高研磨性地层异形加长齿pdc钻头研发及应用

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1、*高研磨性地层异形加长齿PDC钻头研发及应用1112王希勇朱礼平胡大梁杨迎新（1中国石油化工股份有限公司西南油气分公司工程技术研究院四川德阳6180002西南石油大学机电工程学院四川成都610500）摘要：从钻头齿形设计、布齿结构、复合片加工、钻头制造、检测等一系列关键技术出发，设计并制造了异形加长齿PDC钻头，通过现场应用表明，该新型钻头能突破高研磨、强非均质性地层PDC钻头的应用禁区，在行程进尺和机械钻速方面，与国外优质钻头性能相当，具有较高地推广应用前景。关键词：陆相地层异形加长齿椭圆齿高研磨性复合片四川地区须家河组地层埋藏深（30

2、00m~5000m），地层厚（500~2000m），尤其是在川西地区，须家河组地层占据全井段三分之一以上，深井钻井提速的关键就在于须家河组地层的钻井提速。通过多年来的持续攻关研究，须家河组钻井提速有了较大进度，但提速效果不明显，分析原因主要在于：现有提速破岩工具在须家河组，尤其是须家河组三段及须家河组二段，不能完全适应工程地质的需要，没有专门针对这类地层的个性化钻头设计。据此，在常规PDC钻头设计理念基础上，提出了一种新型PDC钻头，并在川西须家河组三段应用取得突破。一、异形加长PDC齿设计、分析及检测技术中石化西南油气田新场区块须家河组

3、三段地层抗压强度高、研磨性强，具有较强非均质性。实钻过程中钻至3该地层时钻井液密度已经达到2.20~2.30g/cm。常规PDC钻头在这种恶劣条件下的应用效果很不理想。通过对部分已使用PDC钻头的布齿结构及磨损分析，提出了异形加长齿新技术。1.异形加长PDC齿轮廓设计常规PDC钻头切削齿主要为圆形PDC齿，通过对常规圆形切削齿分析发现，将复合片加工成具有长轴和短轴的椭圆形PDC齿，其横向尺寸/纵向尺寸达到0.65~0.70，且齿的有效工作长度增加了45%，图1为常规圆形PDC图1圆形PDC齿和椭圆形PDC轮廓线齿和椭圆形PDC齿轮廓线示意

4、图。2.异形加长PDC齿的加工由于复合片制造企业生产的PDC齿均为圆形齿，因此，异形加长PDC齿只能通过对大尺寸圆形复合片做二次加工获得。常规复合片直径大小一般为Φ8mm、Φ13mm、Φ16mm、Φ19mm和Φ27mm等系列，根据川西新场区块须家河组三段地层特点，加工出了Φ19mm和Φ13mm两种异形加长齿复合片。图2为加工出的两种异形加长齿复合片示意图。3.异形加长PDC齿有限元分析图2加工出的两种异形加长齿复合片通过对异形加长PDC齿与常规圆形PDC的有限元对比分析，深入剖析了异形加长齿破岩机理。*国家科技重大专项课题“低渗气藏特殊复

5、杂地层高效钻井关键技术”（2008ZX05022-005）“十一五”部分研究成果。王希勇，1974年生，男，博士，高级工程师，1998年毕业于西南石油大学石油工程专业；从事钻井技术研究和科研管理工作。地址:(618000)四川省德阳市龙泉山北路298号。电话:(0838)2550385。E-mail:wxyong131@163.com14000（1）切削齿直径对切削力的影响35003000切削齿直径变大时，所需钻压和扭矩增大。25008.00mm齿在相同工作条件下，小齿比大齿更容易切入岩200013.44mm齿19.05mm齿石。这是因为

6、小直径齿切削刃曲率高，能够在岩1500切削力（N）1000石的接触区域形成更高的接触应力，容易使岩石500发生变形破坏。图3为不同直径复合片切削力变0化示意图。0.00270.00320.00370.00420.00470.0052切削时间（s）（2）不同齿前角时Mises应力场分析图3不同直径时切削力的变化PDC齿切削岩石时，在破碎岩石体积相同的条件下，齿上的应力越小越好，而同时岩石上的应力越大越好，这样对切削破岩最有利。通过对椭圆形PDC齿和圆形PDC齿Mises应力场的有限元分析，得出在不同齿前角时两种齿最大Mises应力场数值，见

7、表1。表1切削齿最大Mises有效应力齿前角齿形15°17.5°20°22.5°25°椭圆形PDC齿1.1741.391.2652.0021.137圆形PDC齿2.0911.9453.1552.6592.032从表1中可以得知，在以齿前角从15º~25º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，这说明在切削过程中塑性岩石破碎对PDC齿冲击致使PDC某个局部应力值瞬时达到最大。但从总体上看，齿前角在15º~25º范围内，椭圆形PDC齿最大Mises应力平均值为139.36MP

8、a，小于圆形PDC齿最大Mises应力平均值237.64MPa，降低幅度为98.28MPa，相对于圆形PDC齿应力下降幅度为41.36％。换句话说，在切削等体积岩石时，椭圆形PDC齿局部最大应