凸棱非平面聚晶金刚石齿的破岩机理及在含砾 地层中的应用

陈炼 魏小虎 曹强 周岩 杨迎新 胡川 赵志杰 伍彬

摘要 ：为提高聚晶金刚石复合片（PDC）钻头在含砾、软硬交错等不均质地层中的抗冲击性能，开展了凸棱非平面PDC齿的研究。通过仿真和室内实验对比分析了凸棱非平面齿与常规平面齿的破岩机理。与平面齿相比，凸棱非平面齿与岩石的接触应力分布更均匀，切削破岩过程中的载荷波动幅度明显更小，切削稳定性更高。凸棱齿特殊的非平面结构改变了切削齿与岩石的互作用方式，在不均质地层得到成功应用。

关键词 ：非平面聚晶金刚石齿；含砾地层；破岩机理；冲击损坏

中图分类号 ：TE242

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.022

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Mechanism of Rock Breaking by Convex Non-planar PDC Cutter and Its

Applications in Gravel-bearing Formation

CHEN Lian 1 WEI Xiaohu 1 CAO Qiang 1 ZHOU Yan 2 YANG Yingxin 1 HU Chuan 1

ZHAO Zhijie 1 WU Bin 1

1.School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，610500

2.Drilling and Production Technology Research Institute of China Petroleum Jidong Oilfield Branch，

Tangshan，Hebei，063000

Abstract ： A study of convex non-planar PDC cutter was conducted to improve the impact resistance of PDC bits in gravel-bearing， soft-hard interlaced， and other inhomogeneous formations. By comparing simulation and laboratory experiments， the mechanism of rock breaking between convex non-planar cutter and conventional planar cutter was investigated. Compared to planar cutter， the contact stress generated by cutting rock with convex non-planar cutter is more uniform on the cutter， the load fluctuation during the cutting processes is significantly smaller， and the cutting stability is higher. The special non-planar structure of the cutter changes the interaction mode between the cutting cutter and the rock， and is successfully applied in heterogeneous formations.

Key words ： non-planar polycrystalline diamond compact（PDC） gear teeth bit； gravel-bearing formation； mechanism of rock breaking； impact damage

0 引言

油氣钻井中，聚晶金刚石复合片（polycrystalline diamond compact，PDC）钻头的进尺量已超过90%，成为最主要的钻井破岩工具  ［1-2］ 。PDC钻头在软到中硬地层特别是较均质地层中的钻速高、寿命长，但对地层岩性和使用条件较敏感，在硬地层、研磨性地层中使用寿命短。在高强度的含砾不均质地层中，PDC齿易发生先期冲击损坏，导致钻头寿命急剧缩短  ［3］ 。平面齿PDC钻头的弊端明显，在钻进含砾、软硬交错等不均质地层时，其较差的抗冲击性能导致钻速低、进尺短的问题尤为突出  ［4］ 。

含砾极不均质地层的主要特点是含硬颗粒，颗粒间的胶结质与硬颗粒的强度差异极大，地层岩性极不均质，给PDC钻头带来严峻挑战  ［5-6］ 。新疆油田八道湾组底砾岩和新疆库车山前巨厚砾石等地层的砾石含量高，且砾岩硬度高、粒径大，岩性不均质性极强，PDC钻头钻进时，切削齿所受冲击大  ［7-8］ ，易使钻头发生崩齿、断刃、掏心、环切等早期失效，导致PDC钻头寿命短、进尺短、趟钻多、钻井效率低、成本高。钻进此类地层时，PDC钻头早期失效普遍，往往改用牙轮钻头钻进，但牙轮钻头受轴承密封系统使用寿命的限制，起下钻频繁，无法有效解决钻井效率低的难题。因此，提高PDC齿的抗冲性能是解决钻头在该类地层使用寿命短、单趟进尺短的有效途径之一。

为提高PDC钻头在含砾等极不均质地层中的适应性，学者在钻头布齿设计  ［9-12］ 、辅助切削结构设计  ［13-14］ 、齿型结构改进  ［15-17］ 等方面开展了诸多尝试。由于含砾地层岩性的不均质和硬颗粒带来的冲击，钻头布齿优化和辅助结构设计等切削结构的改进不能从根本上改变PDC钻头在不均质地层中受局部不均衡冲击的工况，因此效果有限。应用非平面齿是提高钻头切削齿抗冲击能力的有效手段，并已提出多种不同结构的非平面PDC齿，如屋脊齿  ［18-19］ （又称斧形齿）、三棱齿  ［20-21］ （如奔驰齿等）、多棱齿、阶梯面齿  ［22］ （如哈里伯顿的4D齿）、环凹齿  ［23-24］ （Hughes公司的StayCool、ShockWave齿）等，这些齿型的创新和改进提高了PDC钻头在不均质地层中的适应性，但在含砾地层中的应用效果仍不尽人意。

