国内外PDC钻头单齿破岩机理研究概述

国内外 PDC钻头单齿破岩机理研究概述

刘强

中石化江钻石油机械有限公司

摘要：

PDC钻头单齿破岩机理研究是各类3D异形切削齿开发和应用的基础性研究，各大PDC复合片厂家、高校及钻头钻具服务商均在此方面进行了积极探索，为推动PDC钻头的广泛应用，降低油气资源开采成本，助力非常规油气开采技术革命做出了重大贡献。

关键词：PDC钻头、单齿破岩机理、3D异形切削齿

0引言

研究PDC钻头单齿破岩机理，是推动3D异形齿开发、应用，突破传统PDC钻头设计方法，解决PDC钻头在深层页岩气井中钻致密泥（页）岩、巨厚砾石层、石英砂岩、软硬交错频繁等难钻地层适应性差（机速低、进尺少）的问题的基础。为满足钻井工程用户的特殊需求，大幅提升钻井速度，缩短页岩气井勘探开发周期，降低深层页岩气开发成本，支撑国内页岩气产业健康快速发展具有重大意义。

1 国内PDC钻头单齿破岩机理研究

2006年，马清明等人初步建立了PDC切削齿破岩的受力模型。2012年，张绍和等人利用车削实验模拟了不同后倾角的复合片钻头在钻进时与岩石的相互作用过程；同年，林英松等人研究了砾石直径、胶结强度、切削深度、切削齿后倾角等对切削齿所受冲击载荷的影响规律；同年李勇等人基于有限元模型对PDC钻头切削齿切削岩石过程中温度场变化开展了仿真研究，得出了四种典型冠部形状上不同位置的切削齿温度场规律。

2013年，于鹏等人采用数值模拟等方法对锥形PDC齿与砂岩的互作用机理和破岩规律进行了以后倾角为自变量的仿真研究；2014年，张德荣等人针对PDC切削齿的机械磨损严重提出一种3D异形PDC加强齿，并指出，异形PDC齿加强齿显著降低牙齿内应力分布和峰值载荷，可有效提高耐磨性并降低崩裂、脱落失效的几率；

2015年，邹德永等人开展了不同锥顶直径、锥顶角及聚晶层厚度条件下

的耐磨性测试；2016年，欧阳义平等人研究出了简单、适用性广、误差低的CDE齿切削力估算公式；2017年，田家林等人提出一种新型嵌入式聚晶金刚石复合片，新齿钻头和常规齿钻头的实钻数据对比后指出新式钻头提高了约一倍的机械钻速。2018年，祝效华等人指出，后倾角对岩石破碎效率的影响大于侧倾角，且减小切削断面的面积有利于岩石的破碎。

2019年，况雨春等人发现不同形状PDC切削齿（平面齿、斧形齿、三棱齿）的破岩过程存在明显差异；同年，李琴等人开展了新型PDC齿与常规PDC齿破岩过程的对比研究，新型PDC齿受剧烈磨损和冲击崩断的可能性更小，使用寿命更长，且具有更高的破岩效率。2020年，彭齐等人提出了一种突脊型非平面齿，该齿开展了抗研磨性能测试后指出该切削齿能保证钻头具有高攻击性的同时可同时具有较长的使用寿命。

2 国外PDC钻头单齿破岩机理研究

2010年，Richard, T等人在岩样上进行了不同切削齿几何结构，在不同侧倾角、后倾角以及切削深度对MSE的影响规律；2012年，Khorshidian H.等人研究了切向速度和轴向力对机械比能MSE的影响；同年，Rahmani, R.等人建立了可以预测切削无泥包/泥包情况下力学特征的解析模型；同年，Rajabov V.等人指出，后倾角及侧倾角对PDC刀具的MSE有较大影响。

