深部钻进用新型复合片钻头的试验研究

摘要

在地质钻探和石油天然气钻井中，尤其是在深部钻进中复合片钻头得到了广泛的应用，取得了很好的技术经济效果。但是，常常发生复合片非正常磨损甚至损坏的情况，影响了其推广使用。俄罗斯钻探工作者在对其进行深入研究的基础上，提出了使用新一代楔形复合片和圆锥弧形复合片组合，设计出新型结构减振复合片钻头，取得了一定的进展，技术经济效果良好。

关键词

地质钻探; 油气钻井; 复合片钻头; 非正常磨损; 新型复合片; 楔形复合片; 圆锥弧形复合片

0 引言

无论是在地质钻探中，还是在石油天然气钻井中，都是希望尽快达到设计深度，以满足地质和勘探方面的需要。岩心钻探工程则更是要取上岩心，以确定矿产的类型和储量。可见，无论是在地质钻探中，还是在石油天然气钻井中，都要向地下钻进，都要破碎地下的岩石。破碎地下岩石，都要有碎岩工具——钻头。钻头有多种，复合片钻头是近年来发展起来的一种新型钻头，在地质钻探和油气井钻进中，尤其是深部钻进中得到了广泛的应用^【1-9】。

钻进过程是钻头破碎岩石的过程，也是岩石磨损钻头的过程，钻头磨损是不可避免的。在复合片钻头钻进中遇到的一个问题就是常由于复合片的非正常磨损导致复合片乃至钻头报废，给钻井工程带来很大损失，技术经济指标受到严重影响。因此，应对其非正常磨损问题进行研究与讨论，以期得到很好地解决，把复合片钻头的使用更好地推广下去^【7-25】。

1 钻头非正常磨损的类型

常见的钻头磨损情况见图1。复合片磨损类型见图2。为弄清楚复合片磨损的情况，用试验台对其进行了试验，图3为PDC非正常磨损试验台^［9］。

图1  钻头的正常磨损和非正常磨损

Fig.1  Normal and abnormal wear of PDC bits

1—复合片正常磨损；2—复合片在外载作用下，沿着前面产生的非正常磨损；3—复合片在外载作用下，沿着后面产生的非正常磨损

图2  PDC非正常磨损的类型

Fig.2  Types of abnormal wear of PDC cutting elements

图3  PDC非正常磨损试验台示意

Fig.3  Scheme of the test table for testing anormal wear of PDC

PDC切削具非正常磨损试验研究结果见表1^［9］。表2给出了试验得到的PDC切削具非正常磨损及其分布的资料^［9］。

表1  PDC切削具非正常磨损研究结果

Table 1  Research results of abnormal wear of PDC cutting elements

岩石切入深度h/mm	轴载Poc/N	切削力PZ/N	切削速度Vрез/（m·h -1）	横波脉冲速度v/（m·s -1）	机架重锤质量G/kg	非弹性冲击能量ωсж/J	PDC断裂面的面积Sck/mm2	PDC断裂面的压应力ζсж/MPa
1	2040	1.35	245	2.5	25	20	102	125
1.2	2450	1.35	245	3	30	25.5	96	117
1.5	3060	1.35	245	3.76	37.6	31	99	121.3
2	4080	1.35	245	5	50	36.5	111.8	137

注：  坚硬石灰岩强度P_k=960 MPa

表2  PDC切削具非正常磨损及其分布的资料

Table 2  Data of anormal wear and its distribution of the PDC cutting element

序号	类 型	次数	占比/%
1	从PDC前面断裂	18	47.4
2	从PDC后面断裂	11	29.0
3	PDC复合片脱落	2	5.2
4	PDC破碎	7	18.4
非正常磨损合计		38	100

理论研究和使用实践表明，PDC钻头振动是PDC非正常磨损的主要原因。振动引起的非正常磨损50%以上是由于切削具断裂或折断引起的，因此，需要解决非正常磨损最小化的问题。解决这个问题有利于提高钻头进尺和回次钻速，也有利于机械钻速的提高。

钻头产生振动的原因很多，主要有地质原因、技术原因和工艺原因。地质原因如钻进软硬互层岩石，破碎裂隙岩石、层状、片状岩石等；技术原因如使用弯曲钻杆、岩心管，接头螺纹不规范，钻杆井壁间隙大，未用钻铤，使用的钻头与所钻岩石性质不匹配，钻头端面单面磨损，未用校准扩孔器等；工艺原因如所用规程参数不当，没有使用减振润滑剂等。

