PDC钻头谐振破岩模拟及室内试验研究_李兵.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-12-27修回日期 2020-01-03 第一作者简介 李兵 （1993-） ， 男 （汉族） ， 辽宁盘锦人， 助理工程师， 现从事钻井设计工作。 PDC钻头谐振破岩模拟及室内试验研究 李兵*1， 杨决算 1， 韩福彬2， 王永吉1， 王建艳1， 陈琳琳1 （1.中国石油大庆钻探工程公司钻井技术研究院， 黑龙江 大庆 163413； 2.中国石油大庆油田有限责任公司勘探事业部， 黑龙江 大庆 163410） 摘要 近年来油田开发的重点已经由浅层逐渐向深层、 超深层转移， 随着钻井深度的增加， 钻井难 度也逐渐变大。为了解决钻深井时机械钻速慢、 钻头失效快等问题， 对谐振破岩技术展开了研究， 建 立了PDC单齿切削的离散元模型， 为PDC齿分别添加不同频率的简谐振动， 模拟钻头在不同频率 的简谐振动下的破岩效果， 结合简谐振动下PDC钻头室内破岩试验， 试验结果验证了模型模拟结果 的准确性， 将离散元模拟和室内试验结合， 验证了谐振破岩的可行性， 为深部地层的钻井提速工具设 计提供了新的理论支持。 关键词 谐振破岩； 离散元； PDC钻头切削模型； 钻井提速 中图分类号 TE921 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0035-04 近年来我国油田开发以深井、 超深井为主， 存在地 层岩石硬度大、 研磨性强、 机械钻速慢、 钻头失效快等 问题。现有的高效破岩技术喷射钻井技术在深部 地层的提速效果不理想， 亟需发展新的高效破岩技术。 已有学者对岩石在冲击载荷下的力学响应因素进 行研究并认识到， 对钻头施加简谐振动有助于破碎岩 石[1-5]。根据已有的研究成果， 使用离散单元法建立了 PDC单齿切削模型， 对PDC切削齿的前倾角进行了优 选， 为PDC齿分别添加不同频率的简谐振动， 结合室 内简谐振动下的破岩试验， 验证谐振破岩的可行性， 发 展新的高效破岩技术， 为深部地层的提速工具设计提 供了理论支持。 1PDC单齿切削模型的建立 利用离散元建立PDC单齿切削模型， 模型的基本 参数见表1， 采用随机填充粒子的方式， 保证粒子链接 键的数量占所有接触粒子的 92以上。用 CAD 对 PDC 切削齿建模， 设置切削齿直径为 12mm， 厚度为 2.5mm， 速度为2m/s。为提高计算效率， 在模拟过程中 采用如下假设 1 PDC切削齿为刚体， 在整个钻井过程中， 不发 生磨损； 2 岩石均质且各向同性， 不考虑围压、 外部流体 对岩石的影响； 3 粒子之间的接触是刚性接触， 可简化为点， 允 许颗粒之间有一定重叠， 粒子被切削之后不对模型产 生影响。 岩石尺寸 100mm100mm100mm 模拟区域 120mm120mm120mm 密度 2.56g/cm3 剪切模量 6.2GPa 单位面积刚度 1.2109N/m3 极限应力 2.3109Pa 粒子半径 0.01mm 模拟场的重力 9.8g 表1模型的基本参数 2模拟结果及分析 2.1前倾角对PDC钻头破岩的影响 PDC切削齿有前倾角和侧倾角， 前倾角为切削齿 的工作角， 一般为负角， 有利于保护切削齿， 延长其寿 命。根据地层的可钻性和切削齿的工作载荷， 前倾角 一般在10～30之间。侧倾角使切削齿在切削地层时对 齿前岩屑产生侧向推力， 使岩屑向钻头的外缘移动[5]， 便 于排除岩屑。改变PDC切削齿的前倾角θ， 模拟得出链 接键断裂个数、 切向力与θ的关系。 链接键断裂个数随时间而增大， 且受前倾角θ的影 35 2020年第10期西部探矿工程 响。