2013年，Akbari, B.等人发现欠平衡条件下，机械比能（MSE）是平衡条件下MSE的58%；同年，Reyes Martinez, I.等人通过改变切削深度、刀具几何结构（特别是后倾角和侧倾角）和围压三个参数，进行了二维和三维模拟，分析了切削岩石所需的机械比能（MSE）的变化。2014年，Akbari, B.等人研究了孔隙压力对切削齿受力特征和MSE的影响；同年，Melo, D. D. E. F.等人提出高侧后倾角会在一定程度上提高破岩比功，而后倾角效应与岩石内摩擦角密切相关；同年，Akbari B.等人提出刀具尺寸对摩擦响应的影响较小，而倒角尺寸对刀具的摩擦和侵蚀性有相当大的影响。同年，Carrapatoso, C.等人基于蒸发岩高应变率三轴试验岩石力学实验和PFC3D建立并标定了单齿-岩石互作用模型，研究了切削深度、刀具摩擦以及几何参数对MSE的影响规律；

2015年，Carrapatoso, C. M.等人研究了倒角齿的倒角角度和后倾角对MSE的影响机理；同年，Pryhorovska, T. O.等人建立了环形/直线切削单齿破岩有限元模型，给定刀具的空间形状、切向速度、切削深度，模拟了不同形状的平面齿直线和/圆形切削过程并指出，线性切削和环形切削的力学特征没有本质区别；

2017年，He, X.等人指出，存在一个区分塑性和脆性切削模式的临界过渡深度/后倾角，超过临界过渡深度，脆性断裂所消耗的能量超过塑性流动所消耗的能量；同年，Doshvarpassand, S.等人指出，平面齿所受切削力的大小与槽的截面积直接相关；2018年，Rahmani R等人设计并制造了一种非平面齿，以ROP为破岩效率评价参数，以页岩/砂岩/花岗岩作为钻进试样，开展了室内破岩实验并指出，RDE齿适用于页岩储层钻进；

2019年，Cheng, Z等人提出了一种新的岩石切削力和破坏面分析数学模型，且该模型预测的切削力在不同切削深度、后倾角、岩石类型、刀具尺寸和围压等参数下均得到了实验验证。同年，Cheng, Z等人确定了裂纹和相邻破碎带的发展顺序。同年，Chen, P.等人针对邻齿破岩效应，对相邻齿间距、切削深度对MSE的影响规律，当切削深度较大且临齿间距足够小时，邻刃破岩效应可将MSE将低5-25%；

2020年，Rahmani, R.等人对圆形和V形齿的失效进行了现场试验评价。同年，Sheng M.等人为了了解页岩层面对切屑形成行为的影响，考虑了六个层理倾角进行了一系列单齿破岩实验，揭示了层理面对破岩机理的影响机理

3 总结

国内外PDC钻头单齿破岩机理研究，揭示了切削齿抗冲击及耐磨性能在不同切削齿几何结构、材料组成下的变化规律，优化了切削齿几何结构及材料，分析了切削齿的破岩效率、单齿受力情况（切向力、轴向力及各力振动幅值）以及致裂机理（应力云图或裂缝形态）受不同切削齿几何结构（脊形角、圆锥角、顶锥半径）、工作角度（侧后倾角）、井底形貌（如切削断面）、泥包面积变化产生的变化规律，进而优选出了更优的几何结构、工作角度、井底形貌（切削断面、二次破碎、重叠切削）。为常规及3D异形切削齿在PDC钻头上的应用提供理论支撑，也为广大PDC钻头设计从业人员在产品创新上抛砖引玉。

参考文献：

[1]马清明, 王瑞和. PDC切削齿破岩受力的试验研究[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2006, 30(2):45-47.

[2]于鹏. 适应硬地层的犁削型PDC钻头研究[D]. 中国石油大学（华东）, 2013.

[3]张德荣, 孔春岩, 常十梨,等. 异形PDC加强齿结构优化设计及有限元分析[J]. 机械设计与研究, 2014(5):80-83.

[4] Richard T , Coudyzer C , Desmette S . Influence of Groove Geometry And Cutter Inclination In Rock Cutting. Journal of shoulder and elbow surgery / American Shoulder and Elbow Surgeons. [et al.], 2010.

[5] Khorshidian H , Mozaffari M , Butt S D . The Role of Natural Vibrations In Penetration Mechanism of a Single PDC Cutter. American Rock Mechanics Association, 2012.

作者简介：刘强，男，硕士，汉族，1992年生，毕业于西南石油大学钻头研究所，现从事石油钻井勘探井下破岩工具研究，湖北省武汉市东湖新技术开发区华工园一路5号（430223），liuqiang2018.oset@sinopec.com