田家林, 付傳紅, 楊 琳, 龐小林, 楊 志, 李 友, 朱永豪

(1.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院,四川成都 610500; 2.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院,四川成都 610031)

一模塊化布齒的新型PDC鉆頭破巖特性

田家林1,2, 付傳紅1, 楊 琳1, 龐小林1, 楊 志1, 李 友1, 朱永豪1

(1.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院,四川成都 610500; 2.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院,四川成都 610031)

針對現(xiàn)有PDC鉆頭破巖過程中比壓會隨著磨損增加而迅速減小的特點,設(shè)計一種比壓可控的模塊化PDC鉆頭(模塊鉆頭)。首先進行模塊鉆頭切削單元布置方法設(shè)計,分析和優(yōu)化鉆頭的有效切削刃長,在此基礎(chǔ)上建立模塊鉆頭切削齒破巖過程的力學(xué)模型,分析切削面積、切削深度、切削齒半徑、載荷之間的關(guān)系。通過對比現(xiàn)場試驗與算例結(jié)果,驗證模塊鉆頭的破巖特性。研究結(jié)果表明:模塊鉆頭能減小有效切削刃長,保證切削單元的鉆進比壓,增加切削齒的切削深度、切削面積和切削載荷,提高鉆頭的有效破巖體積,增加鉆頭的總進尺。通過模塊化布齒設(shè)計布置,模塊鉆頭可填補常規(guī)PDC鉆頭與孕鑲鉆頭之間的空白。

鉆井; PDC鉆頭; 切削單元; 破巖; 機械鉆速; 使用壽命

PDC鉆頭破巖鉆進初期與巖石接觸的切削齒有效刃長較短,比壓較大,機械鉆速高;隨著磨損量和有效切削刃長增加,比壓減小、機械鉆速降低。以圓形復(fù)合片切削單元為例,破巖初期磨損線長為零[1],鉆進過程切削刃長不斷增加,導(dǎo)致比壓迅速下降,會急劇降低巖石破碎效率和鉆進效率。通過模擬鉆頭上切削齒的切削斷面形狀、重疊切削狀態(tài)等研究切削面積、切削弧長、切削齒角度對破巖的影響[2-3],通過改變切削齒的尺寸、后傾角和布齒密度等研究PDC鉆頭的破巖效率[4-5],根據(jù)設(shè)計的具有混合射流特點的鉆頭研究射流鉆頭結(jié)構(gòu)對破巖特性的影響[6-7],分析在高溫高壓下改變材料的性能和選用不同金剛石材料對PDC鉆頭耐磨性的影響[8-11],使用自吸環(huán)空流體式自激振蕩器和扭力沖擊器等井下工具產(chǎn)生不同形式的振動提高破巖效果[12-14],但這些方法沒有改變鉆頭磨損量增加使比壓迅速下降,導(dǎo)致切削齒不能有效吃入的問題?；谝陨锨闆r,筆者設(shè)計一種比壓可控的模塊化布齒的新型PDC鉆頭(模塊鉆頭)，建立切削齒破巖過程力學(xué)模型,采用不同的鉆壓、模塊鉆頭結(jié)構(gòu)、切削齒參數(shù)、巖石性能參數(shù)進行現(xiàn)場試驗。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與破巖力學(xué)分析模型

圖1 模塊鉆頭設(shè)計Fig.1 Modular drill bit design

圖2 模塊設(shè)計方案Fig.2 Program of modular design

(1)

對于直徑為d的切削模塊,推導(dǎo)出點(x1′,y1′)對應(yīng)的有效切削刃長為

(2)

(3)

對于直徑為d的切削模塊,推導(dǎo)出點(x2′,y2′)對應(yīng)的有效切削刃長為

(4)

(5)

對于直徑為d的切削模塊,推導(dǎo)出點(x3′,y3′)對應(yīng)的有效切削刃長為

(6)

在鉆壓、傾斜角、側(cè)轉(zhuǎn)角等因素的影響下,切削刃長變化最終體現(xiàn)在鉆頭的切削力與切削面積的關(guān)系中。為了進行模塊鉆頭切削巖石受力分析、計算切削載荷和切削面積,建立切削模型如圖3所示。

圖3 巖石的切削模型Fig.3 Rock cutting model

切削齒與巖石的接觸面上存在摩擦阻力Ff、巖屑對前刀面的正壓力Fnf、剪切面EF上的正壓力Fns。設(shè)側(cè)傾角為β,刀具與巖石之間的摩擦角為γ,切削齒的前傾角為α,巖石的剪切滑移面為S,巖石剪切破裂角為ψ,巖石的內(nèi)摩擦角為θ,可導(dǎo)出剪切破裂角ψ為

(7)

剪切滑移面面積S為

S=EF×aw.

