潜孔钻头研究现状及展望

冯一璟，张来斌，梁伟（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249）

杨帆（中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249）

邓嵘（西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500）

冯定（长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023）

随着空气钻井的规模化应用，空气锤因其机械钻速快、具有防斜纠斜等优点而在油气田开发中得到了广泛的应用。俗话说“钻头不到，油气不冒”，潜孔钻头在空气锤钻井过程中起到非常重要的作用，而潜孔钻头的使用寿命直接关系到空气锤乃至气体钻井的效率。潜孔钻头的使用数量与钻井成本息息相关，根据国外资料统计，以单位进尺来算，使用潜孔钻头引起的成本约为整个钻井成本的20%。由此可以看出，潜孔钻头的使用数量直接关系到整个钻井的经济效益［1，2］。国产潜孔钻头存在技术性能指标偏低，可靠性不稳定，使用寿命低等一系列不足之处，因此开展潜孔钻头的相关研究，为探索改进钻头性能及提高钻头寿命具有重要意义。

1 潜孔钻头工作原理

潜孔钻头是通过冲击旋转方式破岩的，作用在潜孔钻头上的载荷主要有3个：冲击力、钻压及扭矩。冲击力是潜孔钻头破岩的主要作用力，冲击波由钻头传递给井底岩石，对井底岩石进行高频往复式冲击破碎；钻压的作用除了抑制冲程过后钻头的回弹，还可以直接压碎表层岩石；而上部钻机给钻头提供的扭矩，使钻头对井底岩石进行回转切削，在这3种力的共同作用下，潜孔钻头的破岩变成一个高效复杂的过程。潜孔钻头的尾部与潜孔冲击器相连接，当具有一定质量和速度的活塞冲击钻头尾部时，在时间极短的冲击载荷和极大的冲击速度作用下，岩石的表面形成了局部破碎，产生如图1中Ⅰ－Ⅰ所示的沟槽，此时将钻头旋转一个角度α，再进行第2次冲击，形成图中Ⅱ－Ⅱ所示的沟槽。如果连续不断地对炮孔进行冲击旋转，并不停地排出岩屑，便可以形成图中的圆形炮孔。潜孔钻头在破岩时，沟槽的形成依靠冲击作用，冲击钻头尾部所产生的压缩应力与应变以波的形式作用于孔底岩石上，使岩石产生局部破碎；而扇形区域则是钻头在旋转时，岩石受剪切作用而形成的［3～5］。所以潜孔钻头的破岩成孔过程实质上是冲击压碎和剪切刮削的复合运动，如图1所示。

2 潜孔钻头结构研究

易高来提出将钻头头部端面由四翼对称结构改进为三翼整体结构，这样不仅可以改善布齿条件和排气孔的设计，而且提高了钻头的整体强度。并且将钻头端面分成3个区域，即双斜面中心大平面结构，这种结构可以使所有硬质合金齿达到比较均匀的磨损，而且便于加工及固齿［6］。对于大直径潜孔钻头，齿圈数多，里圈齿间距应取上限，边缘圈距应取下限。每圈齿数应根据所担负的破碎孔地面积百分比来确定，以得最佳破岩效果，使钻刃磨损均匀。每圈球齿的位置应保证每个齿和整个钻头受力均匀［7］。符夷雄等研究了破岩机型与球齿钻头的结构形状、所钻岩性的合理性，并获得了足够冲击功时，潜孔钻头的破岩效果更好；齿数较多时，潜孔钻头对冲击能更敏感；在硬脆岩石、较大冲击能条件下，球齿钻头使用效果最佳的结论［8］。李华等在工作条件布齿理论的基础上，从球齿破碎机理出发，探讨了相邻球齿对破岩效果的影响，从而确定了最优齿间距，并确定了钻头的最佳齿位和合理的齿数，最优齿间距为（D1＋D2）／2（D1、D2分别为相邻压头碎岩产生一次大剪切时破碎穴的最大直径），球齿数目可以由冲击功确定［9］。金鑫通过研究发现，潜孔钻头齿倾角取值大小与其工作所承受的切向载荷、轴向载荷、硬质合金强度、刮削摩擦系数等有关系，应通过力学分析来确定其值大小，但根据设计得出倾角一般在30～45°［10］。黄志强等通过数值计算发现，导致潜孔钻头失效的主要原因是边齿钻井过程中受到剪切破坏，而并非是边齿受压破坏或者受拉破坏，根据设计结构推荐在冲击力较小时倾角为20～50°，在冲击力较大时，倾角为35～40°［11］。杨茂君对潜孔钻头井底流场进行研究以后认为，喷嘴向钻头中心靠拢可以提高流体对牙齿的冲洗能力，并可有效的吹扫井底岩屑，减少由于冲击岩屑而造成重复钻进［12］。

