布齒方式對(duì)PDC齒破巖特性影響

摘要：PDC鉆頭廣泛應(yīng)用于軟到中硬地層，合理的布齒方式有利于提高破巖效率。針對(duì)不同PDC鉆頭布齒方式，設(shè)計(jì)PDC齒破巖試驗(yàn)方案，通過(guò)切削力變化特征、巖屑分布特征、切削槽形貌以及巖石微觀破碎特征等探究PDC齒破巖特性與破巖機(jī)制。結(jié)果表明：合理的切削齒出露高度和布齒密度有利于降低破巖比能，提高破巖效率；切削深度影響切削槽表面的微裂紋分布和切削槽底部微裂紋層的厚度，且該裂紋損傷區(qū)產(chǎn)生的邊界效應(yīng)能夠有效促進(jìn)巖石破碎。

關(guān)鍵詞：PDC齒； 布齒方式； 切削槽間距； 切削面積； 破巖

中圖分類號(hào)：TE 21"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引用格式：陳晗，李欣龍，史懷忠，等.布齒方式對(duì)PDC齒破巖特性影響［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，48（5）：83-90.

CHEN Han， LI Xinlong， SHI Huaizhong， et al. Rock breaking characteristics under different cutter arrangements on PDC bits ［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2024，48（5）：83-90.

Rock breaking characteristics under different cutter arrangements on PDC bits

CHEN Han1， LI Xinlong2，3， SHI Huaizhong1， CHEN Zhenliang4， HE Wenhao2，3，

DAI Xianwei1， XIONG Chao1， SHI Minghao1

（1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting， China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China；

2.Beijing Key Laboratory of Petroleum Optical Detection Technology， China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China；

3.Energy Interdisciplinary Basic Research Center， School of Science， China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China；4.SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering Company" Limited， Beijing 102206， China）

Abstract：Polycrystalline diamond compact （PDC） bits have been widely used in drilling of soft to medium-hard rock formations. A rational layout or arrangement of PDC cutters on the bits can significantly contribute to enhanced rock-breaking efficiency. In this study， a rock breaking experimental scheme of PDC cutters was designed for testing different cutter placement methods， and the characteristics and mechanisms of rock breaking of the PDC bits were investigated by measuring the cutting force， the shape and size of rock cuttings， the morphology of cutting grooves and the characteristics of rock micro-fragmentation. The experimental results indicate that reasonable cutter height and cutter distribution density can reduce the specific energy of rock-breaking and improve the rock breaking efficiency. The cutting depth can affect the distribution of microcracks on groove surface and the thickness of the microcracks layer at the bottom of the grooves. A boundary effect can be generated in a crack damage zone， which can effectively promote rock breaking.

Keywords： PDC cutter; cutter arrangements; cutting groove spacing; area of cutting; rock breaking

自1973年以來(lái)，PDC鉆頭以效率高、壽命長(zhǎng)及可靠性高等優(yōu)勢(shì)被廣泛用于油氣井鉆探［1］。截至2004年，用于油氣開發(fā)的PDC鉆頭數(shù)量已經(jīng)超過(guò)了牙輪鉆頭，2012年在全球石油鉆探市場(chǎng)的占比超過(guò)了65％［2-3］。為進(jìn)一步提高PDC鉆頭破巖效率，前人通過(guò)單齒破巖實(shí)驗(yàn)對(duì)對(duì)PDC齒破巖機(jī)制開展大量研究 ［4-10］。發(fā)現(xiàn)切削深度較小時(shí)，巖石主要表現(xiàn)為塑性破壞容易導(dǎo)致PDC齒磨損失效；隨著切深增加，由于管柱振動(dòng)及巖石脆性破壞的原因，破巖過(guò)程中巖石易出現(xiàn)崩齒現(xiàn)象，但破巖效率大幅提高［11-15］；切深保持不變，減小后傾角能改善巖石的脆性破壞，提高PDC鉆頭破巖效率［16］。相關(guān)學(xué)者基于斷裂力學(xué)和彈塑性力學(xué)理論建立了不同的切削力模型，揭示PDC齒切削破巖機(jī)制［17-18］，但忽略了鉆井過(guò)程中不同切削齒的相互作用，難以為整個(gè)鉆頭的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。相鄰PDC齒在破巖過(guò)程中齒間應(yīng)力干擾會(huì)對(duì)巖石造成損傷，影響后續(xù)切削齒破巖效果，合理優(yōu)化齒間距能夠?qū)崿F(xiàn)巖石損傷最大化，提高破巖效率［19］。PDC鉆頭布齒的多樣性導(dǎo)致PDC齒切削巖石面積存在差異，合理預(yù)測(cè)不同切削面積條件下的切削力，可作為判斷PDC鉆頭工作條件的基礎(chǔ)［20］。筆者根據(jù)PDC鉆頭布齒方式差異總結(jié)3種不同切削模式，開展破巖試驗(yàn)，從切削力、巖屑分布以及破巖比能進(jìn)行分析，結(jié)合巖石微觀破碎特征優(yōu)化齒間配合參數(shù)，為PDC鉆頭的布齒優(yōu)化設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)置與巖石材料