其中

EF=ac/sinψ.

(8)

式中,aw為切削寬度,mm。

剪切平面的剪切力Fs為

(9)

式中,ac為切削深度,mm;C為巖石內(nèi)聚力,MPa;n為應(yīng)力分布系數(shù),與切削齒的前傾角有關(guān),n=11.3-0.18α。

由圖3中的幾何關(guān)系可求得剪切平面上的合力與剪切力的關(guān)系:

(10)

將剪切面上的合力進行投影可以得到主切削力Fzhu和切削平面上的法向力Ffa為

(11)

(12)

PDC鉆頭切削面的幾何形狀直接影響切削齒的受力狀態(tài)。此處選用如圖3(b)所示的切削面形狀進行分析。

切削面積為

(13)

式中,r為模塊單元的半徑,mm。

切削弧長為

(14)

2 算 例

采用上述模塊化PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計和破巖力學(xué)模型進行算例分析。利用給定的算例參數(shù)進行模塊鉆頭的有效切削刃長計算,并與常規(guī)PDC鉆頭的有效切削刃長進行對比,然后進行模塊鉆頭的破巖力學(xué)求解與分析。算例中部分參數(shù)通過試驗得到,具體參數(shù):β、α、γ、θ分別為10°、 15°、 10°、 35°,內(nèi)聚力C為4 MPa,鉆頭尺寸為216 mm,鉆頭刀翼數(shù)為6個,主切削齒直徑d為16 mm,模塊單元直徑d1、d2均為3 mm。

采用同樣的徑向深度(y方向坐標(biāo)值)得到切削模塊(直徑d)、模塊單元1(直徑為d1)與單元2(直徑為d2)對應(yīng)的有效切削刃長l1′d、l1d1、l1′2′d、l12d1d2、l3′d、l3d2,與常規(guī)PDC齒切削刃長對比結(jié)果如圖4所示。

圖4模塊化PDC與常規(guī)PDC有效切削刃長對比Fig.4 Comparison of effective cutting edge length between modular and conventional PDC

由圖4可以看出,與常規(guī)PDC切削單元相比,模塊鉆頭通過調(diào)整模塊或模塊單元的數(shù)目、組合方案等設(shè)計參數(shù)可優(yōu)化切削單元的有效切削刃長,使其有效切削長度明顯低于常規(guī)PDC鉆頭的。根據(jù)有效切削刃長、比壓、機械鉆速的關(guān)系[15],有效切削刃長的增加會急劇降低巖石破碎效率和機械鉆速。模塊鉆頭通過控制有效切削刃長,比壓仍保持與鉆壓、巖石性能相對應(yīng)的鉆進較大值,從而保證了切削單元的吃入,增加了切削深度,最終可提高鉆頭機械鉆速,降低鉆井成本。

根據(jù)建立的模塊鉆頭破巖力學(xué)模型和算例參數(shù)進行求解,用式(8)～(12)對切削面積與載荷的關(guān)系進行研究,計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 載荷與切削面積關(guān)系Fig.5 Relationship between load and cutting area

由圖5可以看出,模塊鉆頭切削齒上的主切削力和法向力均隨切削面積的增大而增大,并且主切削力的增加速度要遠大于法向力的增加速度。由于切削面積增加使主切削力和法向力都增加,有利于提高破巖效率。

切削面積除了和載荷有關(guān)外,還和切削深度、切削齒的半徑有密切關(guān)系。根據(jù)式(13)～(14),得到切削面積與切削深度、切削齒半徑的計算結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出,當(dāng)切削深度為定值時，切削面積隨著切削齒半徑增加而增加,但其增加速度較緩慢;當(dāng)切削深度一定時,切削齒半徑增加對切削面積的影響非常小,這也是本文中提出模塊鉆頭的一個原因。當(dāng)切削齒半徑為定值時,隨著切削深度增加,切削面積急速增加(呈指數(shù)型),而主切削力和法向力也會增加,巖石所受的有效應(yīng)力增加,有助于提高破巖效率。