笔者针对PDC钻头在不均质地层中抗冲击性差导致寿命短的问题，开展了新型凸棱非平面PDC齿破岩机理的研究，并对应非平面齿PDC钻头的开发与应用，找到凸棱非平面PDC齿的破岩力学规律和抗冲原因。

1  凸棱非平面PDC齿的刮切破岩仿真模型

建立凸棱非平面PDC齿与平面PDC齿切削均质砂岩、含砾砂岩和软硬交错岩石的仿真模型。图1所示为含砾砂岩与软硬交错岩石的简化仿真模型，其中，含砾砂岩中的硬砾和软硬交错岩石中的硬层选用高强度的灰岩（模型中的深色部分），软岩选用强度低的砂岩（模型中的浅色部分）；含砾岩石模型的含砾量为33.3%，砾石随机分布；软硬交错岩石模型的硬层灰岩占比为33.3%，软层砂岩占比为66.7%。

1.1 建模假设

PDC齿的实际破岩环境较复杂，为简化模型与参数的定义，对仿真模型作以下假设  ［25-27］ ：①忽略岩石孔隙和纹理对破岩过程的影响；②忽略钻井液与围压对破岩过程的影响；③忽略切削过程中的切削齿温度变化对破岩过程的影响；④不考虑切削齿的磨损。

1.2 模型参数设置

单齿刮切岩石模型中，切削齿直径 D 为 15.88 mm， 凸棱非平面齿的脊高 h 为0.8 mm，脊背夹角 α 为145°，脊背圆角半径 r 为2 mm（图2）。凸棱非平面齿与平面齿的仿真模型如图3所示，模型选取0.25 mm的C3D8R單元进行网格划分。岩石模型依照圣维南原理取为50 mm×50 mm×20 mm的长方体，并选择C3D8R单元进行网格划分。为提高仿真结果的准确度与计算效率，对岩石切削区域进行局部网格细化。岩石本构关系选择Drucker-Prager准则  ［28-29］ 。实际岩层的软硬交错情况复杂，为简化仿真模型，灰岩与砂岩各取4列并按“硬 软”交错布置。模型中，灰岩的纵向（垂直于布置方向、平行于切削方向）宽度分别为5，3，4，5 mm，砂岩的纵向宽度（间隔）分别为6，7，10，10 mm。切削齿和岩石模型的相关材料参数如表1所示。

仿真中，设定PDC齿的前倾角为15°，切入岩石深度为2 mm，切削速度为250 mm/s。不均质岩石模型仿真中的切削方向垂直于岩石软硬交错布置方向，对岩石的非切削区域施加全约束。

2 刮切破岩仿真结果分析

2.1 PDC齿破岩机理分析

图4所示为两种PDC齿切削岩石时，岩石在不同时刻的Mises应力分布图，可以看出，平面齿在破碎岩石时，应力集中区域为切削齿边缘处，说明平面齿的齿面对岩石形成挤压，齿刃边缘与岩石作用产生较大的应力，平面齿对岩石产生挤压和剪切作用；凸棱齿破碎岩石时，岩石的应力集中区域为切削齿的中间部分即凸棱齿的凸脊，说明凸棱齿主要依靠凸脊结构与岩石作用 产生较大的点载荷  ［30］ ，从而在岩石上产生小范围破碎，以吃入 岩石。

图5所示为岩石在切削全过程的最大塑性主应变云图，图6所示为岩石在切削全过程的塑性剪应变云图，图中的红色与橙色区域为PDC齿切削过程中岩石发生较大塑性变形的区域。由图5a、图6a可以看出，平面PDC齿刮切岩石区域存在较大的塑性变形且呈条状分布（平行于齿面），被切削岩石发生塑性剪应变的区域为切削齿边缘。这说明平面PDC齿破岩主要是依靠向与切削齿接触的岩石施加压应力，通过切削齿边缘的剪切力剪切、挤压破碎岩石。观察图5b、图6b可以看到，被切削岩石发生较大塑性拉应变的区域为凸棱齿凸脊结构的两侧，同时被切削岩石还在凸脊结构的两侧存在相反方向的塑性剪应变，剪切变形发生在整个岩石的刮切区域。这说明凸棱齿在依靠其表面凸脊结构挤压岩石产生点载荷侵入岩石后，凸脊结构继续挤劈（拉）岩石，使被刮切区域岩石在切削齿凸脊结构两侧发生拉剪变形，最终在拉剪综合作用下使岩石破碎。

