仿生非光滑PDC片钻头设计与应用

《仿生非光滑PDC片钻头设计与应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、仿生非光滑PDC片钻头设计与应用娄新见，何东，韩霖（中原石油勘探局钻井管具工程处，河帝濮阳457331）汪嘉彳韦（快江大学机械工程学院，湖北刑州434023）［摘要］针对目前钻井过程中使用PDC钻头悄况，提出并设计加工出仿生非光滑PDC片钻头.玺点介绍了仿生非光滑PDC片的设计原理和结构，以及用仿生PIXJ片制谨出的钻头在现场应用的情况.结果表明，非光滑PDC片钻头比常规PDC钻头、牙轮钻头寿命长.平均机械钻速提高60%以上，特别适合配丨合螺杆钻具便用，具有较好的推广应用前景。［关键词］聚晶金刚石复合片钻头）鬓晶金刚石复合片；仿生非光滑；钻头设计［中图分类号］TE921.

2、）02,106［文献标志码］A［文章编号］1000-9752（2012）10-0148-051设计背景冃前国内外在油气井的勘探和开发施工中，旋转钻井仍是最主要的钻井方法，主要使用牙轮钻头、聚晶金刚石复合片（PDC）钻头2大类型。PDC钻头与牙轮钻头相比，具有机械钻速高、寿命长、成本低和防斜、岩屑便于钻井液携带等特点，因而在国内外钻井中得到广泛应用。实践证明，PDC钻头在软至中硬的低研磨性地层中，钻速快、寿命长、进尺多；但在高研磨性和硬地层中使用效果却很差,往往前期效果明显，但PDC片一旦磨损，机械钻速下降，并很快失效.钻头寿命较短，稳定性差。研究结果表明，国内外复合片具有

3、如下差异和改进方向：①国内聚品金刚石复合片杂质含星偏高,含有Mo、Fe、Cr等杂质，需要采取综合措施降低杂质含呈.包括：提高金刚石微粉原材料的纯度,改善操作环境；改进烧结时屏蔽层金属杯的材料；改进烧结前的处理和储存，采取真空处理和真空储存以排除金刚石吸附的各种杂质；建立金刚石微粉杂质检测方法和标准。②国内聚晶金刚石层中晶粒之间直接连接的共价键（C-C键）比例少，催化剂金属含量过高，导致宏观强度低，包括：提髙金刚石微粉堆积密度以提高烧结时高圧传递的有效性和减小品粒之间的距离；减少催化剂金属加入蚩以避免其隔断金刚石晶粒之间的肓接健合.同时提高聚晶的热稳定性，采取措施防止金刚石

4、微粉在投料时出现粒度偏析；采取措施降低P1）C内部的残余应力，改进金刚石一硬质合金界面结构；改进硬质合金基体的材料,使其与聚晶层的硬度和热膨胀系数兵冇更好的适配性。另外・国内外PDC片制品虽很多.但聚晶层表面大都是平面，为减少切們黏附现象，一我采取抛光处理提高农面光洛度・磨成镜而.使得FDC复合片成本增高但效果并不明显。同时，常规复合片做成的PDC钻头・在钻进初期由于复合片的着力点小，容易吃入.钻头的机械钻速较快；但随着复合片工作部位磨损成平而・复合片与岩石的接触面积在加大，PDC片越来越钝，切削速度降低且磨损加快：尤其在钻进深井或超深井时，由于钻头寿命短，需不断更换钻头

5、保证正常钻进。由于具有脱附、减阻、耐磨等持性，仿生非光滑理论的仿生技术门②成为节省材料消耗、提高效率、降低成本的一种新型技术。利用仿生非光滑技术把土壤动物的体表非光滑形态应用到PDC复合片结构设计上，以此来减轻PDC复合片的切削黏附性、改善PDC排屑环境、降低PDC复合片的摩擦阻力、提高PDC复合片的寿命和切削效率。针对目前钻井过稈中使用PDC钻头情况，笔者提出并设计加T.出了仿生非光滑PDC片钻头。［收稿日期］2012・07-22［作者简介］娄新见（1972-）,男，1992年中原石油学校毕业.2004年河南财经学院生业，工程师，现从事鮎头设计制适及管理工作。2设计内容

6、2.1仿生工程学相似原理世界上，任何事物之间均有近似相同的现象。宇宙之间的事物千差万别、千变万化，但总可以从中发现大鼠的相似现象・这是由于宇宙是由物质统一构成的。利用相似原理是仿生学研究的基本方法，也就是说，没有相似原理仿生就无从谈起。尽管生物表面的非光滑形态各不相同，根据仿生钻头破岩的相似环境条件和相似功能，总可以找到与破岩钻头关键部件结构相适应的生物，再研究和分析该生物表面非光滑的单元和层次各种排列组合，得出规律，用于指导PDC钻头设计。•2.2非光滑种类优选通过对各种非光滑形态的详细分析，凸包形非光滑可以起到髙效破岩作用，与传统PDC复合片光滑表面相比，凸包形切削表

7、面减小了与岩石接触面积，比压高，同样参数下更容易吃入地层而增加切削凰，凸起部分沿垂直方向也是非光滑结构，而且凸起顶部不是锥形而采用凸包形，更耐磨和耐冲击；整体表面波纹形非光滑结构由于存在沟槽，并且在制造时候将纹理垂直于钻头外缘切线方向布置，这样使每个PDC复合片能“犁削”地层岩石，提高破碎效果；同时，这种结构具有很好的脱附降黏性，加上沟槽利于排屑、降温。因此，比较传统PDC钻头，这种设计钻进效率高、泥包轻或无泥包，PDC聚晶层冷却效果好・减少其热疲劳、热损伤及石墨化失效。2.3仿生非光滑PDC片设计'、在PDC片表面设计加工一