PDC鉆頭穩定性分析

      自二十世紀七十年代初PDC鉆頭問世以來,PDC鉆頭在世界范圍內得到了普遍應用。在均質的較軟地層中PDC鉆頭具有破巖效率高、鉆速快、進尺多、壽命長等優點。從八十年代中期開始,國內許多科研院校、石油企業廠礦、石油工具廠先后投入了大量的人力物力從事PDC鉆頭的研究與開發,并有多種PDC鉆頭在國內得到推廣應用。在研究開發與使用過程中,人們發現許多PDC鉆頭的損壞是由于其不能在井下穩定地工作而造成的。為提高PDC鉆頭的工作性能,使其獲得更廣泛的適用范圍,勝利石油管理局鉆井工藝研究院對“PDC鉆頭的穩定性技術”進行了較多研究,在對影響PDC鉆頭穩定性的因素進行大量調研及分析。
　　現場應用中,有許多PDC鉆頭的鉆進性能不理想,進尺少、鉆速慢、壽命短,分析其原因主要是由于在鉆進過程中PDC鉆頭發生了某種振動而使PDC鉆頭不能夠穩定工作所致。振動形式主要有三類:回旋振動、扭轉振動及軸向振動,本文僅對前兩類進行研究。

　　1回旋振動
　　1.1回旋現象
　　鉆頭回旋是一種橫向運動,在井眼直徑稍大于鉆頭直徑的情況下由作用在鉆頭上的側向力(不平衡力)引起的。側向力迫使鉆頭偏離原來井眼中心作橫向移動,將鉆頭推向井壁,從而使鉆頭瞬時旋轉中心不再是鉆頭幾何中心。此時,鉆頭瞬時旋轉中心可能位于鉆頭幾何中心與原井眼中心之間稱正向回旋;可能位于鉆頭幾何中心與井壁之間稱反向回旋。事實上多數情況下鉆頭回旋屬于瞬時旋轉中心位于鉆頭保徑部位的反向回旋。而此種回旋恰恰是引起鉆頭振動程度最為嚴重的情況。在這種情況下,鉆頭與井壁間的作用就類似于一組內行星齒輪機構,鉆頭的瞬時旋轉中心是位于鉆頭與井壁的接觸部位。此時鉆頭既有自轉又有與自轉相反的公轉。

1.2回旋振動的危害
　　正向回旋,由于鉆頭瞬時旋轉中心離原井眼中心較近,多數PDC切削齒的運動狀態與受力狀態屬于正常,因而危害不大。以下僅講反向回旋且主要指常常發生的瞬時旋轉中心為鉆頭保徑處的情況,簡稱回旋。鉆頭發生回旋時,鉆頭設計的最基本前提鉆頭的幾何中心是鉆頭的旋轉中心不再成立,因而鉆頭的幾何結構、PDC切削齒的布置變得不合理。回旋運動改變了PDC切削齒的工作狀態,切削齒有時正向運動,有時側向運動,有時反向運動,每個PDC切削齒都承受著很大的沖擊載荷。
　　PDC切削齒的運動速度和方向無時不在變化,尤其是每時每刻總有部分PDC切削齒的切向運動速度與設計要求的方向相反,這叫瞬時局部反向旋轉現象,對PDC切削齒的破壞特別嚴重。
　　反向旋轉的危害極大,是由于PDC切削齒的承載特點所決定的。PDC切削齒的結構和自銳特點只允許它承受來自正面的載荷,對來自側面和反面的載荷的承受能力很弱。反向旋轉切削力主要作用在自銳出露的金剛石層反面上,正面無任何支撐,即使在較小載荷、作用時間較短的情況下,切削齒的金剛石層也會遭到嚴重破壞。

