PDC钻头体非光滑表面防黏附性能实验研究

朱丽红， 陈泽鹏， 黄 勇， 强 伟， 王京印

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

0 引 言

PDC钻头在钻进时具有钻速快、效率高、寿命长等优势，广泛应用于软到中硬的均质地层。PDC钻进泥页岩地层时，由于钻进速度很快，岩石破碎后产生大量岩屑，如果井底清洗不充分，岩屑会堆积于井底。与此同时，由于泥页岩中黏土矿物水化膨胀，黏性增强，岩屑会附着于切削齿和钻头体上，形成钻头泥包[1-2]。钻头泥包导致钻头破岩能力显著较低，钻速下降，并且切削齿失去冷却作用，钻齿磨损速度加快，钻头寿命缩短。泥包严重时，钻头完全失去钻进能力，无法实现进尺，造成钻井效率降低，钻井成本升高[3]。目前，提高PDC钻头自身防泥包性能的措施主要包括三方面：钻头结构改进、水力设计优化及钻头体表面处理[4-6]。与其他两种方法相比，钻头体表面处理采用降低PDC钻头与泥质岩屑间黏附力的方式，其可从根本上预防钻头泥包的出现。目前，常用手段如钻头体表面涂抹黄油、缠绕金属网等，但上述措施防泥包的时效性短、效果差。

自然界中生物体表具有非光滑特征，其是在自然环境中经过长期的自然选择而得到的最佳结果[7]。非光滑表面仿生是借鉴自然生物体表的非光滑形态并将其应用于工程材料表面，实现减黏、减阻和抗磨等特性[8-9]。目前，非光滑表面仿生已在众多工程领域得到应用[10-13]。本文将仿生非光滑几何表面形态引用到PDC钻头的表面结构设计中，并采用室内实验方法，对不同非光滑表面结构、不同尺寸及不同时间状态下的试件与黏土间的黏附力进行了测量，为PDC钻头防泥包性能的研究提供新的思路和方法。

1 基于生物体表仿生的非光滑表面

以海生动物、陆上动物等几种比较典型的非光滑表面为例，生物体表的典型非光滑表面形状有凹坑状、凸起状、波状和鳞片状。表1展示了几种典型非光滑表面的结构参数。

在设计PDC钻头非光滑表面形态时，不但要考虑生物原型的尺寸大小、形态及密度等，还要考虑工业加工的难易程度、材料本身的力学特性与生物原型材料力学特性的匹配关系，试件的表面质量等。因此，PDC钻头体非光滑表面形态的设计原则是试件的形态和尺寸与试样接近或相似，且均匀分布。综合上述因素，同时考虑PDC钻头体的机械加工条件，工艺参数的选取，以及凹坑、沟槽的形态的相似性，最后选取PDC钻头体工业表面设计参数如表2所示，总共10个试件，所有试件的直径为60 mm，厚度为10 mm。加工完成后的非光滑表面试件如图1～3所示，图4为用于对比实验的光滑表面试件。

表1 几种典型非光滑单元表面结构参数[14]

表2 非光滑试件参数 mm

图1 圆形沟槽试件

图2 方形凸包试件

图3 圆形凹坑试件

图4 光滑表面试件

2 非光滑表面防黏附性能实验

2.1 实验台架

非光滑表面防黏附性能实验采用模拟实验方式，借助圆盘型试件与饱和黏土间的黏附，模拟井下PDC钻头泥包现象，测试不同表面形态试件与黏土间的黏附力，评价非光滑表面防泥包效果。实验台架主要包括装饱和黏土容器、固定台架、拉力计和拉力显示仪(见图5)。拉力计具有储存峰值的功能，以牛顿为单

图5 实验台架

位。台架和拉力计配合使用，拉力计上下游程在合理范围之内，避免试件与黏土分离后做过多的无用功，同时台架还能允许更换不同量程的拉力计。为了保证每次实验试件在黏土中沉降在同一深度，在容器中心设计一个用于支撑的支杆，使其可以支撑试件。本实验台架操作简单，使用方便，通过更换拉力计可进行不同大小黏附力的测量，也可进行简易改装，安装各种传感器及夹具。

2.2 实验过程

非光滑表面防黏附实验的具体过程如下：

(1) 选取优质黏土，经烘干、研磨、筛分后，将黏土装入实验台架的容器中，黏土表面压实平整，注入水，制成饱和黏土，并静置1周，以保证水与黏土颗粒的充分接触。

(2) 将试件放置于饱和黏土的表面并充分接触，静置一段时间后，试件与黏土间产生黏附力。上提试件，当拉力大于试件与黏土间的黏附力时，试件与黏土分离，拉力计显示最大拉力，为了避免误差，每组实验进行3次，选取实验平均值作为黏附力的数值。

(3) 调整实验参数，测试仿生试件非光滑表面单元体的形状分布、尺寸大小及与黏土接触时间对黏附力大小的影响，具体参数设置如下：下放速度10 mm/s，提升速度5 mm/s，保压时间1 min、10 min、1 h、4 h、12 h，试件自重200 g左右。

(4) 将得到试件与黏土分离的拉力和所测试的试件在与拉脱力垂直方向的投影面积的比值作为黏附力，黏附力的单位设为Pa。

3 实验结果处理与分析

对于实验中设计的仿生非光滑试件，影响其黏附性的因素有非光滑单元体形状及其尺寸、单元体的分布状态以及非光滑表面与黏土的接触时间，于是选取三者为研究对象，分别讨论这3种因素对黏土/试件界面间黏附力的影响规律。实验结果如图6～8所示。

图6 圆形沟槽试件黏附力

(1) 非光滑单元体形态对黏附性能的影响。通过对图6～图8中3种非光滑表面产生的黏附力大小对比可知，圆形沟槽试件的黏附力最小，凹坑形的最大。由此得出：3种非光滑表面单元体降黏效果最好的是圆形沟槽，方形凸包次之，圆形凹坑形最差。

图7 方形凸包试件黏附力

图8 圆形凹坑试件黏附力

(2) 非光滑单元体尺寸对黏附性能的影响。通过对图6～图8中不同尺寸参数之间的对比，发现在3个类型的试件中，中等尺寸的仿生非光滑单元体表面黏附力最小，说明存在最优尺寸。鉴于实验只选取了3种尺度的单元体尺寸，后期需要进行更多实验来确定最优值。

(3) 试件与黏土接触时间对黏附性能的影响。由图6～图8可知，对于3种不同形态的非光滑试件，其与黏土间的黏附力均随接触时间的增加而增大，说明采用非光滑表面防泥包时应尽量减少PDC钻头与泥质岩屑的接触时间。

4 结 语

将仿生学中的非光滑几何表面形态引用到PDC钻头的表面结构设计中，结合PDC钻头泥包特性和生物体表的非光滑形态，设计了圆形沟槽、方形凸包、圆形凹坑三种非光滑表面试件。

采用室内实验方法对不同非光滑表面结构、不同单元体尺寸及接触时间状态下的试件与黏土间的黏附力进行了测量，得出了这三种因素对黏附力大小的影响程度，总结出非光滑表面单元体的形态、尺寸及接触时间的最佳值域。