1.1 試驗(yàn)設(shè)置

由于PDC鉆頭布齒方式不同，單齒切削形狀可分為同軌道切削、異軌道齒間切削以及異軌道巖脊切削3種，如圖1所示。當(dāng)前后齒位于相同軌道時(shí)，前齒切削巖石后在切槽底部形成損傷，便于提高后齒切削效率；而前后齒位于不同軌道時(shí)，利用齒間巖石損傷和邊界效應(yīng)，合理優(yōu)化前齒的齒間距，實(shí)現(xiàn)提高PDC鉆頭破巖效率最大化。

為探究不同切削形狀下PDC齒破巖特性，設(shè)計(jì)PDC齒切削試驗(yàn)方案，如表1所示。

試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄切削力變化特征，采樣頻率設(shè)置為200 Hz，選用直徑19 mm、高度13 mm的PDC齒，切削齒后傾角為20°，切削速度為5 mm/s。試驗(yàn)流程如圖2所示。該試驗(yàn)在自行研制的單齒切削試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行［21］。該設(shè)備可以加載1 t切削力，切削速度為1.6～230 mm/s，可調(diào)；通過(guò)進(jìn)尺手柄（a）與千分尺配合，可實(shí)現(xiàn)切削深度的精確控制（0.001 mm），通過(guò)手柄（c）與PDC齒夾持器的配合可以實(shí)現(xiàn)后傾角從-45°～60°的調(diào)整，調(diào)節(jié)手柄（b）可以改變切削槽位置，探究不同切削形狀條件下的巖石破碎機(jī)制，基于切削力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，有效評(píng)價(jià)破巖效率。

完成單組試驗(yàn)后，首先收集切削過(guò)程中產(chǎn)生的巖屑，便于后續(xù)利用不同目數(shù)的篩網(wǎng)對(duì)巖屑進(jìn)行篩分，同時(shí)采用高精度電子天平確定每組巖屑的質(zhì)量并計(jì)算其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以此來(lái)探究不同破巖條件下巖屑分布規(guī)律；然后采用三維表面形貌儀測(cè)量切削槽形貌特征，該設(shè)備最高分辨率400 nm，結(jié)合配套的后處理軟件獲取巖石破碎體積、表面粗糙度等數(shù)據(jù)，用于計(jì)算PDC齒破巖比能，評(píng)價(jià)巖石破碎效率；最后采用掃描電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡分別對(duì)切削槽表面和底部微觀裂紋進(jìn)行觀察分析，探究巖石微觀破碎特征。

1.2 試驗(yàn)材料

選用山東花崗巖露頭作為試驗(yàn)巖樣，加工成邊長(zhǎng)為150 mm的立方體，并使用銑床和金剛石磨片進(jìn)行打磨，保證各個(gè)平面的平行度與光滑度。巖樣密度為2.62 g/cm3，彈性模量為35.46 GPa，泊松比為0.28，黏聚力為37.88 MPa，內(nèi)摩擦角為53.18°，抗壓強(qiáng)度為164.2 MPa。

2 同軌道切削試驗(yàn)