图1 潜孔钻头破岩机理

3 潜孔钻头静力学研究

Akchiko、Kumano等试验研究了冲击速度为18～40m／s时，半球形齿和圆锥齿在不同冲击速度时对塑性页岩的冲击情况。基于体积应变和静压力经验公式以及试验结果，建立了钻头钻进深度与钻进速度、岩石可钻性之间的数学模型，在模型建立过程假定钻头所产生的冲击能功全部作用在破碎和压碎岩石过程［13］。Werner Goldsmith等研究了尖端杆对耐碱岩石冲击破碎情况，并根据分析获得，在相同的研究工况下，具有最大破碎坑的钻齿为120°锲形齿；而具有最大凿入深度的钻齿为60°锥形齿；对峰值高和钻硬地层岩石需持续时间短的应力波，这样可更好的钻磨硬岩石；对于软地层岩石，应力峰值小和持续时间长的应力波有助于钻磨软地层岩石；研究结论也得出在相同能量钻磨地层时，石灰岩没有页岩的易凿深，应力波冲击岩石过程，岩石与钻头之间刚开始处于自由状态，然后活塞钻入岩石时固定状态，最后活塞被反弹脱离接触［14～16］。刁顺等在考虑了活塞端面与末速度作用力而产生的应力，并提出了在简谐力作用下的反射波与入射波之间的方程，该方程的提出主要是针对前期研究未考虑活塞的末速度对钻头应力的作用［17，18］。谭卓英等人针对边齿的受力情况，系统的研究了边齿的失效问题，得出了钻齿孔的应力分布情况以及钻齿孔易失效的部位，同时理论分析了钻头体和球齿的疲劳特性情况，最后得出了钻齿孔喇叭口的最终形成原因［19，20］。甘海仁等根据相关的凿岩机现场测试结果，详细研究了凿岩机与冲击破岩类工具的入射应力波形、性能特性与潜孔钻头之间的应力峰值关系［21，22］。

4 潜孔钻头计算机仿真研究

林元华建立了钻头牙齿冲击岩石过程互作用模型，完成了仿真软件编制，采用数值模拟方法测算了冲击器活塞冲击力和冲旋钻井机械钻速［23］。周晔应用ANSYS有限元软件数值模拟了潜孔钻头钻齿过盈量对齿孔和牙齿应力的影响规律［24］。金鑫应用LS－DYNA有限元软件分析了不同类型钻齿的破岩形态，并根据分析结果得出冲击破岩主要有断裂区、破碎区和无损区3种形态；同时得出锥形齿和球形齿相结合破岩效率最优，并推荐使用该布齿方案［10］。魏振强通过非线性有限元软件ANSYS／LSDYNA对不同冲击功作用下的潜孔钻头与岩石互作用过程进行仿真，仿真表明适当增加冲击功能够提高潜孔钻头破岩效率和钻进速度。但冲击功过大，对进一步提高岩石破碎坑的深度和岩石破碎体积没有明显效果，反而会降低物探冲旋钻头的使用寿命［25，26］。王琳通过在 ANSYS中建立 Q13115－H64型潜孔钻头的有限元模型，对不同过盈量下钻头本体的应力分布规律进行了研究，并提出针对钻头本体不同的齿孔间距，采用不同的配合过盈量，从而保证钻头上所有柱齿固紧效果都能达到最优［27］。黄志强、周已等应用有限元分析软件ANSYS对不同牙齿过盈量时钻头本体应力的分布情况进行了模拟研究，并得出了相应的应力分布图，为合理进行潜孔钻头本体结构设计提供了依据和校验方法［28］。黄继亮采用ANSYS／LS－DYNA有限元仿真分析软件对空气锤活塞－钻头－岩石的破岩过程进行了仿真研究，得出冲击应力波传播过程中，钻头胎体部位气孔交汇处应力幅值最大，是钻头最薄弱之处，加之长期处于高频交变冲击应力的作用下，是导致钻头胎体部位疲劳断裂的主要原因［29］。赵艳娇采用有限元分析软件CFD研究表明，反循环潜孔钻头引射孔与钻头中心贯通通道夹角为45°时反循环形成效果最好，并对不同外径的钻头分别进行仿真模拟分析，分别得到了最有利于实现反循环钻进的底部排风孔倾角，同时优化了现有钻头结构，使其更有效的实现反循环钻进［30］。祝效华、罗衡通过仿真分析剖析了动静载在破岩中联动作用及对破岩的影响，发现冲击功－破岩比功曲线有界限明显的波动区与稳定区，并由此提出了空气冲旋钻井临界冲击功、临界钻压的概念［31，32］。