下面就复合片损坏与钻探工程最直接有关的钻进规程参数和钻头的关系进行讨论。

2 PDC损坏与钻进规程参数的关系

钻头可能经受各种类型的振动：轴向振动、径向（横向）振动和扭拧振动（弹簧效应），如图4所示。其中径向振动和扭拧振动最为常见。

图4  钻进时PDC钻头的主要振动类型

Fig.4  Main vibration types of PDC drill bits in drilling

轴向振动与钻头的轴载和转速有关，也与钻具下部结构的刚度有关。在井底切入岩石时，扭拧振动会降低钻具下部结构转动速度，直到停止转动为止。而转动能量则通过钻机或井底动力机和钻柱连续传给钻头上，直到超过岩石强度极限为止。此时，钻具连同钻头以超过规定转速的加速度开始拧进。PDC切削具冲击载荷的增大，根据切削具切入岩石的不同，可能会导致PDC断裂、折断、脱落。

扭拧振动与PDC切入岩石深度大小有关。切入深度大时，反扭矩增加，产生拧转振动的风险增大。采用小直径PDC时，切入深度小，有利于反扭矩的减小。可通过减小碎岩切削具回转速度和增加PDC切削具轴载来减小这种扭拧振动的作用。

径向振动是钻头围绕不是其几何中心的钻头轴线回转时产生的振动。钻头回转快速增加或减小时，都会增加钻头的冲击载荷。可以通过增加钻头载荷、减小转速和增加钻具下部结构刚度的办法来减小钻头的径向振动。

PDC复合片非正常磨损是2个主要工艺参数（轴载P和转速N）选择不合理，导致部分钻头报废的原因。如果钻具下部结构刚度和冲洗液量选用合理，对这2个参数进行优化，则可以实现PDC非正常磨损的最优化。

PDC非正常磨损的试验研究采用Ø215.9 mm、8个翼片、镶有56个PDC复合片的钻头，在6~8级可钻性岩石中钻进时得到的野外资料进行分析。复合片PDC的非正常磨损报废的百分率P_rpol表示为：

P_rpol=（n_ан/n_общ）·100%

式中：n_ан——试验时非正常磨损报废的PDC复合片数目；n_общ——钻头复合片总数。

机械钻速是选择工艺参数的重要依据，故研究中考虑了机械钻速V。取得的样本资料见表3^［9］。

表3  研究复合片钻头非正常磨损（报废）P_rpol的资料

Table 3  Data for studying abnormal wear (scrap) P_rpol

钻速级别	P/kN	N/(r∙min-1)	V/(mm∙h-1)	Prpol
低钻速	70	200	2.0	0.5
	70	210	2.2	0.5
	80	230	3.2	0.6
	80	240	3.5	0.6
	80	250	4.0	0.6
	90	260	4.2	0.7
	90	270	4.9	0.7
	90	280	5.0	0.7
	100	290	5.6	0.7
	100	300	5.9	0.7
	100	310	6.0	0.8
中等钻速	130	240	7.4	1.6
	130	250	7.6	1.7
	135	260	7.8	1.7
	135	270	7.9	1.8
	135	280	7.9	1.9
	140	290	8.0	1.9
	140	300	8.0	2.0
	140	310	8.1	2.1
	145	200	8.1	2.2
	145	210	8.2	2.6
	145	220	8.3	3.4
	150	230	8.4	4.3
	150	240	8.4	4.5
	150	250	8.4	4.7
高钻速	185	210	9.2	9.3
	185	220	9.2	9.4
	190	230	9.3	9.6
	190	240	9.3	9.7
	190	250	9.4	9.7
	195	260	9.6	10.5
	195	270	9.7	10.6
	195	280	9.8	10.8
	200	290	10.0	14.3
	200	300	10.3	15.0
	200	310	10.5	15.1

对所得的资料进行了处理，是用神经网络方法进行的。这是因为神经网络方法具有下列特点：非线性，神经元处于激发或抑制状态，以及非线性功能函数随确定的输入、输出关系也是非线性的；非局限性，一个整体的行为不仅取决于单个神经元的特征，也取决于单元之间的相互作用和连接结构；非定常性，神经网络具有自组织、自适应、自学习能力，经常用迭代过程来描述动力系统的演化过程；非凸性，网络系统的目标函数是多极值的，系统中具有多个平衡态，可以导致演化的多样性；容错性，局部的或部分的神经元损坏，不影响全局的网络活动。

