硬地层单牙轮-PDC钻扩联合钻头破岩特性.pdf

第３０卷 第２２期中 国 机 械 工 程 Vol． ３０ No． ２２ ２０１９年１１月CHINA MECHANICAL ENGINEERINGpp． ２６８３-２６９０ 硬地层单牙轮 PDC钻扩联合钻头破岩特性 李 琴 傅文韬 黄志强 马亚超 谢 豆 西南石油大学机电工程学院, 成都,６１０５００ 摘要 提出了新型单牙轮 PDC钻扩联合钻头, 先依靠单牙轮破岩钻孔, 释放地应力, 产生岩石损 伤, 再助推PDC钻头刮切破岩.运用有限元法, 建立钻扩联合钻头、 双级PDC和常规PDC钻头破岩的 非线性动力学模型.通过对岩石本构关系进行D-P准则描述以及确定岩石破碎的判据, 分析钻扩联合 钻头钻进硬地层的破岩机理, 开展了３种钻头动态破岩过程的对比研究.结果表明 钻扩联合钻头在钻 进过程中井底井壁的岩石应力得到明显释放, 大大提高了岩层可钻性; 在硬地层中钻扩联合钻头钻进速 度提高的主要原因是拉应力破岩; 钻扩联合钻头在硬地层钻进过程中的扭转振动大大降低, 破岩效率更 高, 钻头寿命更长; 由于单牙轮领眼破碎岩石的作用, 钻扩联合钻头对井底岩石的冲击破碎能力更强, 在 硬地层中钻进更快.研究结果为新型单牙轮 PDC钻扩联合钻头的研发提供了参考. 关键词 硬地层; 单牙轮 PDC钻扩联合钻头; 破岩机理; 拉应力破岩 中图分类号TD４２１ DOI１０． ３９６９/j． issn． １００４ - １３２X． ２０１９． ２２． ００６ 开放科学 资源服务 标识码OSID Rock Breaking Characteristics of a Single ConePDC Combined Drill Bit in Hard ation LI Qin FU Wentao HUANG Zhiqiang MA Yachao XIE Dou School of Mechatronic Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu,６１０５００ AbstractA new single conePDC combined drill bit was put forward,which relied on a single cone broken rock drilling so as to release ground stresses,thus resulting in rock damage,and then help promote the PDC bit cut rock breaking． The nonlinear dynamics models of rock breaking of com- bined drill bit,two-stage PDC bit and conventional PDC bit were established by finite element meth- od． By describing the D-P criterion of rock constitutive relation and determining the criterion of rock breakage,the rock breaking mechanism of expanding combined drill bit drilling in hard ation was analyzed,and the comparative study of the dynamic rock breaking processes of ３ drill bits was carried out． The results show that the rock stresses of bottom well wall of expanding combined drill bit are ob- viously