針對(duì)同軌道切削試驗(yàn)，考慮前后排切削齒的各自切削深度和二者高度差，對(duì)試驗(yàn)組數(shù)進(jìn)行編號(hào)：1-1和1-2分別代表固定第二次切削深度（1 mm）時(shí)的一次切削和二次切削；2-1和2-2分別表示固定第一次切削深度（1 mm）時(shí)的一次切削和二次切削。并從切削力變化特征、巖石破碎比能變化特征及巖屑分布特征等方面進(jìn)行分析。

2.1 切削力變化特征

切削力是反映巖石破碎難易程度最直觀的參數(shù)［22］。與此同時(shí)，切削力的波動(dòng)特性能夠有效反映巖石破碎過(guò)程。如圖3所示，當(dāng)PDC齒與巖石接觸后（點(diǎn)A），切削力在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，反映了能量的積聚過(guò)程。當(dāng)切削力超過(guò)巖石承載能力之后，巖屑被剝離，此時(shí)切削力迅速下降，積攢的能量得到釋放。由切削力波動(dòng)特性可知，巖石的破壞過(guò)程實(shí)質(zhì)上是能量反復(fù)加載和釋放的過(guò)程。當(dāng)切削齒運(yùn)動(dòng)到巖石邊界后，兩者失去相互作用，短時(shí)間內(nèi)切削力迅速下降為零。通常會(huì)用切削力均值作為評(píng)價(jià)巖石破碎難易程度的指標(biāo)。為了減弱巖石邊界效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，僅采用穩(wěn)定階段（CD段）的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)比分析各組穩(wěn)定段的切削力數(shù)據(jù)，得到不同切削深度下切削力均值變化規(guī)律，如圖4所示，當(dāng)?shù)诙吻邢魃疃裙潭〞r(shí)（1-1與1-2），兩次切削力均值均隨切削深度增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。這是由于一次切削時(shí)隨切削深度增加，其對(duì)應(yīng)的切削面積增加，導(dǎo)致切削力不斷增長(zhǎng)；隨后進(jìn)行二次切削時(shí)的切削深度是在一次切削深度基礎(chǔ)上固定不變。由幾何關(guān)系可知，其對(duì)應(yīng)的切削面積也在不斷增加（圖5），因此切削力也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。然而，當(dāng)一次切削深度固定時(shí)（2-1和2-2），一次切削的切削力均值穩(wěn)定在約1000 N，由于其切削面積固定不變，不受其他因素影響，因此切削力相對(duì)穩(wěn)定；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次切削時(shí)，切削力隨切削深度的增加顯著增長(zhǎng)。

2.2 巖石破碎比能變化特征

由于同軌道切削試驗(yàn)的兩種方案切削面積存在顯著差異，對(duì)切削力均值影響較大，難以評(píng)價(jià)巖石破碎特性?；诖颂攸c(diǎn)，計(jì)算不同切削參數(shù)下巖石破碎比能來(lái)衡量PDC齒切削破巖效率［23］， 表示為

EMSE=WV=∑ni=1Fi+Fi+12ΔLV .（1）

式中，EMSE為巖石破碎比能，代表破碎單位體積巖石所需要的能量，MPa；Fi為不同時(shí)刻實(shí)時(shí)采集到的切削力，N；ΔL為兩個(gè)采樣點(diǎn)之間PDC齒的切削距離，可由切削力采樣頻率與切削速度確定，mm；V為對(duì)應(yīng)距離的巖石破碎總體積，通過(guò)形貌儀后處理軟件獲取，mm3。

