超高压双流道PDC钻头破岩机制研究

1、 ·800· 岩石力学与工程学报 2007 年 刀翼作用节点的失效系数 钻压/(10 N 图 12 Fig.12 不同刀翼数钻头钻压随时间变化的动态曲线 Dynamic curve of WOB with different quantities of blade with time 图 11 刀翼作用半径上的节点在某个增量步的失效系数 钻头扭矩/(103 kN·m Fig.11 Failure indexes of nodes on radii of blades 是因为井底形状并非是一个平面，而是和钻头底面 吻合的曲线形状。通过对比可以看出在每个刀翼上 各个齿

2、作用下的节点的失效系数变化很大，折射出 各个齿对岩石的作用力也不均匀，这样有利于在破 岩过程中降低钻压。1#和 3#刀翼分别在射流附近出 现最大失效系数值，而且该值大于其他 3 个刀翼左 右半径节点的最大失效系数值，这说明射流对相邻 齿的破岩影响最大。 图 13 Fig.13 不同刀翼数钻头扭矩随时间变化的动态曲线 Dynamic curves of torque of bit with different quantities of blade with time 5 钻头设计对岩石破碎的影响 的反作用力不同，影响了钻头和岩石相互作用的规 律。 分析钻压和扭矩的变化范围可以看出，四刀翼 钻头

3、在破碎岩石的过程中钻压变化的范围大于其他 2 种情况。四刀翼钻头和五刀翼钻头扭矩的最大值 5.1 刀翼个数对岩石破碎的影响分析 为了对比不同刀翼数钻头的破岩效率，本节分 析了三刀翼、四刀翼、五刀翼钻头在相同工况条件 下破岩的过程，其中三刀翼钻头装配 1 个超高压喷 嘴，四刀翼和五刀翼钻头分别配合 2 个超高压喷嘴。 钻头的运行轨迹同上节， 以 6 mm/s 的速度向下吃进， 60 r·min 1 接近，两者都小于三刀翼钻头的最大值。分析 3 种 钻头扭矩的变化幅度发现，五刀翼钻头的变化幅度 小于四刀翼钻头和三刀翼钻头。 图 14 给出了岩石的破碎体积随着时间的变化 曲线。从图中可以看

4、出，五刀翼钻头破碎岩石的曲 线较为光滑，说明五刀翼钻头破碎岩石的规律性及 连续性强于四刀翼和三刀翼钻头。图 15 为岩石破碎 比功随时间的变化曲线。在钻头与岩石接触的初始 阶段，由于岩石并没有发生破碎，钻头对岩石所做 功转换成了岩石内部的应变能，破碎比功较大。从 该图上可以看出，刀翼数的不同对岩石开始破碎时 间的长短影响明显，刀翼数多的开始破碎的时间短 于刀翼数少的。几种钻头破碎单位体积岩石所做的 功在开始阶段波动很大，而且所需功多；当钻头与 岩石作用一定时间之后，几种钻头所需功都趋于平 的速度围绕 y 轴旋转。 图 12 为 3 种情况下钻头钻压随时间变化的动态 曲线，图 13 为 3 种情

5、况下的钻头扭矩随时间变化的 动态曲线。钻头在井底的钻进过程中，钻压在 0 和 25 kN 之间来回波动，扭矩在 0 和 4 kN·m 之间波动。 钻头和岩石的接触需要一个过程，所以在开始阶段 钻压和扭矩都随着时间波动增加。笔者分析波动的 原因是：由于井底形状不规则，岩石与钻头的接触 面积不同，不同的齿在不同的时间作用在岩石上， 而且钻头切削齿与岩石作用的过程分成几个阶段， 在各个阶段岩石变形能力不同，岩石对钻头 第 26 卷 岩石的破碎体积/(104 mm3 第4期 汪志明，等. 超高压双流道 PDC 钻头破岩机制研究 801 图 14 Fig.14 岩石的破碎体积随时间的变化曲线

6、图 16 Fig.16 1#刀翼附近径向节点的 失效系数/103 Variable curves of broken rock volume with time 1#刀翼附近节点的失效系数沿径向弧长的变化 Variation of failure index of nodes along radial arc length of blade No.1 岩石破碎比功 /(10 3 J·mm 3 图 15 Fig.15 岩石破碎比功随时间的变化曲线 Variable curves of specific energy of broken rock with time 图 17 3# 刀翼

7、附近节点的失效系数沿径向弧长的变化 Variation of failure index of nodes along radial arc length of blade No.3 稳，彼此的值大致相等。 三刀翼和四刀翼钻头破碎岩石时破碎块的体积 变化大，钻头所受岩石反作用力的冲击变化范围大， 不利于钻头寿命的延长，而五刀翼钻头破碎岩石时 稳定性要强于其他 2 种情况。 5.2 高压喷嘴位置对岩石破碎的影响 的分布造成了影响，本文取 1#和 3#刀翼附近的失效 系数进行分析。对比图 16，17 中 3 条曲线的失效 系数值发现，射流的位置不同对整个刀翼附近节点 的失效系数造成了很大影响，而且

