喻開安, 李文星, 黃 巍

(中國石油大學(xué)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院,北京 102249)

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一內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭研究

喻開安, 李文星, 黃 巍

(中國石油大學(xué)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院,北京 102249)

針對自掩埋鉆井新方法需要內(nèi)排屑的問題,采用螺旋刀翼、內(nèi)錐面、中心腔體等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭,研究刀翼螺旋升角的變化規(guī)律,分析巖屑在刀翼刃部和刀翼面上的受力,建立巖屑推動(dòng)力與刀翼螺旋升角的關(guān)系,優(yōu)化刀翼螺旋升角,并進(jìn)行臺架實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭刀翼螺旋升角的理想設(shè)計(jì)范圍為9°～52°,考慮加工和排屑通道大小等影響因素,其合理的設(shè)計(jì)范圍為26°～52°,研制的鉆頭能迫使巖屑向其中心運(yùn)移,并實(shí)現(xiàn)巖屑的良好流動(dòng),滿足內(nèi)排屑要求。

自掩埋鉆井; 內(nèi)排屑; 內(nèi)螺旋刀翼; PDC鉆頭; 刀翼螺旋升角

自掩埋鉆探是一種新型的無鉆機(jī)、無鉆井液循環(huán)、邊鉆邊埋的自動(dòng)鉆探技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜區(qū)域、惡劣環(huán)境下的地層進(jìn)行無人勘探和監(jiān)測,能節(jié)省大量人力物力,降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)用前景矚目[1-4]。這種新型鉆井方式由于無鉆井液沖刷PDC鉆頭刀翼,并要求巖屑從井底通過PDC鉆頭內(nèi)部往上運(yùn)移,因此鉆頭刀翼之間極易形成泥包,將導(dǎo)致鉆進(jìn)無法繼續(xù)進(jìn)行。常規(guī)鉆井中,PDC鉆頭是利用鉆井液沖刷清洗鉆頭并帶走井底巖屑防泥包[5-6]。自掩埋鉆井中,井底巖屑必須通過鉆頭刀翼運(yùn)移至鉆頭內(nèi)部,采用反排屑方式。自掩埋鉆井的PDC鉆頭設(shè)計(jì)與常規(guī)PDC鉆頭不同,它必須克服井底巖屑在離心力作用下向外運(yùn)動(dòng),并迫使巖屑向鉆頭中心運(yùn)移,是一種特制的PDC鉆頭。如何合理設(shè)計(jì)內(nèi)排屑PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)是防止泥包形成的重要因素。目前,國內(nèi)外對自掩埋鉆井的PDC鉆頭研究還沒有公開資料報(bào)道?，F(xiàn)階段設(shè)計(jì)的用于自掩埋鉆井的內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭的刀翼螺旋升角的取值會(huì)大大影響鉆頭泥包的形成。筆者通過分析巖屑在螺旋刀翼刃部和刀翼面上的受力,對刀翼的螺旋升角進(jìn)行優(yōu)化,以減小巖屑運(yùn)動(dòng)的阻力,降低泥包形成幾率;設(shè)計(jì)和加工全尺寸PDC鉆頭,并進(jìn)行破巖實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

1 內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自掩埋鉆探要求PDC鉆頭具備:①破碎地層巖石;②收集巖屑;③向鉆頭內(nèi)部運(yùn)移巖屑。為了滿足上述要求,設(shè)計(jì)的內(nèi)排屑PDC鉆頭刀翼為螺旋刀翼,刀翼沿圓周方向凸設(shè)在鉆頭內(nèi)錐孔的內(nèi)錐面上,以便破巖與收集巖屑;鉆頭中心為一腔體,用于安裝巖屑輸送裝置。螺旋刀翼的頂部設(shè)計(jì)為一錐面,以利于提高PDC鉆頭的穩(wěn)定性和井斜控制能力,如圖1所示。布有切削齒一側(cè)的刀翼面為一凹形曲面,有利于收集巖屑、減小巖屑運(yùn)移阻力。