采用式（1）計(jì)算得到的不同條件下PDC齒切削破巖比能變化規(guī)律，如圖6所示。

在第二次切削深度固定時(shí)（1-1和1-2），一次切削的巖石破碎比能在切削深度0.2～0.6 mm區(qū)間保持相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)切削深度增加至0.8和1.0 mm后相對(duì)較小；二次切削的巖石破碎比能在160～180 MPa內(nèi)波動(dòng)，且整體上較一次切削時(shí)不同切削深度的對(duì)應(yīng)數(shù)值偏小，主要是由于切削深度對(duì)巖石破碎模式的影響造成的。大量研究已經(jīng)證明，隨著切削深度的增加，巖石會(huì)由原來(lái)的塑性破壞轉(zhuǎn)化為脆性破壞，從而降低破巖比能，提高破巖效率。該試驗(yàn)條件下未發(fā)現(xiàn)一次切削對(duì)二次切削破巖過(guò)程存在明顯影響。結(jié)果證明在PDC齒破碎巖石過(guò)程中，其底部損傷非常有限，當(dāng)二次切削深度較大時(shí)，前后齒高度差異并不能有效促進(jìn)巖石破壞。當(dāng)?shù)谝淮吻邢魃疃裙潭ú蛔儠r(shí)（2-1和2-2），一次切削的切削面積基本一致，但實(shí)際產(chǎn)生切削槽形狀有些差異，導(dǎo)致在切削深度為0.6 mm時(shí)破巖比能取極小值；二次切削時(shí)，破巖比能隨著切削深度變化較為明顯，切削深度由0.2 mm增加到0.6 mm時(shí)破巖比能呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但均明顯小于1-1對(duì)應(yīng)的破巖比能。結(jié)果證明一次切削對(duì)巖石底部造成了損傷，二次切削位于該損傷范圍內(nèi)（存在微裂紋區(qū)域）時(shí)破巖比能較小（圖7）。切削深度超過(guò)0.6 mm以后，二次切削的破巖比能增長(zhǎng)變緩，兩次切削的破巖比能之和有所增長(zhǎng)，證明巖石底部損傷有利于提高破巖效率，但是影響范圍有限。因此綜合考慮前后排切削齒的實(shí)際切削量和破巖比能，推薦后排齒較前排齒的出露高度控制在0.6 mm以內(nèi)。

2.3 巖屑分布特征

不同粒徑巖屑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與巖石破碎特征密切相關(guān)，當(dāng)切削深度較小時(shí)巖石以壓碎破壞為主，此時(shí)對(duì)應(yīng)的巖屑體積較小。隨著切削深度的增加，巖石切削過(guò)程中開始發(fā)生巖石崩離破壞，并產(chǎn)生塊狀巖屑，對(duì)應(yīng)的破巖比能也會(huì)有所減小?；诖?，采用不同目數(shù)的篩網(wǎng)對(duì)巖屑進(jìn)行篩分，并分為5組，如圖8所示，其中粒徑（d）小于0.425 mm的巖屑基本為粉末狀，表明巖石切削過(guò)程中的壓碎破壞。巖屑粒徑大于0.425 mm的部分呈現(xiàn)出明顯的片狀特征，尤其是粒徑大于2.0 mm的巖屑體積明顯增大，此時(shí)裂紋擴(kuò)展是巖石破壞的主要途徑。

不同切削深度下巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化如圖9所示。為了減少分析變量，僅計(jì)算不同形貌特征的巖屑分布規(guī)律。隨切削深度增加，粉末狀巖屑（

d＜0425 mm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯減少，片狀與塊狀巖屑（d＞0.850 mm）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。結(jié)果表明，塊狀巖屑量越大，破巖比能越小。根據(jù)巖石比表面能理論，粉末狀巖屑所對(duì)應(yīng)的表面積最大，因此破巖耗能也最高。

當(dāng)?shù)谝淮吻邢魃疃裙潭〞r(shí)（2-2），相同切削深度下塊狀巖屑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于第二次切削深度固定時(shí)（1-1），尤其是切削深度相對(duì)較小時(shí)，該效應(yīng)更加明顯，表明較大的第一次切削深度對(duì)巖石造成的損傷更有利于提高破巖效率。根據(jù)前文分析可知，當(dāng)?shù)谝淮吻邢魃疃容^大時(shí)，會(huì)在巖石底部形成明顯的損傷，再進(jìn)行二次切削時(shí)巖石很容易沿著這些損傷薄弱面進(jìn)一步破壞，裂縫也更容易擴(kuò)展，因此可以產(chǎn)生更多的塊狀破碎，有效降低巖石破碎比能。

