非平面齿PDC钻头研制与应用

72

长庆油田刘家沟组地层普遍均质性差，地层岩性为棕红色泥岩夹灰色砂岩。该地层软硬交错且研磨性强，要求钻头有较好的抗冲击能力和抗磨损能力。虽然前期通过优化现有的钻头设计，起到了一定效果。但整体提速效果不明显，分析原因主要在于：刘家沟组地层软硬交错，夹层多且岩性致密。现有的钻头在钻进该层位时易早期造成崩齿和磨损失效。据此，在现有PDC钻头设计理念基础上，提出了一种新型PDC钻头设计概念，并在刘家沟组地层应用取得突破。

1 新型非平面齿设计分析

针对长庆油田刘家沟组地层均质性差、研磨性强的特点，常规平面齿PDC钻头使用效果不佳。通过对部分使用过的平面齿PDC钻头的布齿结构及磨损分析，提出了新型结构非平面齿设计理论。

1.1 非平面齿设计

常规PDC钻头切削齿主要为圆形PDC平面齿，通过对常规圆形平面切削齿分析发现，将复合片加工成两侧对称有一定倾斜角，中间漏出一条屋脊线的结构，使复合片具有更加锋利的切削刃和更厚的金刚石复合层。非平面齿对比常规平面齿具有切削阻力小，使用寿命长，切削效率高的特点。

1.2 非平面齿加工

大部分复合片制造企业生产的均为圆形平面齿。因此，非平面齿只能通过对普通的圆形平面齿做二次加工获得。结合刘家沟组特有的地层岩性和施工方钻进需求，我公司积极研发创新，加工出了φ16mm非平

面齿复合片。图1为加工出来的实物。

图1 φ16mm非平面齿复合片示意图

1.3 非平面齿有限元分析

1.3.1 抗冲击性能力测试

在相同工作条件下，非平面齿更容易切入岩石。这是因为其主要切削部位切削曲率高且接触面积小，在与岩石接触过程中能够形成更高的接触应力，容易使岩石发生变形破坏。通过全新的破岩方式：剪切+挤压，切削刃复合层较平面齿更厚，在满足有更高切削效率的同时，很好地保证了齿切削刃抗冲击性的能力。

通过现场测试，在相同钻进参数、钻进时间下，非平面齿抗冲击能力优于常规平面齿。图2 为同等钻

进条件下齿抗冲击性能对比

平面齿

非平面齿PDC钻头研制与应用

邱睿

中石化江钻石油机械有限公司 湖北 武汉 430000

摘要：长庆油田刘家沟组地层具有岩石致密、砂泥岩互换频繁、研磨性强、可钻性差、石英含量高的特点，常规PDC钻头在此类地层破岩效果不佳，钻头进尺和钻头寿命得不到有效保障。为此，公司自主设计并制造了一种新型PDC钻头——非平面齿PDC钻头，并开展了室内模拟实验和现场入井试验。通过现场应用表明，该新型钻头能突破均质性差和研磨性强地层PDC钻头的应用禁区，在机械钻速和钻头进尺方面，其使用性能能比肩国外优质钻头，具有较高的推广应用前景。

关键词：刘家沟组 非平面齿 均质性差 研磨性强 复合片

Development and application of PDC bit with special-shaped teeth

Qiu Rui

SINOPEC,Jiangzuan Petroleum Mechanical Company ，Wuhan 430000

Abstract：The strata of the Liu Jia Gou formation in Changqing Oilfield have the characteristics of tight rock，frequent sand mudstone exchange，strong abrasiveness，poor drillability and high quartz content. The conventional PDC bit has poor rock breaking effect in this kind of stratum，and the drill bit length and bit life can not be effectively guaranteed. For this reason，our company independently designed and manufactured a new type of PDC bit，the special shaped tooth PDC bit，and carried out indoor simulation experiment and field well test. The field application shows that the new bit can break through the application forbidden zone of high grinding and strong heterogeneous PDC bit. In the aspect of travel length and mechanical drilling speed，the new bit is equivalent to the quality of foreign high quality bit，and has a high prospect of popularization and application.