released,which greatly improves the drilling ability of rock ation． Rock breaking under tensile stress is the main reason of expanding combined drill bit enhancing the drilling speed greatly in hard ation． The torsional vibration of expanding combined drill bit is greatly reduced during drill- ing in hard ation,which leads to higher rock-breaking efficiency and longer life of drill bit． As a result of the effects of single cone collar breaking the rock,the rock burst ability of expanding com- bined drill bit to the bottom of hole is greater,and the drilling is faster in hard ation． The results provide a reference for the research of new types of singleconePDC combined drill bit． Key wordshard ation;single conePDC combined drill bit;rock breaking mechanism;rock breaking under tensile stress 收稿日期２０１８ ０７０４ 基金项目 国家大型油气田及煤层气开发重大专项资助项目 ２０１６ZX０５０４０-００６ ０ 引言 当前油气钻井过程中钻头仍然是必不可少的 工具, 尽管钻头成本只有钻井费用的３％, 然而钻 头工作效率的高低直接影响７０％钻井费用[ １]. 随着当代油气钻井作业逐渐向深井、 超深井发展, 岩石的可钻性大大变差[ ２], 常用的 PDC钻头和牙 轮钻头在钻井破岩作业中, 出现钻速慢、 破岩效率 低、 钻头易失效及寿命低的情况, 不能适应目前提 �� ３８６２ �� 速增效的钻井发展要求.因此急需研发一种能高 效快速破碎硬地层的新型组合钻头. 目前国内外对新型组合钻头的研究主要集中 于复合钻头和随钻扩眼双级钻头; 复合钻头的概 念被美国第一次提出, 由Baker Hughes公司开 展了一系列理论研究, 并制造出牙轮和PDC钻头 复合的实体钻头.PESSIER等[ ３]、 THOMSON 等[ ４]、 PASQUALE等 [５]开展了大量新型复合钻 头井下破岩试验研究, 结果表明在深部硬地层、 复 杂难钻等地层钻进破岩时, 钻井提速增效方面复 合钻头大大超过了常规钻头, 使得钻头所受转矩 显著减小, 钻进过程较稳定, 减少黏滑趋势.国内 西南石油大学和宝石机械公司联合研制了PDC- 牙轮组合的复合钻头, 进行了现场试验, 并取得了 一定效果[ ６]. 随钻扩眼双级钻头 在２００８年由彭 烨[ ７]提 出, 采用理论推导和数值仿真相结合的研究方 法, 分析了双级PDC钻头的破岩机理, 发现在一 定程度上能提升钻进速度.随后, 在２０１５年杨 英祥[ ８]、 黄文岩[９]分别申请了几项随钻扩眼双 级钻头的实用新型专利.虽然两类新型组合钻 头达到了提速增效的钻井效果, 但是复合钻头 存在不能钻进大直径井眼的问题以及不具备钻 扩联合破岩的能力; 随钻扩眼双级钻头虽可以 钻进大直径井眼, 但对深部硬地层的适应性较 差, 钻进速度虽快但不稳定, 处于领眼的PDC钻 头易被损坏, 存在使用寿命短等问题. 