在PDC鉆頭布齒設(shè)計(jì)時(shí)，若前后兩切削齒位于同一軌道，應(yīng)根據(jù)地層情況適當(dāng)增加前排切削齒的出露高度，以保證其吃入地層深度，增加其切槽底部巖石的損傷區(qū)域；后排切削齒較前排的出露高度不宜過(guò)大，控制在0.6 mm以內(nèi)，應(yīng)以清理前齒造成的損傷區(qū)域?yàn)橹?。該種設(shè)計(jì)條件下，可以最大程度降低巖石破碎比能，提高鉆頭破巖效率。

3 異軌道切削試驗(yàn)

針對(duì)異軌道切削試驗(yàn)，考慮到兩個(gè)前排切削齒產(chǎn)生的切槽間距發(fā)生變化時(shí)其切削面積也相應(yīng)發(fā)生改變，難以通過(guò)切削力變化特征評(píng)價(jià)巖石破碎特性，因此對(duì)巖石破巖比能變化特征和巖屑分布特征以及切削槽形貌特征進(jìn)行分析。

3.1 巖石破碎比能變化特征

不同切削槽間距條件下巖石破碎比能如圖10所示。當(dāng)切削槽間距為2和4 mm時(shí)，切削破巖比能相對(duì)較小，分別為96.72和103.48 MPa，到切削槽間距增加至6 mm后破巖比能超過(guò)135 MPa，有了顯著升高，此時(shí)切削齒的破巖效率已明顯降低。該結(jié)果主要是由巖石的破碎特征所決定的，因此較小的切削槽間距，有利于增強(qiáng)三次切削破巖時(shí)邊界效應(yīng)對(duì)巖石破壞的影響，促使巖石發(fā)生體積破碎。本研究條件下，推薦鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量提高布齒密度，保證切削齒槽間距不超過(guò)4 mm，以獲取較高的破巖效率。

3.2 巖屑分布特征

不同切削槽間距條件下的巖屑分布特征如圖10所示。隨著切削槽間距增大，粉末狀巖屑（d＜0425 mm）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈不斷增大的趨勢(shì)，塊狀巖屑（d＞0.850 mm）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷減小。

這主要是由于一次切削和二次切削在切削槽底部的損傷區(qū)域有限，二者之間邊界效應(yīng)減弱，切削槽間距越大，后排齒進(jìn)行三次切削時(shí)需要的能量也就越大，切削破巖過(guò)程中能量的積累伴隨著切削力的上升與巖石的壓碎，因此粉末狀巖屑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增大。巖石體積破碎越明顯，對(duì)應(yīng)的破巖比能越低。

3.3 切削槽形貌特征

為進(jìn)一步分析不同切削槽間距條件下PDC齒切削破巖效率，提取三次切削試驗(yàn)后切削槽形貌特征如圖11所示，切槽形貌存在明顯差異。三次切削時(shí)能有效降低破巖比能，主要是由于邊界效應(yīng)引起的，即前兩次切削形成切槽后釋放了部分空間，進(jìn)行三次切削時(shí)巖石兩側(cè)自由度增加，從而大幅度減弱了裂紋擴(kuò)展所需要的能量，有效提高了破巖效率。當(dāng)切削槽間距相對(duì)較小（2和4 mm）時(shí)，三次切削能夠充分利用邊界效應(yīng)，基本完全清除齒間殘留巖石，形成的切削槽底部相對(duì)比較平整；而隨著切削槽間距的增大（6和8 mm），可以從圖11中發(fā)現(xiàn)三次切削破巖后在巖石表面依舊殘留一定高度的巖脊，此時(shí)第三次切削并未完全剝離齒間殘余巖石。此時(shí)若井底存在環(huán)狀巖脊將會(huì)導(dǎo)致切削齒與井底接觸弧長(zhǎng)增加，影響切削齒吃入地層深度，進(jìn)而影響機(jī)械鉆速和鉆進(jìn)效率。因此在鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)機(jī)械鉆速（即每轉(zhuǎn)一圈的切削深度）設(shè)置合理的布齒密度，保證鉆頭每轉(zhuǎn)的破巖效率。本文中針對(duì)硬巖開展研究，每轉(zhuǎn)切削深度為1 mm時(shí)推薦切削槽間距不宜超過(guò)4 mm。