圖1 內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭

1.2 內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭工作原理

內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭工作時(shí),鉆頭刀翼上的切削齒吃入地層巖石,動(dòng)力裝置使鉆頭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)破碎巖石產(chǎn)生巖屑。此時(shí),螺旋刀翼刃部在鉆壓作用下刮入巖屑中,刀翼旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對巖屑產(chǎn)生垂直于旋轉(zhuǎn)半徑的力迫使巖屑向鉆頭轉(zhuǎn)向的切向方向運(yùn)動(dòng)。由于鉆壓作用,鉆頭刀翼頂部與井底之間的巖屑壓力高于鉆頭排屑通道部位,巖屑向鉆頭旋向的切向方向運(yùn)動(dòng)受阻,從而向低壓的排屑通道運(yùn)動(dòng),并沿著螺旋刀翼的螺旋面向上運(yùn)移。當(dāng)鉆頭穩(wěn)定工作時(shí),螺旋刀翼面上的巖屑沿著排屑通道繼續(xù)向鉆頭中心腔體運(yùn)動(dòng),并被安裝于中心腔體內(nèi)的巖屑輸送裝置向上輸送走。

2 鉆頭刀翼螺旋升角研究

2.1 螺旋刀翼結(jié)構(gòu)

該鉆頭的螺旋刀翼從形貌上看類似于多頭螺旋葉片,在豎直井或小傾角斜井中工作時(shí),內(nèi)螺旋PDC鉆頭類似于垂直或傾斜螺旋輸送器,但其工作原理卻大不相同。為了增加刀翼的巖屑收集與巖屑在刀翼作用下向鉆頭內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的能力,將螺旋刀翼橫截面輪廓設(shè)計(jì)為一小曲率曲面輪廓。設(shè)計(jì)的內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭為四刀翼鉆頭,其單個(gè)刀翼結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單個(gè)螺旋刀翼

2.2 螺旋升角

螺旋輸送器是一種應(yīng)用廣泛的物料輸送裝置[7-8]。在立式螺旋輸送器中,當(dāng)螺旋葉片以一定角速度旋轉(zhuǎn)時(shí),位于螺旋葉片上的物料顆粒受到離心力的作用,緊靠外殼的物料顆粒產(chǎn)生較大的摩擦力,其分力大于顆粒與螺旋葉片表面的摩擦力及物料重力分力之和時(shí),物料就被螺旋葉片推動(dòng)向上輸送[9-10]。內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭的螺旋刀翼與鉆頭體是一體式的,其輸送原理與豎直螺旋輸送器存在差異。螺旋刀翼上任一點(diǎn)的法線與螺旋軸線的夾角稱為該點(diǎn)的螺旋升角αi。

(1)

(2)

式中,S為螺旋刀翼的螺距,mm;Di為螺旋刀翼某點(diǎn)處的直徑,mm;Li為一個(gè)螺距內(nèi)螺旋刀翼某點(diǎn)的螺旋線長。

由式(1)可知,螺旋刀翼上的螺旋升角是一個(gè)隨直徑Di變化的角度。

由式(1)可求得螺旋刀翼外緣的螺旋升角為

(3)

式中,D為螺旋刀翼外緣直徑。

由于D≥Di,故螺旋刀翼外緣螺旋升角α1≤αi。當(dāng)Di由D逐漸減小至零,螺旋刀翼的升角αi逐漸增大至90°,即螺旋刀翼的外緣升角最小,內(nèi)緣升角最大。

3 巖屑進(jìn)入螺旋刀翼面受力分析

研究內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭在豎直鉆進(jìn)工況時(shí)巖屑在刀翼面運(yùn)移時(shí)的受力關(guān)系。鉆頭工作時(shí)螺旋刀翼刃部刮入巖屑中,刀翼旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)迫使巖屑向鉆頭旋轉(zhuǎn)的切向方向運(yùn)動(dòng);由于旋轉(zhuǎn)方向上的前一個(gè)刀翼頂部與井底的接觸壓力較大,阻礙巖屑向前運(yùn)動(dòng),因此巖屑被“鏟入”低壓的排屑通道中,新破碎的巖屑又推動(dòng)進(jìn)入排屑通道中的巖屑沿著螺旋刀翼面向鉆頭內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。巖屑剛進(jìn)入螺旋刀翼刃部時(shí),作用在巖屑顆粒上的力見圖3。圖3中,G為巖屑顆粒重力,G=mg,方向垂直向下;P為顆粒的離心慣性力,P=mω2R,方向沿鉆頭體半徑向外;Fi為巖屑顆粒所受水平推力,方向垂直于刀翼刃口指向刀翼背部;N1為刀翼給巖屑顆粒的法向反力,方向垂直螺旋面;F1為螺旋刀翼給巖屑顆粒的摩擦力,F1=f1N1,方向沿螺旋面向下;F2為所分析的巖屑顆粒的上方巖屑對其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻力,方向沿螺旋面向下。m為巖屑顆粒質(zhì)量;ω為鉆頭旋轉(zhuǎn)角速度;R為巖屑顆粒回轉(zhuǎn)半徑;f1為巖屑在螺旋刀翼面上的摩擦系數(shù)。