因此结合两类新型组合钻头的优势, 采用对 深部硬地层适应力更强并具有较大冲击力的单牙 轮钻头和由刮切方式破岩更快的PDC钻头分别 作为领眼和扩眼钻头, 提出了新型单牙轮 PDC 钻扩联合钻头.该钻头根据钻 扩分级破碎岩石 的原理, 利用尺寸小的领眼单牙轮钻进过程扭矩 小、 钻进速度快的特点, 对岩石造成一定的预损 伤, 再由大尺寸扩眼PDC刀翼二次刮削领眼井 壁, 最终钻出目标井眼大小. 当前国内外还未出现关于单牙轮 PDC钻 扩联合钻头的研究报道, 如果钻头破岩钻进过 程中的参数存在不确定性, 以及对钻头破岩特 性等问题没有充分的认识, 其钻进效率必然受 到影响.为快速推进单牙轮 PDC钻扩联合钻 头技术的研发和工程运用, 结合文献[７] 对双级 PDC钻头破岩特性研究所采用的有限元法, 开 展单牙轮 PDC钻扩联合钻头的动态破岩过程 研究, 根据岩石力学性能变化和钻头运动规律 及受力情况揭示其提速机理和破岩特性. １ 钻头破岩力学特性的建立 １． １ 岩石 钻头接触模型 钻头破岩是一个复杂的非线性过程.基于有 限元法基本理论, 设在某一时刻t, 岩石和钻头接 触所形成的系统占据空间域为Ω, 系统内作用的 柯西内应力、 边界力及体积力分别为σc、 q、qc、b, 该接触系统问题表达为[ １０] ∫Ω σcδedΩ－ ∫Ωbδ udΩ－ ∫Γf qδedS－ ∫Γcq cδudS＋ ∫Ω ρaδudΩ＝ ０ １ 式中, Γc为接触边界;Γf为边界力的边界;δe为虚应变; δu为虚位移;a为加速度; ρ为密度. 利用有限元离散化空间域Ω, 将其引入虚位 移场, 可得 mv＝pt ＋c u,α－f u, β ２ 式中,m为质量矩; v为加速度矢量;p为外力矢量;t为时 间变量;c为接触力与摩擦力矢量; u为物体位移;f为内 应力矢量; β为与材料本构关系有关的变量; α为与接触 表面特征有关的变量. １． ２ 岩石塑性本构模型及破岩判据 岩石属于非线性的各向异性材料, 受到外 部力影响会呈现出弹性变形甚至塑性变形、 脆 性断裂等现象.因此, 合理选择岩石本构模型 对钻头破岩 有限 元 模 拟 的 高 效 开 展 是 极 其 重 要的. 目前, 国内外通常采用两种准则来描述岩石 塑性阶段下的本构关系模型, 分别是Mohr-Cou- lombM-C 和Drucker-PragerD-P准则.由 于D-P准则更全面地考虑到静水压力和中间主 应力的作用, 能有效解释在静水压力下岩石屈服 的现象.D-P准则就是在Mises和 C-M准则基 础上扩展而来[ １１-１２] F＝αI１＋J２－K＝０ ３ I１＝σ１＋σ２＋σ３ ４ J２＝ １ ６ [ σ１－σ２ ２ ＋σ２－σ３ ２ ＋σ３－σ１ ２] ５ α＝ ２sinφ ３３－sinφ ６ K＝ ６dcosφ ３３－sinφ ７ 式中,J ２为第二不变量的应力偏量;I１ 为第一不变量的 应力量;K和α分别为关于岩石黏结力d和内摩擦角φ 的实验常数; σ１、σ２、σ３分别为第一、 二、 三主应力. 由式３ 可得, 岩石在与钻头接触的作用下逐 渐出现塑性变形, 当岩石承受的塑性变形超过其 �� ４８６２ �� 中国机械工程 第３０卷 第２２期２０１９年１１月下半月 临界值时, 岩石被破坏, 岩屑从岩体渐渐脱落, 所 以将等效塑性应变作为破岩判据[ １３], 即 εp≤ε － pl f ８ 式中, εp为岩石受外力作用下的等效塑性应变;ε － pl f 为岩 屑开始从岩体脱落时的等效塑性应变. 将目前普遍使用的“ 损伤因子” 的概念引入破 岩判据中, 描述岩石出现的失效和脱落现象.在 此通过材料损伤前后的弹性模量变化来定义损伤 因子D [１４], 即 D＝１－E ′ E ＝ ０ε≤ε － pl ０ １－σ σ － ε＞ε － pl ０ { ９ 式中,E为材料受外力但未损伤前的弹性模量; E′为材料 受到损伤产生裂纹后的等效弹性模量; ε － pl ０ 为岩石发生损 伤的阈值, 当岩石的等效塑性应变达到该阀值时, 岩石单 元就开始进入损伤阶段; ε为应变;σ为应力;σ －为图 １中 曲线的取值. 