相對(duì)于巖石而言PDC齒可以近似為剛體，因此切削槽底部粗糙度證明了巖石的損傷，前文中已經(jīng)證明合理利用該損傷能夠有效提高后續(xù)的切削破巖效率。但與圖6中結(jié)果相比，利用邊界效應(yīng)對(duì)巖石破碎比能的降低幅度更大，因此能夠更加高效破碎巖石。

設(shè)置切削槽間距為負(fù)值時(shí)（圖2（c）），此時(shí)一次切削和二次切削軌道存在交叉，二次切削破巖過(guò)程中也受到邊界效應(yīng)影響。如圖12所示，展示了切削槽間距為-2 mm時(shí)兩次切削完成后切削槽形貌特征，發(fā)現(xiàn)由于切削槽間距較小，在進(jìn)行二次切削時(shí)，側(cè)面裂紋也可以有效擴(kuò)展破碎部分齒間巖脊。此時(shí)若進(jìn)行第三次切削雖然能夠高效破碎巖石，但總體切削寬度和覆蓋井底巖石區(qū)域受限，鉆頭冠部弧長(zhǎng)一定的情況下，導(dǎo)致布齒數(shù)量增加，增加了鉆頭成本同時(shí)會(huì)影響鉆頭吃入地層深度?；诖?，研究條件下不推薦過(guò)高密度布齒，建議切削齒槽間距應(yīng)大于0 mm。

4 巖石微觀破碎特征

4.1 同軌道切削條件下巖石微觀破碎特征

為了驗(yàn)證不同切削深度下巖石底部損傷，進(jìn)一步揭示破巖機(jī)制，分別采用掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡觀察切削槽微觀損傷特征，其中表面微裂紋分布如圖13所示。結(jié)果表明當(dāng)切削深度小于0.6 mm時(shí)，切削槽表面相對(duì)完整，只有微小裂紋出現(xiàn)。當(dāng)切削深度增大至0.8 mm時(shí)，裂紋尺寸顯著增加，貫穿整個(gè)視區(qū)內(nèi)巖石。隨著切削深度的進(jìn)一步增加（10 mm），裂紋的數(shù)量和尺寸同步增大，在視區(qū)內(nèi)多條裂紋相互交錯(cuò)，加劇了巖石的損傷。

為了和切削槽表面裂紋相比較，調(diào)整顯微鏡目鏡和物鏡倍數(shù)，獲得與圖13相同大小的視區(qū)范圍。不同切削深度下切削槽底部微觀形態(tài)特征如圖14所示。類似于表面裂紋分布，當(dāng)切削深度小于06 mm時(shí)，切削槽底部未觀察到明顯的微裂紋分布。此時(shí)巖石以塑性破壞為主，切削破巖過(guò)程中裂紋難以擴(kuò)展至巖石內(nèi)部，因此對(duì)后續(xù)切削的影響較小。當(dāng)切削深度增加至0.8 mm后，在視區(qū)內(nèi)觀察到一定數(shù)量的微裂紋，沿切削深度方向影響范圍大約為150 μm。該裂紋在后續(xù)破巖過(guò)程中能有效促進(jìn)巖石破壞，降低破巖比能。當(dāng)切削深度增大至1 mm后，裂紋數(shù)量明顯增長(zhǎng)，形成網(wǎng)狀裂紋。但是與0.8 mm切深相類似，裂紋依舊主要分布在切削槽底部150 μm范圍內(nèi)。因此隨著后續(xù)切削深度的增加，破巖比能受初次切削的影響逐漸減小。

4.2 異軌道切削條件下巖石微觀破碎特征

底部裂紋與表面裂紋分布具有很好的一致性，較好地反映了單齒切削試驗(yàn)后巖石底部損傷特征。在此基礎(chǔ)上，對(duì)異軌道破巖試驗(yàn)后切削槽側(cè)面微觀形態(tài)進(jìn)行分析，如圖15所示。

與切削槽內(nèi)相比，巖石表面本身粗糙度明顯較小，表明PDC齒破巖過(guò)程中切削齒會(huì)對(duì)接觸的底部巖石造成損傷破壞。與此同時(shí)，在巖石表面發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量的微裂紋分布，證明切削過(guò)程中PDC齒會(huì)對(duì)側(cè)面巖石造成損傷，該損傷分布能有效促進(jìn)兩條切削槽中間巖石破碎。因此邊界效應(yīng)的存在可大幅提高巖石破碎效率，對(duì)應(yīng)條件下巖石破碎比能明顯下降。