圖3 螺旋刀翼切削刃處巖屑受力分析

當(dāng)巖屑在螺旋刀翼面內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)移時(shí),巖屑顆粒的受力狀態(tài)如圖4所示。

圖4 螺旋刀翼面上巖屑受力分析

圖4中,F3為所分析的巖屑顆粒的上方巖屑對其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻力,方向沿螺旋面向下;F4為所分析的巖屑顆粒的下方巖屑對其產(chǎn)生的推力,方向沿螺旋面向上。

由于螺旋刀翼面是一小曲率曲面,鉆頭轉(zhuǎn)速與回轉(zhuǎn)半徑也不是很大,故忽略離心力P在螺旋刀翼面上產(chǎn)生的摩擦阻力。穩(wěn)定鉆進(jìn)時(shí),巖屑顆粒在螺旋刀翼切削刃處的受力是一平衡力系,由圖3可得出:

沿螺旋線方向,

Ficosαi=F1+F2+Gsinαi.

(4)

垂直于螺旋線方向,

N1=Fisinαi+Gcosαi,

(5)

F1=f1N1=f1(Fisinαi+Gcosαi),

(6)

F2=f1(n0-1)mgcosαi+(n0-1)mgsinαi.

(7)

其中

式中,n0為同一螺旋線上巖屑顆粒總數(shù);li為螺旋刀翼某點(diǎn)處的螺旋線長,為滿足螺旋刀翼強(qiáng)度要求,鉆頭刀翼設(shè)計(jì)時(shí)取刀翼軸向高度為h;d0為巖屑顆粒直徑。

將n0、li帶入式(7)中,得

(8)

將式(6)、(8)帶入式(4)中得

Ficosαi=f1(Fisinαi+mgcosαi)+

整理后

(9)

同理,穩(wěn)定鉆進(jìn)時(shí)螺旋刀翼面上的巖屑顆粒所受力也為一平衡力系,由圖4可得

F4=F1+F3+Gsinαi,

(10)

N1=Gcosαi,

(11)

F1=f1N1=f1Gcosαi,

(12)

F4=F1+F3+Gsinαi=f1Gcosαi+F3+Gsinαi.

(13)

當(dāng)螺旋角αi一定時(shí),位于該螺旋線上第二顆粒(從刀翼切削刃處向上數(shù))所受阻力F3最大,即

sinαi.

(14)

則須推動(dòng)第二顆粒向上運(yùn)動(dòng)的推力也為最大,即

).

(15)

4 刀翼螺旋升角優(yōu)化

4.1 優(yōu)化模型建立

采用螺旋刀翼刃部上某一點(diǎn)處巖屑顆粒所受推力Fi作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù),如果Fi最小時(shí)巖屑顆粒均能沿刀翼面運(yùn)移,則當(dāng)Fi增大后,有利于巖屑運(yùn)移。求解使Fi最小時(shí)的螺旋升角αi。優(yōu)化模型為

式中,h、d0、m、f1可看成常量參數(shù),αi作為設(shè)計(jì)變量,進(jìn)一步簡化得目標(biāo)函數(shù)為

(16)

在內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭設(shè)計(jì)中,當(dāng)?shù)兑砺菪铅羒過大時(shí),鉆頭刀翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的主動(dòng)力Fi在螺旋面上的分力無法克服巖屑的總阻力。此時(shí),巖屑沿螺旋面方向的運(yùn)動(dòng)受阻,在外部巖屑擠壓作用下很容易在刀翼上形成泥餅。為保證巖屑能沿螺旋刀翼向鉆頭內(nèi)部順利運(yùn)動(dòng),要求

Ficosαi-f1Fisinαi>0.