1.3影響鉆頭回旋的因素
　　1)鉆頭結構。一般來說,促使鉆頭產生橫向運動的任何因素都能增加鉆頭回旋傾向。鉆頭切削不平衡力愈大,冠高系數愈大或外錐愈長,保徑部位愈粗糙,則愈易發生回旋。
　　2)巖石性能。在軟地層中鉆進速度較快,沒有足夠的時間使井徑擴大,因而鉆頭回旋不易發生。相反,由于某種原因,如鉆較硬地層,機械鉆速就較慢,鉆頭就有可能發生回旋。易引起鉆頭泥包的粘性地層可減小回旋傾向。不太軟的松散地層通常最糟,因為它極易引起井徑擴大,所以很易導致鉆頭回旋的發生。
　　3)操作參數。轉速愈高,離心力愈大,鉆頭愈易發生回旋或回旋不易停止。鉆壓愈小,越易發生回旋,因為相對不平衡力增大。

2.　扭轉振動
　　2.1扭轉振動現象
　　引起PDC鉆頭扭轉振動的原因主要有兩個,其一是PDC鉆頭切削齒對地層的切削作用使鉆頭及鉆柱承受扭轉力,這個扭轉力達到一定值時可導致鉆頭發生扭轉振動;其二是井底鉆具與井壁的接觸,它們之間存在著一個摩擦力,當這個摩擦力達到一定大的數值時,就會導致鉆柱扭轉振動,從而引起PDC鉆頭發生扭轉振動。當發生扭轉振動時,鉆頭會發生卡滑現象。這種卡滑現象類似于單自由度扭振系統的有阻尼受迫振動,在鉆頭(或井底鉆具)停止轉動而處于靜止階段時,鉆具在轉盤驅動下發生扭轉變形,當變形到鉆具施加到鉆頭(或井底鉆具)的扭轉力克服了切削扭矩(或摩擦扭矩)時,鉆頭突然開始運動。轉速迅速增大,最大時可以達到轉盤轉速的許多倍,隨后逐漸降低,而最后階段甚至會產生鉆頭反向旋轉。這種扭轉振動(卡滑)現象反映在鉆臺上就是我們常說的蹩鉆現象。
　　2.2扭轉振動的危害
　　發生扭轉振動時,鉆頭會發生卡滑現象,導致鉆頭轉速時大時小,甚至靜止不動,或反向旋轉。這樣就會使PDC切削齒承受很大的沖擊載荷,加速切削齒的磨損甚至引起金剛石層脫落,尤其是鉆頭反向旋轉更容易導致PDC金剛石層的碎裂或脫落。由于鉆頭或井底鉆具發生扭轉振動時,鉆柱承受著循環交變載荷,所以很易引起鉆具疲勞破壞。
　　2.3影響扭轉振動的因素
　　 研究證明,在鉆頭布齒密度大、鉆頭已磨鈍、地層較硬、泥餅摩擦系數大、水敏地層、高鉆壓低轉速情況下,鉆頭容易發生扭轉振動。鉆頭布齒密度大,要想取得同樣快的機械鉆速,必須加更大的鉆壓,這樣一是增大了切削齒與巖石間的摩擦力,二是更易使BHA靠近井壁,因而容易引起扭轉振動。水敏地層或泥餅摩擦系數大,加大了BHA與井壁間的摩擦力,所以易引起扭轉振動。在PDC切削齒吃入地層相同深度的情況下,地層越硬,鉆頭切削扭矩就越大,所以越易引起扭轉振動。PDC鉆頭的一個固有特性是隨著轉速的增大而扭矩減小。對于磨鈍了的PDC鉆頭,這個特性更為明顯。這是因為鋒利的PDC鉆頭以剪切方式破巖,巖屑的排出方便迅速,而磨鈍了的PDC鉆頭部分地以擠壓方式破巖,巖屑不易清除,因而扭矩增大,若轉速增大,巖屑清除速度加快,因而扭矩就會減小。也就是說“井底巖屑不能及時清除”是引起“扭矩隨轉速增大而減小”這一PDC鉆頭特性的根本原因。這也說明,磨鈍了的PDC鉆頭在低轉速條件下容易引起扭轉振動。