图１ 岩石破坏过程应力应变曲线 Fig． １ Stress strain curve of rock failure process 图１中屈服应力σy０是损伤开始处的应力, 此 处产生的总损伤变量为D＝０.当塑性应变达到 ε － pl f 处, 此时D＝１, 岩石处于完全失效状态. ２ 钻头动态破岩模型建立 利用三维设计软件Pro/E, 根据实际工程钻井 中所采用的钻头尺寸, 建立牙轮直径为１６０ mm、 PDC刀翼结构直径为３４６ mm的新型单牙轮 PDC钻 扩 联 合 钻 头 和 直 径 为３４６ mm的 常 规 PDC钻头以及扩眼和领眼PDC刀翼直径分别为 ３４６ mm和１６０ mm的双级PDC钻头的几何模 型, 然后分别建立动态破岩的非线性动力学有限 元模型.对岩石进行带沙漏控制的８节点线性六 面体减缩积分单元C３D８R 的网格划分和离散 处理, 采用四面体单元C３D１０M 对３种钻头划 分网格, 开展时长为２０ s的显式动态仿真, 建立 的有限元模型如图２所示. 图２ 有限元模型配置示意图 Fig． ２ Finite element model configuration diagram ２． １ 基本假设 由于全钻头破岩是个复杂的过程, 在此主要 研究钻头破岩动力学问题, 在仿真中忽略少量次 要因素, 提高仿真效率.做以下假设[ １５] １ 考虑到钻头远比岩石坚硬, 忽略钻进过程 的磨损, 将钻头假设成刚体. ２ 不考虑钻井液的射流影响, 将破岩视为等 温环境. ３ 井眼远场部分岩层作为井底岩石模型. ４ 假设岩石单元被钻头破碎从岩体脱落后 删除, 不存在被重复破碎的状况. ２． ２ 岩石与钻头的控制方法 将静态液柱压力加载在岩石上表面与钻头接 触区域, 上覆岩层压力加载于岩石上表面其余部 分, 固定约束岩石的下表面, 围压加载到岩石外轮 �� ５８６２ �� 硬地层单牙轮PDC钻扩联合钻头破岩特性 李 琴 傅文韬 黄志强等 廓圆柱面上.仿真过程中, 只针对钻头在钻进方 向Z轴 的钻压和扭矩进行设置, 限制 X和Y轴 方向的运动, 采用材料参数及钻头控制参数如下 密度为３ ０９９ kg/m３, 泊松比为０． １９, 弹性模量为 ４３ GPa, 屈服强度为１２１． ５ MPa, 内摩擦角为４３ , 钻压为８０ kN, 扭矩为６ kN��m. ３ 钻头破岩结果分析与讨论 在施加到单牙轮 PDC钻扩联合钻头上的钻 压和扭矩的共同作用下持续钻进岩石, 领眼牙轮 钻头随钻杆公转以及自转对岩石同时产生压碎和 切削作用, 接着扩眼PDC钻头随钻杆的旋转使其 具有切削岩石的能力, 当两者完全淹没进岩石后, 开始共同作用. ３． １ 钻进过程中岩石力学性能分析 图３是单牙轮 PDC钻扩联合钻头破碎岩石 后的等效塑性应变云图.岩石单元受外力超过自 身屈服应力后, 并不会完全失效脱落, 但会产生不 同程度的塑性变形.图中岩石单元完全失效的等 效塑性应变值ε － pl f 为０． ２１１ ４％, 当岩石单元受外 力产生的塑性应变εp达到该值时, 岩石单元发生 失效, 从岩体脱落.由图３可知, 钻扩联合钻头钻 井形成的阶梯井眼, 其井底和井壁周围的岩石都 产生了塑性变形, 而与井眼距离相对较远的岩石 只产生弹性变形.结果表明, 对宽广的地层岩体 用直径较小的岩石来模拟破岩过程是贴切工程实 际的. 图３ 钻扩联合钻头作用下岩石的等效塑性应变云图 Fig． ３ Equivalent plastic strain nephogram of rock under drilling and expanding drill bit 加载钻压和扭矩的钻头不断地破碎岩石单 元, 使其从岩体脱落消失, 然后对下一层岩石进行 破碎, 于是在钻头对岩石反复作用破碎的过程中 形成了阶梯井眼.图４是钻扩联合钻头破岩过程 中不同时刻井眼形状和岩石应力云图, 反映了不 同时刻钻头对岩石的作用效果. 