(17)

x

(18)

根據(jù)式(16)、(18),鉆頭刀翼螺旋升角優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

利用MATLAB 優(yōu)化工具箱對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解,取f1=0.48,求得目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解x=0.453 0,即αi=26°。

圖5為根據(jù)目標(biāo)函數(shù)繪制出的目標(biāo)函數(shù)值與刀翼螺旋升角關(guān)系。在0.15

圖5 目標(biāo)函數(shù)值與螺旋刀翼升角關(guān)系

5 內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果是否正確,設(shè)計(jì)加工一只內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)上述分析,刀翼螺旋升角αi是影響鉆頭排屑的重要參數(shù),從優(yōu)化結(jié)果得知,當(dāng)αi=26°時(shí)巖屑運(yùn)動(dòng)所需推動(dòng)力最小,更有利于巖屑運(yùn)動(dòng);考慮到加工因數(shù),αi越小鉆頭刀翼加工越困難,具體在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)鉆頭時(shí),將刀翼外緣螺旋升角α1取為36°,鉆頭直徑為215.9 mm,中心腔體直徑為70 mm。

該鉆頭在實(shí)驗(yàn)臺架上進(jìn)行了破巖實(shí)驗(yàn),如圖6所示。

圖6 內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭破巖實(shí)驗(yàn)裝置

隨著鉆頭向下鉆進(jìn),被破碎的井底巖屑在刀翼作用下流向鉆頭內(nèi)部,通過安裝在鉆頭中心腔體中的輸送螺旋作用,可以觀察到有巖屑從鉆頭體上部的出屑孔排出,實(shí)現(xiàn)了鉆頭的內(nèi)排屑功能,也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的螺旋升角α1取36°的合理性。在實(shí)際設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)可根據(jù)結(jié)構(gòu)與加工要求,在優(yōu)化范圍內(nèi)合理地選擇刀翼螺旋升角。

6 結(jié) 論

(1)將推動(dòng)力作為目標(biāo)函數(shù),對刀翼螺旋升角進(jìn)行了優(yōu)化,得到內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭刀翼螺旋升角的理想設(shè)計(jì)范圍為9°<αi<52°?？紤]到加工困難和排屑通道大小等影響因素,建議螺旋升角的合理設(shè)計(jì)范圍為26°<αi<52°,刀翼內(nèi)緣螺旋升角取大值,外緣螺旋升角盡可能取小值。

(2)鉆頭刀翼能迫使巖屑向鉆頭中心運(yùn)移,并實(shí)現(xiàn)巖屑的良好流動(dòng),未形成泥包,滿足該鉆頭內(nèi)排屑的功能要求,驗(yàn)證了理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

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(編輯 沈玉英)

Research of inner spiral blade PDC bit

YU Kaian, LI Wenxing, HUANG Wei

(CollegeofMachineryandStorageinChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

New method for the self buried drilling requires moving the cuttings from the bottom hole to the inside of the drill bit, and therefore the structures of spiral blade, inner cone, center cavity and so on are used in the design of the spiral blade PDC bit. In this paper, the changing rule of blade helix angle was studied, the forces on the cuttings at the blade edge and blade face were analyzed, the relationship between the driving force on the cuttings and the blade helix angle was established, the blade helix angle was optimized, and bench experiment was carried out. The results show that the ideal design range of the blade helix angle is 9°-52°, considering the influence factors such as the process and the size of cuttings removal channels, etc., the reasonable design range of the blade helix angle is 26°-52°. The developed bit can force the cuttings moving into its center, and make the cuttings flowing well, and satisfy the requirements of the inner cuttings removal.

self buried drilling; inner cuttings removal; inner spiral blade; PDC bit; blade helix angle

2015-12-26

中國石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目(2014A-4210)

喻開安(1963-),男,教授,博士,研究方向?yàn)槭豌@采機(jī)械及石油鉆頭技術(shù)。E-mail:kaianyu@163.com。

1673-5005(2016)05-0123-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.05.015

TE 242

:A

喻開安,李文星,黃巍.內(nèi)螺旋刀翼PDC鉆頭研究[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,40(5):123-127.

YU Kaian, LI Wenxing, HUANG Wei. Research of inner spiral blade PDC bit[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2016,40(5):123-127.