和使用壽命。

新疆油田瑪湖區域的侏羅系八道灣組底礫巖的粒徑一般為20～50 mm，最大為100 mm，膠結致密，層厚度約為150～300 m，且地層極不均質，沖擊性極強，PDC鉆頭不能適應，難以穿過。鉆遇底礫巖層段時，往往會因沖擊崩齒導致鉆頭環切、掏心等嚴重失效（圖15）。八道灣組底礫巖導致的起下鉆多，鉆井速度慢，一直是該層段鉆井提速的“攔路虎”。

針對含礫不均質地層開發了凸棱齒PDC鉆頭（圖16），該鉆頭的主切削齒采用凸棱非平面PDC齒。凸棱齒PDC鉆頭為5刀翼（3長刀翼+2短刀翼）中淺內錐、中長外錐的結構，鉆頭攻擊性較強，以適應長可鉆性好井段的快速鉆進，

并在穿過底礫巖段后能有較強的攻擊性繼續高效鉆進下部的可鉆性好井段。鉆頭外錐部設置后排齒，雙排齒結構提高了鉆頭外部的持續抗沖能力和耐磨性，確保外部前排切削齒在沖擊損壞后仍有一定的主動切削性能，保持鉆頭持續鉆進的能力，延長使用壽命。

4.2 凸棱齒鉆頭現場應用

凸棱齒PDC鉆頭XZ519PD用于艾湖區塊的3口井，3只鉆頭都鉆穿了八道灣組底礫巖。表2所示為3只凸棱齒PDC鉆頭的基本鉆進情況。圖17所示為AH-C井的凸棱齒PDC鉆頭出井照片，該鉆頭在鉆穿八道灣組底礫巖后仍有良好的 鉆進能力，并一趟鉆鉆完整個二開井段。開發的

3只凸棱齒PDC鉆頭鉆穿八道灣組底礫巖的概率達到100%，并有2只鉆頭實現了二開一趟鉆。凸棱齒的應用大大提高了PDC鉆頭的抗沖擊性能，能很好適應八道灣組底礫巖極不均質地層的鉆進，有效減少了起下鉆趟次，節約了鉆井周期和 成本。

5 結論

（1）仿真分析表明，平面PDC齒主要通過剪切、擠壓破碎巖石，凸棱非平面PDC齒主要依靠切削齒上的凸脊結構擠劈、剪切破碎巖石。凸棱非平面齒切削破巖過程中的載荷波動幅度明顯小于平面齒，切削穩定性較平面齒更好。

（2）凸棱齒的非平面凸棱結構改變了切削齒與巖石的互作用方式。與平面齒相比，凸棱非平面齒與巖石的接觸應力分布更均勻，凸棱非平面齒的抗沖擊性能強于平面齒，在鉆進過程中受到的沖擊振動更小。因此，采用凸棱齒能減小PDC鉆頭鉆進工作時的黏滑振動，鉆頭切削破巖過程的穩定性更好，能減少鉆頭沖擊損壞，提高鉆頭持續鉆進能力和使用壽命。

（3）現場應用表明，凸棱非平面齒能大大提高PDC鉆頭的抗沖擊性能，以及在含礫等極不均質地層的適應性和鉆進性能，有效減少起下鉆趟次，節約鉆井周期和成本。

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（ 編輯 張 洋 ）

作者簡介 ：

陳 煉 ，男，1981年生，副研究員。研究方向為油氣鉆頭、鉆井工具、巖石破碎學及其成果轉化。發表論文30余篇。E-mail：chenlian8121@sina.com。