5 結(jié) 論

（1）PDC齒同軌道切削破巖時(shí)，應(yīng)盡可能增加鉆壓保證前排齒吃入地層深度，后排齒較前排齒的出露高度控制在0.6 mm以內(nèi)，以降低破巖比能，提高破巖效率。

（2）PDC齒異軌道切削破巖時(shí)，根據(jù)預(yù)計(jì)機(jī)械鉆速設(shè)置合理的布齒密度可以利用邊界效應(yīng)大幅降低破巖比能，研究條件下推薦切削齒槽間距為0～4 mm。

（3）切削深度影響切削槽表面的微裂紋分布和切削槽底部微裂紋層的厚度，且該裂紋損傷區(qū)產(chǎn)生的邊界效應(yīng)能夠有效促進(jìn)巖石破碎，降低破巖比能。

參考文獻(xiàn)：

［1］ CHE Demeng， ZHANG Weizhao， EHMAN N， et al. Chip formation and force responses in linear rock cutting： an experimental study［J］. Journal of Manufacturing Science and Engineering： Transactions of the ASME， 2017，139（1）：011011-1-12.

［2］ BELLIN F， DOURFAYE A， KING W， et al.The current state of PDC bit technology ［J］. World Oil， 2010，231（9）：41-46.

［3］ 李士斌，閻鐵，韓輝，等.模擬井底應(yīng)力條件下的巖石可鉆性實(shí)驗(yàn)研究［J］.天然氣工業(yè)，2003，23（2）：64-67.

LI Shibin， YAN Tie， HAN Hui， et al. Experimental study on rock drillability under simulated bottom hole stress ［J］. Natural Gas Industry， 2003，23（2）：64-67.

［4］ CHE Demeng， HAN Peidong， PENG Bo， et al. Finite element study on chip formation and force response in two-dimensional orthogonal cutting of rock：International Manufacturing Science and Engineering Conference， June 9-13， 2014， Detroit， Michigan， USA［C］. Detroit， Michigan： American Society of Mechanical Engineers，2014.

［5］ 鄒德永，蔡環(huán).布齒參數(shù)對(duì)PDC鉆頭破巖效率影響的試驗(yàn)［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，33（5）：76-79.

ZOU Deyong， CAI Huan. Experiment on effect of cutter placement parameters on rock breaking efficiency of PDC bit ［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science）， 2009，33（5）：76-79.

［6］ 鄧金根，朱海燕，謝玉洪，等.南海西部海域難鉆地層特征及破碎機(jī)制研究［J］.巖土力學(xué)，2012，33（7）：2097-2102.

DENG Jingen， ZHU Haiyan， XIE Yuhong， et al. Rock mechanical properties and rock breaking mechanism of the complex formation of the western South China Sea oilfields ［J］. Rock and Soil Mechanics， 2012，33（7）：2097-2102.

［7］ 廖飛龍.PDC齒切削破巖損傷規(guī)律研究［D］.成都：西南石油大學(xué)，2014.

LIAO Feilong. Research on the damage law of rock-breaking process by PDC cutter ［D］. Chengdu： Southwest Petroleum University， 2014.

［8］ 高海艦.基于離散元法的PDC齒剪切破巖機(jī)理研究［D］.大慶：東北石油大學(xué)，2018.

GAO Haijian. Study on rock breaking mechanism of PDC cutter based on discrete element ［D］. Daqing： Northeast Petroleum University， 2018.

［9］ DAI X， HUANG Z， SHI H， et al. Rock failure analysis based on the cutting force in the single PDC cutter tests ［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2020，194：107339.

［10］ 羅鳴，高德利，李文拓.異形PDC切削齒破碎塑性泥巖熱固耦合數(shù)值模擬研究［J］.中國(guó)海上油氣，2023，35（2）：129-137.