人工网络系统是模拟人脑神经并由人工神经元构成的，神经元是神经网络的基本处理单元，是一个具有多输入、单输出、一定的内部状态和阀值的非线性处理单元。人工神经元示意图见图5^［9］。

图5  人工神经元示意

Fig.5  Scheme of artificial neural network

x₁、x_i、x_n——神经元j的输入信号；w_ij——其他神经元与该神经元的连接权系数；U_j——其内部状态；θ_j——阀值；y_j——输出

为了建立模型，使用了MATLAB 系统Neural Networks软件包中的前向（feed forward）神经网络，带有2个入口和2个出口。经过一系列查询，找到了带有2个隐蔽层、10个和5个神经元的网络，见图6，模型的形式为$\left\{P,N\right\}$→$\left\{NN:\mathrm{10}·\mathrm{5}\right\}$→$\left\{V,P_{\mathrm{r}\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{l}}\right\}$。

图6  基于轴载P和转速N确定机械钻速V和P_rpol的神经网络示意

Fig.6  Scheme of neural network for determination of drilling rate V and P_rpol, based on bit weight P and rotary speed N

在整个轴载7~20 kN和转速200~310 r/min范围内，经神经网络计算的V和$P_{\mathrm{r}\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{l}}$的响应见图7。

图7  神经网络计算的V和${\mathit{P}}_{\mathbf{r}\mathbf{p}\mathbf{o}\mathbf{l}}$的响应图

Fig.7  Response of V and ${\mathit{P}}_{\mathbf{r}\mathbf{p}\mathbf{o}\mathbf{l}},$ calculated by neural network

从图7可见，在轴载小的部分，V和$P_{\mathrm{r}\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{l}}$的响应二者的离散程度比较大，在轴载大的部分好一些，在中等轴载部分离散程度不大。但是，从总体上，如果冲洗液的性能和数量合理的话，则机械钻速和$P_{\mathrm{r}\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{l}}\mathrm{皆随}$轴载和转速的增加而增加的趋势是一致的，因此，在讨论$P_{\mathrm{r}\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{l}}$时应该把机械钻速考虑进来。

故把模型$\left\{P,N\right\}$→$\left\{NN:\mathrm{10}·\mathrm{5}\right\}$→$\left\{V,P_{\mathrm{r}\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{l}}\right\}$改为$\left\{P,N,V\right\}$→$\left\{NN:\mathrm{10}·\mathrm{5}\right\}$→$\left\{P_{\mathrm{r}\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{l}}\right\}$，见图8。

图8  P、N与V、$P_{\mathrm{r}\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{l}}$的集合神经网络图

Fig.8  Neural network diagram of assembly of P, N and V, $P_{\mathrm{r}\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{l}}$

这种集合神经网络中的第一部分的出口是机械钻速V，第二部分是利用得到的机械钻速V加上轴载P和转速N来计算$P_{\mathrm{r}\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{l}}$。得到的转速N=200、250和300 r/min时的$P_{\mathrm{r}\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{l}}$响应曲面，见图9。

图9  网络第二部分的 ${\mathit{P}}_{\mathbf{r}\mathbf{p}\mathbf{o}\mathbf{l}}$响应图

Fig.9  Response of ${\mathit{P}}_{\mathbf{r}\mathbf{p}\mathbf{o}\mathbf{l}}$ in the second part of neural network

从图9可以看到$P_{\mathrm{r}\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{l}}$与钻进规程参数和机械钻速V的关系，即多大的轴载、多大的转速和多大的机械钻速时，PDC报废百分率是多少及其变化情况。例如，当N=310 r/min时，在x=14.02、y=6.08和z=1.715点上的PDC报废率最高，近20%左右。

利用图9，可以得到复合片任意点在何种工艺参数和机械钻速条件下的非正常磨损报废情况。

3 新型减振复合片钻头的设计与试验

3.1 新钻头的设计

新钻头设计框图见图10。

图10  复合片钻头设计框图

Fig.10  Block‑diagram of designing the PDC drill bit

3.2 复合片的选择

选用了楔形复合片（图11）和圆锥弧形复片（图12）。

图11  楔形复合片

Fig.11  Wedge‑form PDC cutting element

图12  圆锥弧形复合片

Fig.12  Conic PDC cutting element

SF Diamond Co.，Ltd公司生产的楔形复合片几何参数见表4。

表4  楔形复合片几何参数

Table 4  Geometrical parameters of the wedge‑form PDC cutting element

直径D/mm	高度H/mm
8.00~8.23	3.53
9.00	8.00
13.44	8.00
13.44	13.20
15.88	8.00
15.88	13.20
15.88	16.00
19.05	13.20
19.05	16.00
19.05	19.00

