PDC鉆頭體非光滑表面防黏附性能實驗研究

朱麗紅， 陳澤鵬， 黃 勇， 強 偉， 王京印

(中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

0 引 言

PDC鉆頭在鉆進時具有鉆速快、效率高、壽命長等優勢，廣泛應用于軟到中硬的均質地層。PDC鉆進泥頁巖地層時，由于鉆進速度很快，巖石破碎后產生大量巖屑，如果井底清洗不充分，巖屑會堆積于井底。與此同時，由于泥頁巖中黏土礦物水化膨脹，黏性增強，巖屑會附著于切削齒和鉆頭體上，形成鉆頭泥包[1-2]。鉆頭泥包導致鉆頭破巖能力顯著較低，鉆速下降，并且切削齒失去冷卻作用，鉆齒磨損速度加快，鉆頭壽命縮短。泥包嚴重時，鉆頭完全失去鉆進能力，無法實現進尺，造成鉆井效率降低，鉆井成本升高[3]。目前，提高PDC鉆頭自身防泥包性能的措施主要包括三方面：鉆頭結構改進、水力設計優化及鉆頭體表面處理[4-6]。與其他兩種方法相比，鉆頭體表面處理采用降低PDC鉆頭與泥質巖屑間黏附力的方式，其可從根本上預防鉆頭泥包的出現。目前，常用手段如鉆頭體表面涂抹黃油、纏繞金屬網等，但上述措施防泥包的時效性短、效果差。

自然界中生物體表具有非光滑特征，其是在自然環境中經過長期的自然選擇而得到的最佳結果[7]。非光滑表面仿生是借鑒自然生物體表的非光滑形態并將其應用于工程材料表面，實現減黏、減阻和抗磨等特性[8-9]。目前，非光滑表面仿生已在眾多工程領域得到應用[10-13]。本文將仿生非光滑幾何表面形態引用到PDC鉆頭的表面結構設計中，并采用室內實驗方法，對不同非光滑表面結構、不同尺寸及不同時間狀態下的試件與黏土間的黏附力進行了測量，為PDC鉆頭防泥包性能的研究提供新的思路和方法。

1 基于生物體表仿生的非光滑表面

以海生動物、陸上動物等幾種比較典型的非光滑表面為例，生物體表的典型非光滑表面形狀有凹坑狀、凸起狀、波狀和鱗片狀。表1展示了幾種典型非光滑表面的結構參數。

在設計PDC鉆頭非光滑表面形態時，不但要考慮生物原型的尺寸大小、形態及密度等，還要考慮工業加工的難易程度、材料本身的力學特性與生物原型材料力學特性的匹配關系，試件的表面質量等。因此，PDC鉆頭體非光滑表面形態的設計原則是試件的形態和尺寸與試樣接近或相似，且均勻分布。綜合上述因素，同時考慮PDC鉆頭體的機械加工條件，工藝參數的選取，以及凹坑、溝槽的形態的相似性，最后選取PDC鉆頭體工業表面設計參數如表2所示，總共10個試件，所有試件的直徑為60 mm，厚度為10 mm。加工完成后的非光滑表面試件如圖1～3所示，圖4為用于對比實驗的光滑表面試件。

表1 幾種典型非光滑單元表面結構參數[14]

表2 非光滑試件參數 mm

圖1 圓形溝槽試件

圖2 方形凸包試件

圖3 圓形凹坑試件

圖4 光滑表面試件

2 非光滑表面防黏附性能實驗

2.1 實驗臺架

非光滑表面防黏附性能實驗采用模擬實驗方式，借助圓盤型試件與飽和黏土間的黏附，模擬井下PDC鉆頭泥包現象，測試不同表面形態試件與黏土間的黏附力，評價非光滑表面防泥包效果。實驗臺架主要包括裝飽和黏土容器、固定臺架、拉力計和拉力顯示儀(見圖5)。拉力計具有儲存峰值的功能，以牛頓為單

圖5 實驗臺架

位。臺架和拉力計配合使用，拉力計上下游程在合理范圍之內，避免試件與黏土分離后做過多的無用功，同時臺架還能允許更換不同量程的拉力計。為了保證每次實驗試件在黏土中沉降在同一深度，在容器中心設計一個用于支撐的支桿，使其可以支撐試件。本實驗臺架操作簡單，使用方便，通過更換拉力計可進行不同大小黏附力的測量，也可進行簡易改裝，安裝各種傳感器及夾具。

2.2 實驗過程

非光滑表面防黏附實驗的具體過程如下：

(1) 選取優質黏土，經烘干、研磨、篩分后，將黏土裝入實驗臺架的容器中，黏土表面壓實平整，注入水，制成飽和黏土，并靜置1周，以保證水與黏土顆粒的充分接觸。

(2) 將試件放置于飽和黏土的表面并充分接觸，靜置一段時間后，試件與黏土間產生黏附力。上提試件，當拉力大于試件與黏土間的黏附力時，試件與黏土分離，拉力計顯示最大拉力，為了避免誤差，每組實驗進行3次，選取實驗平均值作為黏附力的數值。

(3) 調整實驗參數，測試仿生試件非光滑表面單元體的形狀分布、尺寸大小及與黏土接觸時間對黏附力大小的影響，具體參數設置如下：下放速度10 mm/s，提升速度5 mm/s，保壓時間1 min、10 min、1 h、4 h、12 h，試件自重200 g左右。

(4) 將得到試件與黏土分離的拉力和所測試的試件在與拉脫力垂直方向的投影面積的比值作為黏附力，黏附力的單位設為Pa。

3 實驗結果處理與分析

對于實驗中設計的仿生非光滑試件，影響其黏附性的因素有非光滑單元體形狀及其尺寸、單元體的分布狀態以及非光滑表面與黏土的接觸時間，于是選取三者為研究對象，分別討論這3種因素對黏土/試件界面間黏附力的影響規律。實驗結果如圖6～8所示。

圖6 圓形溝槽試件黏附力

(1) 非光滑單元體形態對黏附性能的影響。通過對圖6～圖8中3種非光滑表面產生的黏附力大小對比可知，圓形溝槽試件的黏附力最小，凹坑形的最大。由此得出：3種非光滑表面單元體降黏效果最好的是圓形溝槽，方形凸包次之，圓形凹坑形最差。

圖7 方形凸包試件黏附力

圖8 圓形凹坑試件黏附力

(2) 非光滑單元體尺寸對黏附性能的影響。通過對圖6～圖8中不同尺寸參數之間的對比，發現在3個類型的試件中，中等尺寸的仿生非光滑單元體表面黏附力最小，說明存在最優尺寸。鑒于實驗只選取了3種尺度的單元體尺寸，后期需要進行更多實驗來確定最優值。

(3) 試件與黏土接觸時間對黏附性能的影響。由圖6～圖8可知，對于3種不同形態的非光滑試件，其與黏土間的黏附力均隨接觸時間的增加而增大，說明采用非光滑表面防泥包時應盡量減少PDC鉆頭與泥質巖屑的接觸時間。

4 結 語

將仿生學中的非光滑幾何表面形態引用到PDC鉆頭的表面結構設計中，結合PDC鉆頭泥包特性和生物體表的非光滑形態，設計了圓形溝槽、方形凸包、圓形凹坑三種非光滑表面試件。

采用室內實驗方法對不同非光滑表面結構、不同單元體尺寸及接觸時間狀態下的試件與黏土間的黏附力進行了測量，得出了這三種因素對黏附力大小的影響程度，總結出非光滑表面單元體的形態、尺寸及接觸時間的最佳值域。