8、对 2 个刀翼附近 的节点都造成了影响。分析径向节点的分布规律可 知，当射流位于锥顶区时，整个径向的失效系数较 为规则。 图 18 为射流在 3 个不同位置时破碎岩石的体积 随时间的变化曲线。从图中可以看出，3 种情况下 岩石破碎体积的变化不是很大，但是当高压喷嘴处 于锥顶区时，岩石破碎的体积稍大于其他 2 种情况。 分析认为，有两个主要因素影响 3 种情况下的岩石 破碎体积：一个是高压喷嘴直接破碎岩石的体积受 到高压喷嘴旋转半径的影响。当高压喷嘴位于内锥 区时旋转半径最小，位于外锥区时最大，但是由于 钻头的外锥弧度比较大，所以当高压射流位于锥顶 在超高压喷射 PDC 钻头破碎岩石的过程中，超

9、 高压射流直接参与破岩，如何优化切削齿和高压射 流之间的位置关系，增加超高压喷射 PDC 钻头的破 岩效率就显得很重要。本节结合 PDC 钻头的结构特 点，通过改变五刀翼钻头模型上 1#刀翼上超高压喷 嘴的位置，使之分别处于 PDC 钻头的内锥区、锥顶 区、外锥区，分析超高压喷嘴位置对整体钻头破碎 岩石的影响。 图 16 为 1 刀翼上的高压喷嘴处于不同切削区 时，1 刀翼在某时刻作用岩石附近节点的失效系数 沿径向弧长的变化曲线，图 17 为同一时刻高压喷嘴 位置不变的 3 刀翼附近节点的失效系数沿径向弧长 的变化曲线。射流位置的不同对整个井底失效系数 # # # 3#刀翼附近径向节点的失 效

10、系数/103 Fig.17 ·802· 岩石力学与工程学报 2007 年 石表面是光滑的自由面，岩石内部没有应力，随着 岩石破碎体积/(104 mm3 时间的增大，岩石破碎缓慢增加。当钻头和岩石的 接触超过一定时间后， 岩石内部裂纹已经发展充分， 齿和齿之间及齿和射流之间的相互影响逐渐明显， 促使破碎速度明显增加。随着井底形状的稳定，岩 石表面成梳齿状或阶梯状，破岩效率明显大于钻头 和岩石相互作用的开始阶段，钻头破岩的速度逐渐 稳定。 (2 射流和钻齿作用于岩石时， 压应力形成的岩 图 18 岩石破碎体积随着时间的变化曲线 Fig.18 Variable curves of

11、 broken rock volume with time 区时，其旋转半径和位于外锥区时差别不大。另一 个因素是高压射流的冲击位置对井底应力的影响。 因为高压射流的位置不同对井底应力的分布产生不 同的影响，进而影响切削齿的破岩效率。当射流位 于外锥区时，射流冲击到井底周向斜面，和钻头多 数齿的切削面不在一个平面内，对多数切削齿的破 岩促进不大。而射流在内锥或锥顶区时，射流产生 的应力分布对钻齿影响相对较大，同时在 3#刀翼还 存在一个高压射流，联合 2 个高压喷嘴的作用，认 为 2 个喷嘴处于锥顶区时，更有利于促进钻头在井 底的共同破岩。 图 19 显示了射流处于 3 种不同位置时，岩石破

12、碎比功随时间的变化曲线。 在破碎的开始阶段， 岩石 破碎比功变化很大，而且高压射流处于内锥区时破 碎的效率大于其他 2 种情况。 随着破碎的进行， 岩石 破碎比功趋于平稳，3 种高压射流不同位置钻头破 碎效率的大小关系发生了变化，变成了高压喷嘴位 于锥顶区时破碎比功最小，而高压射流喷嘴位于内 锥区时破碎比功最大。 J·mm 3 石破碎区域在周向短而在垂直方向深；拉应力形成 岩石破碎区域在周向长而在垂直方向浅。压应力破 坏区域和拉应力破坏区域交叉出现，且以拉应力破 坏为主，破坏区域沿环向成狭长状，在钻头刀翼的 两侧岩石都出现了不同程度的破坏。 (3 由于井底形状不规则， 岩石与钻头的接

13、触面 积不同，而且钻头切削齿与岩石作用的过程分成几 个阶段，在各个阶段岩石变形能力不同，岩石对钻 头的反作用力不同，影响了钻头和岩石相互作用的 规律。钻头破碎岩石的过程中，钻压和扭矩都是在 0 和某一定值之间波动，在开始阶段钻压和扭矩都 随着时间波动增加。 (4 三刀翼和四刀翼钻头破碎岩石的破碎块体 积变化大，钻头所受岩石反作用力载荷的冲击变化 范围大，不利于钻头寿命的延长，而五刀翼钻头破 碎岩石时稳定性要强于其他 2 种情况。 参考文献(References： 1 VEENHUIZEN S D ， OHANLON T A ， KELLEY D P ， et al. Ultra-high pr

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