5 潜孔钻头材料研究

太原重机学院工厂技术科的刘鸿雁等从钻头制造方法和加工工艺等方面进行了研究，以此来提高钻头强度，提高其使用寿命，并对硬质合金齿的选择和硬质合金的镶焊作了一定的技术总结［33］。根据球形压模破岩的有效机理和弯曲应力恒等的要求，李常春、宁曙光设计出耐钝硬质合金柱齿，证明了耐钝硬质合金柱破岩时，岩石面对齿面的反作用力基本是压应力，很少出现弯曲应力，所以用该合金柱齿潜孔钻头凿岩时，牙齿不易破碎；并且在合金柱齿高度磨损很多的情况下，其钝台直径也远低于2／3合金柱直径，故其不易钝化［34，35］。针对高风压潜孔钻头由于渗碳工艺不合理而造成的钻头崩块、裂纹，陈儒军、徐家军提出采用低浓度渗碳＋高温回火＋一次淬火＋低温回火工艺可以较好地解决钻头的崩块等问题［36］。黄志强、沈岳等就空气重新钻头钻进中牙齿频繁断裂、脱落及磨损严重等问题，分析了空气锤牙齿的失效机理，采用了纳米改进型技术，在硬质合金中掺杂纳米AL2O3制备出的AL2O3／WC－Co纳米／微米复合材料，对其性能、组织结构进行分析，并就其耐磨性、耐冲击性进行实验研究，结果表明复合材料的耐磨性和耐冲击性得到了大幅提高［37］。黄志强、刘清友等经试验研究确定了新型钻头最佳的热处理工艺，并推荐最佳淬硬层深度范围为：1.8～2.0mm［38，39］。李宏利、于庆增等人在高温高压下将人造金刚石与硬质合金一次烧结制备了高性能聚晶金刚石复合齿，并对这种金刚石潜孔钻头进行了试验，得出在偏硬的岩层凿岩时，与传统的硬质合金潜孔钻头相比，其寿命提高了653%、效率提高了79%［40，41］。

6 结语

由于潜孔钻头破岩效率较高，在硬地层及难钻地层得到了广泛的应用。潜孔钻头破岩方式为锤击破岩，在实际钻进过程有效的减少了钻头磨损，钻具损坏较轻，间接降低了整个钻井成本，受到油田企业的亲睐。通过前面研究回顾发现，国内外针对潜孔钻头布齿研究开展较少，缺乏对钻头牙齿受力特点的分析，存在一定的盲目性。由于大型CAD／CAE／CFD软件可进行优化设计潜孔钻头，这使潜孔钻头在虚拟设计、室内实验和现场试验相结合的研发下，可使得潜孔钻头布齿更为合理，潜孔钻头使用寿命更长，大大的缩短了研发周期。

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