Keywords：Liu Jia Gou group；Hetero shaped teeth；Strong heterogeneous strata；High abrasiveness；Composite sheet

73

非平面齿

图2 为同等钻进条件下齿抗冲击性能对比

1.3.2 抗磨损性能力测试

分别对非平面齿和平面齿进行标号，在室内进行VTL重载磨损试验。把非平面齿标号为10，其余三类平面齿分别对应标号为1、2和C。通过试验结果显示，在相同材质下，非平面齿抗磨损能力和其热稳定性要

优于平面齿。

图3 

为同等试验条件下齿磨损情况对比

图4 为同等试验条件下齿切削刃温度情况

1.3.3 不同齿后倾角Mises应力场分析

PDC齿切削岩石时，在保证破碎岩石体积相同的情况下，齿上的应力越小越好，同时岩石上的应力越大越好，这样才对切削破岩最有利。通过对比两种不同类型的复合片在不同的后倾角最大Mises 应力场数值，见表1。

表1 切削齿最大Miscs有效应力表

MPa MPa

从上表中可以得知，后倾角从12°～22°切削岩石仿真时，两种齿形在切削仿真过程中Mises有效应力峰值，即最大Mises 有效应力值的出现均具有随机性。说明在切削破碎塑性岩石过程中，在某一点会出现局部应力过大的情况。但不可否认的是，从总体上看，后倾角在12°～22°范围内，非平面PDC齿最大Mises 应力平均值为166.8MPa，小于常规平面齿最大Mises应力平均值233.4MPa，降幅度达到39.92%。换句话说，两种不同齿形，在切削等体积岩石时，非平面齿切削局部最大应力要小于常规平面齿，同时，其所受疲劳应力要比平面齿小。

2 非平面齿钻头研发设计以及制造技术2.1 非平面齿钻头设计

在钻遇硬地层中，常规PDC圆形平面齿布齿设计，为了使钻头提升破岩效率，提高机械钻速。通常情况下都会选择长抛物线型，中等攻击性轮廓线，同时，整体采用低布齿密度，在前期小钻压的情况下，以期获得较高的机速，后期通过加大钻进参数达到理想的机械钻速。

但非平面齿以其独有的优势，在PDC钻头设计中，选择中抛物线型，强攻击性轮廓线，在钻进时形成点攻击，提升钻头的机速。整体采用中布齿密度，在前期小钻压的情况下，获得适当的机速，在保证钻头进尺和寿命的前提下，通过参数控制提高机械钻速。

借助先进的设计分析软件，对比两种不同的布齿方式（1、单一平面齿布置；2.2平面齿和非平面齿混合布置）首轮试验钻头采用混合布齿方式，有望在保证钻头使用寿命的同时获得良好的机械钻速。

通过运用三维设计软件NX5.0，将新设计的非平面齿有效地布置在钻头主要切削部位，即钻头鼻部、肩部位置，旨在最有效地发挥非平面齿抗崩耐磨的优势。在主切削部位，两种不同的齿形搭配使用，构成了新型钻头的主切削结构。

2.2 非平面齿PDC钻头制造

首轮在长庆油田试验的非平面齿PDC钻头采用刚体式结构和制造方法。钻头型号为：215.9m m KS1652ADGRF。考虑到该型钻头是推出的新型钻头，故而在制造过程中面临很多新的问题。这些问题主要包括：①新型PDC复合片的加工；②非平面PDC复合片特殊模具制造；③非平面齿屋脊线定位基准问题；④新型复合片的焊接质量。

在钻头正式加工之前，针对上述问题单独成立专家组，进行了深入细致的实验研究，特别是对新型非平面齿焊接质量进行了检验，以杜绝钻头使用过程中