三楔形复合片的常用结构尺寸为D=16 mm；H=13.6 mm；H₁=10.6 mm；L₁=3 mm；η=157°；ξ=8°。

圆锥弧形复合片几何参数见表5。

表5  圆锥弧形复合片几何参数

Table 5  Geometrical parameters of conic PDC

直径D /mm	总高度H/mm	半径R/mm	倾角θ/（°）
8.0	9.2	4.5
9.5	10.0	4.9
10.0	10.5	3.8	33.25
11.2	13.8	5.5	21.00
11.5	10.0	8.9
12.0	9.5	8.6
12.5	12.0	16.6
13.4	14.0	6.7
14.0	17.4	5.5	23.50
14.5	20.6	5.0	23.25

楔形复合片把圆柱形复合片的破碎作用和牙轮钻头轮齿碎岩作用结合了起来，可以提高破碎岩石的效果。而且，这种复合片的金刚石层比较厚，提高了耐磨性，可以提高回次进尺和钻头进尺。圆锥弧形复合片因其圆锥形可以给岩石施以较高的载荷，改善抗冲击载荷的阻力，犹如“耕耘”模式，降低了摩擦力对复合片的热力作用，提高了散热性，从而提高钻头的耐磨性。

3.3 新型钻头设计

设计的钻头模型见图13，设计的钻头结构见图14。

图13  新设计复合片钻头的模型

Fig.13  Model of a new generation PDC drill bit

图14  新设计复合片钻头结构

Fig.14  Structure of a new generation PDC drill bit

新研发的钻头由2节组成，如图14所示。下部开钻节 1，包括有稳定器7和切削翼片3。上部钻开节2，包括有尾部（上端）10、钻头内部通道12和稳定器8。上部钻开节2中的切削翼片5、下部钻开节1中的切削翼片3，相对于径向排列的下部开钻节1中的切削具4和上部钻开节2中的切削具6是对称的。下部开钻节1的稳定器7和上部钻开节2的稳定器8的表面是校准圆柱形的，在上部钻开节2的稳定器8上置有高强度切削柱 ，起校准作用。水眼位于下部开钻节（见图15）中。

图15  新设计复合片钻头端面复合片布置

Fig.15  Distribution of PDC cutting elements on the face‑end of a new generation PDC drill bit

下部开钻节1翼片7中的切削具4的数量，与上部钻开节2中翼片5中的切削具6的数量相等。切削具4和切削具6可以使用楔形复合片或与其类似的复合片，负斜镶角度为10°~20°。

钻头回转时，下部开钻节1的翼片3向井底开始钻进，把井眼扩到边缘切削具4决定的直径d；而切削具6的切削翼片5，在钻进时把井眼扩到边缘切削具6决定的直径D。下部开钻节1的稳定器7和上部钻开节2的稳定器8，利用底部的钻开方式和上部的钻开方式来增加与井壁的接触面积。这样，可以防止产生复合片非正常磨损主要原因之一的扭转振动。

研究和实践证明，采用楔形复合片，在钻进过程中，楔形齿与地层接触面积小，受力集中，齿下岩石在较大接触应力的作用下，产生破裂裂纹，因此，比较容易“吃”入岩石。随着钻头的回转，楔形齿在岩石中“犁”出一条破碎穴槽，紧随其后的圆锥弧形切削齿，则以剪切方式，大大减弱了破碎井底岩石的切削阻力，达到快速钻进的目的。而且，可以起到缓冲器的作用，大大提高钻头的抗冲击强度。对钻头的横向振动，还可起到一定的抑制作用。

利用这种钻头在钻进中等研磨性、中硬和硬地层时，以及在带有夹层的泥岩、砂岩和高泥岩地层中钻进时，均可取得好的机械钻速和钻头进尺。

圆锥弧形复合片破碎岩石的表面呈弧形，受力条件好，能够承受较大的钻压和动载荷，在负前角镶焊情况下，容易切入岩石，对于破碎硬岩比较有利。由于复合片表面呈圆弧形，有利于岩粉向四周分流，及时排离切削面，减少复合片的磨损。这种复合片更适用于较硬岩石，承受比较复杂的受力条件，应用范围较广。

把楔形复合片和圆锥弧形复合片结合起来，使其发挥各自的优点，因此钻头具有一定的广谱性和減振性，可以提高机械钻速，增加钻头进尺，取得好的技术经济效益。

上述钻头已经申请了俄罗斯发明专利，并且已经接到国家专利局通知，予以受理。

新型钻头与其它钻头性能比较见表6^［9］。

表6  新型钻头与其它钻头的性能比较

Table 6  Performance comparison between the new generation drill bit and other drill bits

