PDC钻头涡动是导致其在钻井过程中过早损坏的主要原因之一,钻头涡动时,由于钻头的瞬时旋转中心不断变化,切削齿可能横向甚至向后切削井底岩石,引起PDC钻头切削齿刃尖崩刃或者复合片成块状剥落,从而加快切削齿的磨损,缩短钻头的寿命。因此,对PDC钻头的涡动分析有重要的意义。
1 PDC钻头涡动的危害
由于涡动的存在,PDC钻头切削齿的运动速度和方向无时不在变化,尤其是每时每刻总有部分PDC切削齿的切向运动速度与设计要求的方向相反,这叫瞬时局部反向旋转现象,对PDC切削齿的破坏特别严重。
由于PDC切削齿的结构和自锐特点,它只允许PDC钻头承受来自正面的载荷,而对来自侧面和反面载荷的承受能力很弱。当切削力作用在金刚石层的正面,由于后面有WC底层支撑着金刚石层,故切削齿可承受较大载荷;如果切削力主要作用在自锐出露的金刚石层反面上,正面无任何支撑,即使承受较小载荷,作用时间较短的情况下,切削齿的金刚石层也会遭到严重破坏。
PDC钻头发生回旋振动时,切削齿承受的冲击载荷很大,所以,在较硬地层中,PDC切削齿的部分或整个金刚石层容易碎裂。当作用力在PDC切削齿反面时,使其失去自锐能力,这是导致PDC钻头先期损坏的主要原因。
2 PDC钻头涡动的原因
在实际的钻井过程中,底部钻具最容易出现涡动。钻杆与下端钻头的连接,钻头并不是只起到“铰支”的作用,而会产生涡动。
钻头瞬时旋转中心发生位移的现象,称为钻头的涡动。钻头涡动与钻杆涡动有许多相同之处,二者都是在井眼中旋转,旋转中心偏离几何中心,周边上一点与井壁接触。一旦涡动开始,就会有很大的离心力,使接触点处产生摩擦力来维持涡动。
影响涡动的因素主要有以下几种。
(1)钻头结构。促使钻头产生横向运动的任何因素都能增加钻头回旋。钻头切削不平衡力愈大,冠高系数愈大或外锥愈长,保径部位愈粗糙,则愈易发生回旋。
(2)岩石性能。在软地层中钻进速度较快,钻头没有足够的时间使井径扩大,因而钻头回旋不易发生。相反,由于某种原因,如钻较硬地层时,机械钻速较慢,钻头就有可能发生回旋。易引起钻头泥包的粘性地层可减小回旋倾向。松散地层通常条件最差,因为它极易引起井径扩大,所以很易导致钻头回旋的发生。
(3)操作参数。转速越高,离心力越大,钻头越易发生回旋或回旋不易停止。因为相对不平衡力增大,使得钻压越小,越易发生回旋。
3 提高PDC钻头稳定性措施
解决钻井的不稳定性因素,可以提高钻井效率。总的来说,提高PDC钻头稳定性的措施目前主要有以下几种。
(1)平坦的钻头冠部轮廓。试验表明,钻头冠部轮廓锥度愈大,钻头旋转中心越容易发生横向偏移。反之,具有平坦冠部轮廓的PDC钻头不易发生横向移动,其稳定性较好。
(2)钻头冠部轮廓深内锥。当PDC钻头发生横向偏移时,钻头深内锥切削齿的受力方向与锥外切削齿的受力方向相反。这样内锥切削齿的受力将阻止钻头作进一步横向运动。深内锥结构的另一个作用是防止内锥上的PDC切削齿受反向载荷的作用。
(3)螺旋状刀翼。由于刀翼式布齿排屑效果好,有利于提高机械钻速,因此PDC钻头多采用刀翼式布齿,即将全部PDC切削齿都布置在刀翼上。但与自由式布齿相比,这种布齿容易使切削载荷集中到某一个方向上,从而增加了钻头产生偏移的可能性。为此,PDC钻头多采用螺旋状刀翼结构,这样就分散了指向井壁的切削力,减小了钻头保径部分与井壁之间的接触应力,因而减小了钻头发生回旋运动的几率。
(4)刀翼非均匀布置。理论分析和试验研究表明,若刀翼在钻头表面上均匀布置,那么它正好有助于维持其振动频率不变,甚至能增大其振幅。相反,刀翼呈非均匀布置,打破了某种振动发生初期所具有的频率,从而对振动产生了一种阻尼作用。
(5)大排屑槽结构。采用大排屑槽结构有利于井底岩屑及时排出,减小钻头切削扭矩,从而降低钻头发生扭转振动的可能性。
(6)混合切削结构。混合切削结构的主要特点是在含有硬夹层的地层中钻进时,有利于保持切削齿的连续吃入地层,即保持机械钻速的连续不变性。也就是说,这种结构使钻头的机械钻速在软地层中不至于太快,而在硬夹层中也不至于太慢。因此,这种混合切削结构减小了钻头在软硬交界面处引发各种振动的可能性。
4 结语
(1)由于涡动的存在,PDC钻头产生瞬时局部反向旋转现象,对PDC切削齿的破坏特别严重,可引起PDC钻头切削齿刃尖崩刃或者复合片成块状剥落,从而加快切削齿的磨损,缩短钻头的寿命。
(2)钻头切削不平衡力愈大,冠高系数愈大或外锥愈长,保径部位愈粗糙,则愈易发生回旋;松散地层通常条件最差,因为它极易引起井径扩大,所以很易导致钻头回旋的发生;转速越高,离心力越大,钻头越易发生回旋或回旋不易停止。这些都是影响涡动的主要因素。
(3)提高PDC钻头稳定性的措施主要包括:平坦的钻头冠部轮廓、钻头冠部轮廓深内锥、低摩阻保径、轨径布齿、力平衡设计、螺旋状刀翼、刀翼非均匀布置、保径环结构、大排屑槽结构、低密度切削齿布置以及混合切削结构。
摘要：文章介绍了在钻井过程中PDC钻头涡动造成的危害和涡动的原因,钻头结构、岩石性能以及操作参数是影响涡动的主要因素。通过对PDC钻头涡动原因的分析,提出了提高PDC钻头稳定性的措施,如低摩阻保径、平衡设计、大排屑槽结构等,这些措施的运用,可以有效地解决钻井的不稳定性因素,可以提高钻井效率。
关键词：PDC钻头,涡动,低磨阻,力平衡,螺旋状
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