2.2 PDC齿受力情况分析

图7所示为PDC齿切削岩石时切削齿的接触应力分布，可以发现，切削齿的接触应力只出现在与岩石接触的区域，且凸棱非平面PDC齿的接触应力分布范围更广；平面PDC齿的接触应力主要分布在切削齿的齿刃边缘，凸棱非平面PDC齿的接触应力主要分布在切削齿的凸脊两侧及齿刃边缘，并在切削齿的凸脊出现应力集中。这与两种切削齿破岩机理的分析结果一致，进一步说明平面PDC齿主要通过剪切、挤压破碎岩石，凸棱非平面PDC齿主要依靠切削齿上的凸脊结构挤劈、剪切破碎岩石。

图8所示为两种PDC齿切削不同岩石时切削齿所受切向力随时间的变化曲线。

在3种岩石中，两种切削齿的切向力都随时间发生明显波动，但不同岩性导致切向力曲线变化不同。均质的砂岩中，平面齿和凸棱齿的切向力均周期性波动，且波动频率较低。含砾砂岩中，平面齿和凸棱齿的切向力也周期性波动，但波动频率明显高于均质砂岩。 软硬交错岩石中，平面齿和凸棱齿的切向力周期性波动，但波动频率在均质砂岩和含砾砂岩之间；切削齿切到软岩时，切削载荷整体明显下降，切到硬岩时，整体载荷会明显升高。切削过程中，随岩性的软硬变化，切削力曲线呈大周期性升降波动。切向力在切削过程中周期性波动的原因是，切削开始时，在岩石内聚力作用下，切削齿的切向力逐渐增大；达到并将超过内聚力时，岩石发生崩损，切削力达到峰值；之后，切削齿与崩损后的岩石接触区域骤减，切削力迅速减小，直到再次与未破碎的岩石接触，切向力再次迅速增大，如此反复。

切削齿的不同形状导致切向力曲线波动幅度明显不同，三种岩性中，凸棱齿的波动幅度明显小于平面齿的波动幅度，且凸棱齿的切削过程更平稳。因此，凸棱齿破岩时的切削稳定性更强，在破岩过程中所受的冲击更小，即凸棱结构能明显减小切削齿的冲击，减少或避免切削齿冲击失效。

图9、图10所示分别为PDC齿切削地层时切向力的平均值及均方差。由图9可以看出，在常规砂岩和含砾岩石中，凸棱齿的切向力平均值均比平面齿的小；在软硬交错岩石中，凸棱齿的切向力平均值比平面齿的大。这是由于软硬交错岩石中的软岩与常规砂岩的强度一样，而硬岩比常规砂岩的强度高，含砾岩石中虽有硬岩颗粒，但硬颗粒所占量的比例较低（约33%）。由图10可知，凸棱齿切削不同岩石的切向力均方差均比平面齿的小，这与切削力曲线的分析结果一致，即凸棱齿在切削过程中的切削力波动幅度较平面齿小，切削过程的冲击振动也小。切削齿在切削过程中承受的切向力越小，岩石越容易破碎，切削齿所需输出的能量也越小。由于凸棱齿切削不同岩石的切向力均方差均比平面齿的小，所以凸棱齿在切削多数地层时所需的能量较平面齿小。

进一步比较两种切削齿切削不同地层时切向力的极差，由图11可知， 平面齿在不同岩性下的切向力变化范围都明显要比凸棱齿的大，说明平面齿在切削过程中，特别是在切削非均质地层时，瞬时切向力的增大、减小幅度都较凸棱齿大。大幅度的切削载荷波动对切削齿造成的冲击更大，易造成切削齿的冲击损坏。

3 凸棱非平面PDC齿的刮切破巖实验

3.1 实验方案

单齿切削岩石试验装置由刨床和测试系统组成，其中，测试系统由PDC齿、夹持装置和配套传感器等组成，如图12所示。实验岩样为砂岩（力学参数见表1），选用的常规平面PDC齿与凸棱非平面PDC齿（图13）的直径均为15.88 mm。实验前，对被刮切岩石表面进行预平整，PDC的切削前倾角为15°，切削速度为250 mm/s，切入深度为2 mm。

3.2 实验结果分析

PDC齿刮切岩样时，切向力随时间的变化曲线以及切向力平均值、均方差和极差如图14所示，可知，凸棱齿的切向力平均值明显小于平面齿，切向力的均方差及极差也较平面齿的小，与仿真模拟分析结果的趋势一致，说明在切削过程中，凸棱齿比平面齿的切削平稳性好，冲击更小，遭受瞬时大载荷冲击的可能性更低。