钻 头 编 号	井底净化程度	振动程度	井眼垂直程度	有无水力动力学作用	事故概率	PDC有无“拧进”井底性能	水力动力学作用大小	井底净化程度（紊流性）	钻进裂隙岩石可能性	耐磨性	有效作用系数	形成井底“粘楔”作用	井底钻井液紊流度	钻头使用效果	机械钻速值	碎岩过程能源利用率
1	中等	中等	中等	无	中等	无	小	低	小	中等	中等	否	中等	低	中	低
2	中等	中等	中等	有	中等	无	高	高	大	中等	中等	否	中等	中	中	中
3	中等	中等	中等	有	低	有	高	高	大	中等	高	形成	中等	高	高	中
4	高	低	高	有	低	有	高	高	大	高	高	否	高	高	高	高
5	高	最低	最高	有	最低	有	非常高	非常高	大	高	最高	否	最高	最高	最高	最高

注：  钻头编号1——专利号2310732Д-2ВВ的双层钻头；钻头编号2——专利号2445233的保径切削型钻头；钻头编号3——专利号2694872的钻头；钻头编号4——专利号2695726的保径双层切削剪切型钻头；钻头编号5——新型的减振双层钻头

3.4 新设计钻头的试验效果

新钻头试验是在俄罗斯科研生产企业罗斯托夫钻井公司进行的。经济效果的计算是按全俄钻井技术研究所确定的方法进行。为了进行对比，使用了Ø215.9 mm复合片钻头和俄罗斯国产三牙轮钻头Ⅲ215.9СГВ（此牙轮钻头是俄罗斯改进的新型钻头，使用技术经济效果较好），钻进可钻性6~7级岩石，试验井段2200~2600 m，经济效益对比见表7。表7表明，复合片钻头的成本为45万卢布，三牙轮钻头的成本为32万卢布左右，虽然开发的新型复合片钻头的成本高一点，但是复合片钻头的进尺是三牙轮钻头进尺的8倍，一个复合片钻头的经济效益为11.6552万卢布^［9］。

表7  新型PDC钻头经济效果

Table 7  Economic results of new type PDC drill bits

指标类别	指　标	Ø215.9 mm三牙轮钻头	Ø215.9 mm复合片钻头
原始数据	井眼平均深度/m	2600	2600
	钻进井段/m	2200~2600	2200~2600
	钻头进尺/m	78.2	629
	机械钻速/(m·h-1)	8.9	8.2
	回次升降工序时间/h	5.8	5.8
	回次更换切削具时间/h	0.83	0.83
	井底动力机类型	ЗТСШ1-195	Д1-172
计算指标	钻井井段的进尺/m	650	650
	钻头数量/个	8.3	1.03
	纯钻井时间/h	73.0	79.3
	升降工序时间/h	48.2	19.2
	中间更换切削具时间/h	6.9	2.3
	时间合计/h	128.1	101.2
经济效益计算	钻头价格/卢布	318724	450624
	纯钻井/卢布	672640	730061
	升降工序/卢布	444012	176431
	中间更换切削具/卢布	63540	25248
	合计/卢布	1498916	1382364
	一个PDC钻头效益/卢布		116552

4 讨论与建议

根据上述资料，可做下述分析和建议。

（1）复合片钻头是近年来发展起来的一种新型钻头，在地质钻探和石油天然气钻井中，尤其是深部钻进中得到了广泛应用，取得了很好的技术经济效果。但是，复合片磨损问题，特别是非正常磨损问题成了其进一步推广使用的“瓶颈”，建议对此进行研究与解决。

（2）复合片非正常磨损与钻进规程参数等的关系，是非线性过渡过程的关系，用神经网络方法进行分析与处理，误差小，精度高，效果好。有利于提高钻探工作的技术经济效果。

（3）把楔形复合片和圆锥弧形复合片结合起来组合使用，使其发挥各自的优点，使钻头具有一定的广谱性和減振性，这是一种创新尝试，可以提高机械钻速，增加钻头进尺，取得好的技术经济效益。

（4）新设计的钻头与其它类似钻头比较，具有井底净化程度高、振动程度小、井眼垂直度好、事故概率低、机械钻速高、耐磨性能好、钻头进尺长等特点，因而取得了很好的技术经济效果，说明这种钻头的设计和试验是成功的。