LUO Ming， GAO Deli， LI Wentuo. Thermal solid coupling numerical simulation of plastic mudstone fractured by special PDC cutting teeth［J］.China Offshore Oil and Gas，2023，35（2）：129-137.

［11］ HE X， XU C， PENG K， et al. On the critical failure mode transition depth for rock cutting with different back rake angles ［J］.Tunnelling and Underground Space Technology， 2017，63：95-105.

［12］ MAZEN A Z， MUJTABA I M， HASSANPOUR A， et al. Mathematical modelling of performance and wear prediction of PDC drill bits： impact of bit profile， bit hydraulic， and rock strength ［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2020，188：106849.

［13］ 王新銳，張輝，張礦生，等.多脊PDC切削齒破巖有限元仿真及其幾何結(jié)構(gòu)影響［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，46（4）：63-71.

WANG Xinrui， ZHANG Hui， ZHANG Kuangsheng， et al. Rock breaking simulation and optimization design of multi-ridged PDC cutters［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2022，46（4）：63-71.

［14］ 張昕，李柯，喬?hào)|宇，等.穩(wěn)定器對(duì)下部鉆具組合的動(dòng)力學(xué)影響規(guī)律研究［J］.世界石油工業(yè)，2022，29（2）：54-60.

ZHANG Xin， LI Ke， QIAO Dongyu， et al. Research on dynamic influence of stabilizer on BHA［J］. World Petroleum Industry， 2022，29（2）：54-60.

［15］ 赫文豪，陳振良，史懷忠，等.巖屑分形特征對(duì)PDC齒破巖性能影響規(guī)律研究［J］.石油機(jī)械， 2023，51（8）：1-10.

HE Wenhao， CHEN Zhenliang， SHI Huaizhong， et al. Influence of fractal characteristics of cuttings on the rock breaking performance of PDC cutter［J］. China Petroleum Machinery， 2023，51（8）：1-10.

［16］ 劉忠，胡偉，尹卓，等. PDC鉆頭混合布齒參數(shù)對(duì)破巖的影響研究［J］.石油機(jī)械，2020，48（3）：51-57.

LIU Zhong， HU Wei， YIN Zhuo， et al. The influence of mixed cutter arrangement parameters of PDC bit on rock breaking［J］. China Petroleum Machinery， 2020，48（3）：51-57.

［17］ CHENG Z， LI G， HUANG Z， et al. Analytical modelling of rock cutting force and failure surface in linear cutting test by single PDC cutter ［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2019，177：306-316.

［18］ 赫文豪，臧雨，劉利，等.超高溫條件下花崗巖力學(xué)性質(zhì)演化規(guī)律模擬研究［J］.華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，54（6）：16-22.

HE Wenhao， ZANG Yu， LIU Li， et al. Numerical study on evolution law of the mechanical properties of granite under ultra high temperature conditions［J］. Journal of South China Normal University （Natural Science Edition）， 2022，54（6）：16-22.

［19］ CHEN P， MENG M， MISKA S， et al. Study on integrated effect of PDC double cutters ［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2019，178：1128-1142.

［20］ CHEN S， GROSZ G， ANDERLE S， et al. The role of rock-chip removals and cutting-area shapes in polycrystalline-diamond-compact-bit design optimization ［J］. SPE Drilling amp; Completion， 2016，30（4）：334-347.

［21］ DAI X， HUANG Z， SHI H， et al. A novel experimental apparatus for single polycrystalline diamond compact cutter tests［J］. Review of Scientific Instruments， 2021，92（1）：015109.

［22］ 馬清明，王瑞和.PDC切削齒破巖受力的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，30（2）：45-47，58.

MA Qingming， WANG Ruihe. Experimental study on rock breaking force of PDC cutters ［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2006，30（2）：45-47，58.

［23］ 管志川，呼懷剛，王斌，等.基于機(jī)械比能與滑動(dòng)摩擦系數(shù)的PDC鉆頭破巖效率試驗(yàn)［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，43（5）：92-100.

GUAN Zhichuan， HU Huaigang， WANG Bin， et al. Rock breaking efficiency test of PDC bit based on mechanical specific energy and sliding friction coefficient ［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2019，43（5）：92-100.

（編輯 李志芬）