在相同时间内， 前倾角θ30时链接键断裂个数最 多， 这是因为前倾角较大时能够在切削齿齿刃及切削 面上产生较大的应力集中， 使切削齿更容易侵入岩石， 充分发挥了PDC切削齿在剪切破岩方面的优势， 提高 了破岩效率。 图1切向力与前倾角的关系 图1可以看出前倾角角度不同切向力也不同， 且力 的大小随时间的变化不断波动。设置前倾角为5时， 切向力最小， 原因是前倾角越小， 切削齿与岩石的接触 面积越小， 破岩效果差， 但是对切削齿的保护较好。当 设置前倾角为30时， 切向力最大、 破岩效率最高， 但对 切削齿的损耗也最大。 为了进一步研究最合适的前倾角角度， 引入破岩 比功这一物理量。破岩比功表征钻井中破碎单位体积 岩石所需要的功， 它能从能量消耗的角度定量反映破 岩效率的高低。在选择最优前倾角时， 应该综合考虑 岩石破碎体积大、 破岩过程做功少、 对切削齿的损耗小 等因素， 因此优选钻头前倾角为20。 2.2谐振冲击下PDC钻头破岩的模拟 为了研究简谐振动对PDC切削齿破岩效率的影 响， 将切削齿的前倾角设置为 20， 切削深度设置为 2mm， 添加30Hz的横向简谐振动， 再设置一组不添加 振动、 其余参数相同的模型。 由图2可以看出常规切削时整个曲线呈现波峰与 波谷交错的形状， 这是因为切削齿切削岩石时在上部 钻压的作用下先吃入岩石， 随着上部扭矩的不断增加， 切削齿产生的切向力也不断增加， 当切向力达到岩石 的强度极限时， 岩石开始被破坏， 岩石颗粒之间的链接 键断裂。链接键断裂的必要条件是吸收一定的塑性变 形能量， 所以切向力随时间变化曲线在切削蓄能但岩 石还没有被破坏时产生波峰， 当岩石被破坏后能量释 放， 产生波谷， 完成一个切削过程， 重复这个过程直至 整个切削完成。 谐振切削时曲线变得平滑很多， 说明在添加振动 后， 岩石更容易被破坏。PDC切削齿上的应力变化减 小， 在提高破岩效率的同时也能起到保护钻头的作 用。综上所述， 为PDC钻头添加简谐振动能提高钻头 破岩效率， 同时还能起到保护钻头的作用。 2.3不同谐振频率下PDC钻头的破岩效果 由上节可知， 为常规切削的PDC钻头施加简谐振 动在一定程度上可以提高钻头的破岩效率。为进一步 研究谐振频率对破岩效率的影响， 在其余参数不变的 情况下， 分别在钻头上施加45Hz、 50Hz、 55Hz、 60Hz的 横向简谐振动， 研究在不同频率作用下PDC钻头的切 向力变化， 以及链接键断裂情况， 见图3。 图3切向力与谐振频率的关系 模拟结果可知PDC切削齿产生的切向力随简谐 振动频率的增加而增加， 且切向力随时间的波动情况 相对于未添加简谐振动时明显减小。当前倾角设置为 图2常规切削与谐振切削切向力的关系 36 2020年第10期西部探矿工程 20， 切削齿简谐振动频率设置为60Hz时 （岩石自身振 动频率为65Hz） ， 产生的切向力大小与前倾角设置为 30， 不添加简谐振动时所产生的切向力大小相近。 3简谐振动下PDC钻头破岩室内试验 试验设备主要由泵站、 主机架和控制柜组成， 其中 主机架包括底座、 导向柱、 顶板、 主旋转电机、 冲击电机、 支架、 钻杆、 扶正套、 十字滑台、 四爪卡盘和油缸。钻头 直径为45mm， 切削齿直径为13.2mm。设定钻压为0～ 6kN、 预钻进深度为20mm， 钻进转速为0～300r/min。 试验主要采用砂岩和花岗岩， 分别代表工程中的 中硬地层和硬地层， 在进行室内谐振破岩试验之前首 先要测量试验用的岩石的自身振动频率， 从而确定施 加的横向简谐振动的频率范围。使用超声波测试系统 （由RPR-4000脉冲发生器/接收器， DS2202A示波器 和低频探头组成） 对红砂岩、 泥质粉砂岩、 花岗岩的振 动频率进行测量， 结果见表2。 