综合分析实验及仿真模拟结果可知：相同岩石中，凸棱非平面齿的切向力均值比平面齿的小，在钻进过程中，其被冲击损坏的可能性较平面齿低，抗冲击性能更强，使用寿命更长；凸棱齿切向力的波动幅度及瞬时最大切向力，在均质地层和非均质地层中都要较平面齿小，切削岩石产生的接触应力分布也更均匀，在钻进过程中受到的冲击振动更小。因此，采用凸棱齿能降低PDC钻头钻进工作时的黏滑振动，钻头切削破岩过程的稳定性更高，并能减少钻头冲击损坏，提高钻头持续钻进能力，延长钻头使用寿命。

4 凸棱非平面PDC齿的现场应用

4.1 工程问题与钻头开发

以上研究表明，凸棱齿特殊的非平面凸棱结构能改变切削齿与岩石的互作用方式，明显减小切削载荷波动幅度和切削齿破岩冲击，提高切削破岩的平稳性。凸棱齿在含砾等不均质地层中所受的工作冲击明显小于平面齿，有利于提高切削齿的抗冲击能力，提高切削齿在不均质地层中的适应性和使用寿命。

新疆油田玛湖区域的侏罗系八道湾组底砾岩的粒径一般为20～50 mm，最大为100 mm，胶结致密，层厚度约为150～300 m，且地层极不均质，冲击性极强，PDC钻头不能适应，难以穿过。钻遇底砾岩层段时，往往会因冲击崩齿导致钻头环切、掏心等严重失效（图15）。八道湾组底砾岩导致的起下钻多，钻井速度慢，一直是该层段钻井提速的“拦路虎”。

针对含砾不均质地层开发了凸棱齿PDC钻头（图16），该钻头的主切削齿采用凸棱非平面PDC齿。凸棱齿PDC钻头为5刀翼（3长刀翼+2短刀翼）中浅内锥、中长外锥的结构，钻头攻击性较强，以适应长可钻性好井段的快速钻进，

并在穿过底砾岩段后能有较强的攻击性继续高效钻进下部的可钻性好井段。钻头外锥部设置后排齿，双排齿结构提高了钻头外部的持续抗冲能力和耐磨性，确保外部前排切削齿在冲击损坏后仍有一定的主动切削性能，保持钻头持续钻进的能力，延长使用寿命。

4.2 凸棱齿钻头现场应用

凸棱齿PDC钻头XZ519PD用于艾湖区块的3口井，3只钻头都钻穿了八道湾组底砾岩。表2所示为3只凸棱齿PDC钻头的基本钻进情况。图17所示为AH-C井的凸棱齿PDC钻头出井照片，该钻头在钻穿八道湾组底砾岩后仍有良好的 钻进能力，并一趟钻钻完整个二开井段。开发的

3只凸棱齿PDC钻头钻穿八道湾组底砾岩的概率达到100%，并有2只钻头实现了二开一趟钻。凸棱齿的应用大大提高了PDC钻头的抗冲击性能，能很好适应八道湾组底砾岩极不均质地层的钻进，有效减少了起下钻趟次，节约了钻井周期和 成本。

5 结论

（1）仿真分析表明，平面PDC齿主要通过剪切、挤压破碎岩石，凸棱非平面PDC齿主要依靠切削齿上的凸脊结构挤劈、剪切破碎岩石。凸棱非平面齿切削破岩过程中的载荷波动幅度明显小于平面齿，切削稳定性较平面齿更好。

（2）凸棱齿的非平面凸棱结构改变了切削齿与岩石的互作用方式。与平面齿相比，凸棱非平面齿与岩石的接触应力分布更均匀，凸棱非平面齿的抗冲击性能强于平面齿，在钻进过程中受到的冲击振动更小。因此，采用凸棱齿能减小PDC钻头钻进工作时的黏滑振动，钻头切削破岩过程的稳定性更好，能减少钻头冲击损坏，提高钻头持续钻进能力和使用寿命。

（3）现场应用表明，凸棱非平面齿能大大提高PDC钻头的抗冲击性能，以及在含砾等极不均质地层的适应性和钻进性能，有效减少起下钻趟次，节约钻井周期和成本。

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（ 编辑 张 洋 ）

作者简介 ：

陈 炼 ，男，1981年生，副研究员。研究方向为油气钻头、钻井工具、岩石破碎学及其成果转化。发表论文30余篇。E-mail：chenlian8121@sina.com。