圖6 切削面積與切削深度、切削齒半徑之間的關(guān)系Fig.6 Relationship of cutting area, cutting depth and radius of cutting teeth

3 現(xiàn)場試驗與結(jié)果分析

如圖7所示,試驗所用的模塊鉆頭有4個模塊單元。試驗井段為2 879～2 965 m,該井段為中硬-硬地層,地層巖性為細砂巖、中砂巖及頁巖。試驗時鉆壓為60～120 kN,轉(zhuǎn)速為60～70 r/min,排量為42 L/min,平均機械鉆速為6.33 m/h。部分現(xiàn)場試驗記錄與結(jié)果如圖8～10所示。

圖7 試驗用模塊鉆頭Fig.7 Modular drill bit for experiment

圖8 部分鉆時記錄Fig.8 Part record of drilling time

圖9 鉆壓記錄Fig.9 Record of WOB

圖10 機械鉆速記錄Fig.10 Record of ROP

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明,在鉆硬地層以及高研磨性地層時,模塊鉆頭比常規(guī)PDC鉆頭具有更高的可鉆性和抗沖擊性;其他參數(shù)相同時,模塊鉆頭的機械鉆速明顯高于常規(guī)鉆頭的,并保持相對穩(wěn)定值?？紤]鉆進效率與總進尺等因素,模塊鉆頭在提高機械鉆速和鉆井效率、降低鉆井成本方面有較大優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

(1)與常規(guī)PDC鉆頭相比,模塊鉆頭切削齒的有效切削刃長低于常規(guī)鉆頭的有效切削刃長,通過控制有效切削刃長,模塊鉆頭能夠保證切削單元的鉆進比壓,有效提高鉆頭的破巖效率,提高機械鉆速。

(2)模塊鉆頭切削齒破巖過程的力學(xué)模型分析是其破巖與失效機制研究的基礎(chǔ)。模塊鉆頭隨著切削齒的磨損,仍可保持切削齒的有效吃入,提高切削單元的有效利用率。

(3)通過模塊化布齒設(shè)計可大幅度提高鉆頭在復(fù)雜地層(特別是硬地層和研磨性地層)條件下的機械鉆速和鉆井的總進尺,降低鉆井成本。

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(編輯 沈玉英)

Rock-breaking characteristics of a new PDC drill bit with modular tooth-distribution

TIAN Jialin1,2, FU Chuanhong1, YANG Lin1, PANG Xiaolin1, YANG Zhi1, LI You1, ZHU Yonghao1

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China;2.CollegeofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Aiming at the characteristics of the rapid decrease of specific pressure with the increase of wear in the process of rock breaking of the existing PDC drill bit, a new type of ratio pressure-controlled modular PDC drill bit (modular drill bit) was proposed. The layout method of modular drill bits cutting unit was designed and the effective cutting edge length of PDC drill bit was analyzed and optimized. On this basis, the mechanical model of a modular drill bits cutting unit was established, and the relationships of the cutting area, cutting depth, cutter radius and load were analyzed. By comparing the results of the field experiments with that of numerical example, the characteristics of the modular PDC drill bit were verified in the process of rock breaking. The research results show that the modular PDC drill bit can decrease the effective cutting edge length, ensure the cutting units drilling ratio pressure, increase the cutters cutting depth, cutting area and cutting load, improve the bits effective rock-breaking volume and the bits total footage. Through the design of module tooth-distribution, module drill bits can fill the gap between conventional PDC bits and impregnated bits.

drilling; polycrystalline diamond compact(PDC) drill bit; cutting unit; rock breaking; rate of penetration (ROP); service life

2014-09-05

國家自然科學(xué)基金項目(51074202,11102173);四川省教育廳成果轉(zhuǎn)化重大培育項目(12ZZ003);石油天然氣裝備教育部重點實驗室項目(OGE10);西南石油大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目(CX2014SY26)

田家林(1979-),男,副教授,博士,主要從事井下工具、鉆井力學(xué)及理論研究。E-mail: tianjialin001@gmail.com。

1673-5005(2015)01-0136-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.01.020

TE 921

A

田家林, 付傳紅,楊琳,等. 模塊化布齒的新型PDC鉆頭破巖特性[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2015,39(1):136-141.

TIAN Jialin, FU Chuanhong, YANG Lin, et al. Rock-breaking characteristics of a new PDC drill bit with modular tooth-distribution[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2015,39(1):136-141.