表2岩石频率测量结果 岩样编号 1 2 3 岩性 红砂岩 泥质粉砂岩 花岗岩 频率Hz 48.86 52.16 56.21 在确定了红砂岩、 泥质粉砂岩、 花岗岩的频率之 后， 通过控制变量法对岩石进行多组室内试验。 4试验结果分析 4.1机械钻速 设定钻压为0～3kN、 预钻进深度为20mm、 钻进转 速为200r/min， 对泥质粉砂岩进行钻进。由图4可以看 出在钻压相同时， 简谐振动冲击下的机械钻速要高于 常规钻进时的机械钻速。随着钻压的增加， 两种钻进 情况下的机械钻速差值也随之增加。 4.2谐振频率 通过室内试验测得红砂岩的振动频率为48.86Hz， 在其他试验条件不变的情况下， 对钻头施加不同的谐 振频率， 机械钻速与转速的关系如图4。 在转速相同时， 当施加在钻头上的振动频率为 50Hz时 （与红砂岩的振动频率48.86Hz最接近） ， 机械 钻速达到最大。这说明当谐振频率接近岩石的振动频 率时， 提速效果最好。 4.3瞬时侵深 为钻头施加谐振频率， 初始值为30Hz， 以1Hz为单位 不断增加， 测量在转速和钻压相同的情况下， 各个谐振频 率下红砂岩、 泥质粉砂岩、 花岗岩的瞬时侵入深度， 见图5。 图5瞬时侵入深度与谐振频率的关系 可以看出红砂岩、 泥质粉砂岩、 花岗岩的瞬时侵入 深度随着谐振频率的增加呈现先增加， 后减小的趋 势。当谐振频率分别为45Hz、 50Hz、 55Hz时 （与岩石 自身的振动频率相近） ， 红砂岩、 泥质粉砂岩、 花岗岩的 瞬时侵深分别达到最大值。 综上所述， 通过室内试验对简谐振动下的钻头破 岩规律进行分析， 验证了模型模拟结果的准确性。 5结论 （1） 综合考虑破坏岩石的效果好、 破岩过程做功 少、 对切削齿的损耗小等因素， 优选PDC钻头切削齿 前倾角为20。 （2） 为PDC钻头施加一定频率的简谐振动可以提高 破岩效率、 减少PDC切削齿上的应力变化， 保护钻头。 （3） 为PDC钻头施加的谐振频率与岩石本身的振 动频率相近时， 破岩效率最高， 机械钻速达到最大值， 瞬时侵深达到最大值。（下转第40页） 图4不同频率下的机械钻速 37 2020年第10期西部探矿工程 4室内试验 2019年设备组装完成后进行了室内试验， 实验主 要包括总成装配现有壳体实验， 旋转实验， 静压实验， 动压实验， 磨损实验。取得了良好的的实验效果。 图5为组装好的大通径总成， 图6为大通径总成实 验图。 壳体装配试验中总成在壳体中与其紧密配合， 在 后续的实验中， 未出现磨损、 密封不严等问题。 旋转试验中总成最快转速达到120r/min无异响。 静压试验中使用水介质加压。加压 5MPa 静置 10min无压力降低现象； 加压10MPa静置2h无压力降 低现象； 加压15MPa静置10h， 无明显压力降低现象， 压降不大于0.2MPa； 加压21MPa静置24h， 无明显压力 降低现象， 压降不大于0.5MPa。 5结论及建议 （1） 近年来， 在一些重点复杂的水平井， 设计5-1/2″ 钻杆替代5″钻杆使用， 单位长度钻杆重量更重， 能够有 效提高复杂井控制能力， 随着欠平衡服务的持续发展 与5-1/2″钻杆井的不断增加， 新大通径总成具有更大 的应用范围。 （2） 与普通5-1/2″旋转防喷器总成相比， 新大通径 总成可适应更多的井上情况， 在通径变大同时在使用 寿命方面也有所提升。普通旋转防喷器总成中动密封 关键部件与冷却结构在新大通径总成中因摩擦套采用 新结构设计增加了使用寿命， 工作更加稳定更具有可 靠性。 参考文献 [1]董岩，刘江涛，于成龙，等.一种新型主动密封式旋转防喷器的 研制[J].石油机械，2014，421022-25. 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