图４ 钻扩联合钻头破岩过程中井眼形状 和岩石Mises应力云图 Fig． ４ Wellbore shape and rock Mises stress nephogram under drilling and expanding drill bit 由图４可知, 单牙轮 PDC钻扩联合钻头在 钻进破岩过程中主要分为两个阶段, 分别是领眼 单牙轮单独钻进和扩眼PDC刀翼参与破岩.当 钻扩联合钻头整体完全钻进后, 与常规PDC钻头 完全钻进 图５ 相比, 井眼周围岩层受到的影响 更小, 能形成更稳定的井壁; 岩石在单牙轮 PDC 钻扩联合钻头作用下, 因为领眼单牙轮尺寸小, 冲 击力较大, 在硬地层井底易形成破碎坑, 大大释放 岩石的应力, 提高岩石可钻性; 然后扩眼PDC刀 翼对领眼周围岩石进行刮切, 由于刮切截面较常 规PDC的刮切截面有所减小, 使得扩眼PDC刀 翼在刮切岩石过程中所受阻力降低, 因此能更快 速地破碎岩石, 形成井眼. �� ６８６２ �� 中国机械工程 第３０卷 第２２期２０１９年１１月下半月 图５ PDC钻头整体完全钻进应力云图 Fig． ５ Stress nephogram of PDC bit completely drilled 常规条件下岩石的抗拉强度远低于抗压强 度, 因此当岩石受外部拉应力作用时容易被破 坏[ １６].图 ６为单牙轮PDC钻扩联合钻头和常 规PDC钻头作用下岩石的最大主应力云图, 图中 拉应力为正, 压应力为负.由图６a可得, 钻扩联 合钻头破岩过程形成的井眼内部四周都有着明显 的拉应力, 而压应力却很少, 与拉应力相比几乎可 图６ ２种钻头作用下岩石最大主应力云图 Fig． ６ Maximum principal stress nephogram of rock under the action of ２ kinds of drills 忽略; 由于离井眼较远处的岩石受到周围岩层的 作用力, 主要体现出受压应力的状况.由图６b可 得, 常规PDC钻头破岩过程形成的井眼内部四周 也有拉应力存在, 但其拉应力所占比例较钻扩联 合钻头作用形成的井眼所存在的拉应力明显更 小, 而且作用不明显.因此, 单牙轮 PDC钻扩联 合钻头主要以拉应力作用对硬地层岩石进行破 碎, 拉应力作用也是钻扩联合钻头在硬地层中大 幅提高机械钻速的原因之一. ３． ２ 单牙轮PDC钻扩联合钻头破岩钻进结果分析 首先对单牙轮 PDC钻扩联合钻头钻进过程 中的钻进瞬时速度变化进行分析, 如图７所示, 钻 进瞬时速度变化曲线分为两个阶段, 首先是领眼 单牙轮单独破岩的阶段, 由于单牙轮既公转又自 转, 牙轮齿使钻头沿轴向不断振动, 所以第一阶段 时钻扩联合钻头的瞬时速度曲线波动幅度大, 钻 进速度较不稳定; 然后是扩眼PDC刀翼与单牙轮 共同破岩的阶段, 由于扩眼PDC刀翼是刮切破 岩, 破岩轴向振动较小, 从而使钻扩联合钻头的整 体振动大幅减缓, 钻头的瞬时速度曲线波动幅度 明显减小, 并趋于平稳, 说明这种钻头的结构组合 设计能改进牙轮钻头在钻进过程中的轴向不稳定 性; 由于牙轮钻头对岩石的预破碎, 使得PDC刀 翼上的牙齿作用硬地层岩石时的横向力减小, 降 低了PDC牙齿的失效, 延长了寿命, 使得破岩效 率大大提高. 图７ 钻扩联合钻头破岩钻进瞬时速度 Fig． ７ Instantaneous speed of drilling and expanding combined drill bit breaking rock 图８是单牙轮 PDC钻扩联合钻头破岩钻 进轴向位移变化曲线.从图中可知, 钻头沿钻 进方向位移不断增大, 说明岩石在不断破碎脱 落.通过分析可知, 位移曲线也分为前后两个 阶段, 前阶段轴向钻进位移曲线波动较平稳, 后 阶段轴向钻进位移曲线波动和曲线斜率都有所 增大.通过提取数据可得, 两阶段的平均轴向 钻进速度分别为１５． ９ mm/s和１７． ８ mm/s, 这表 明有一瞬间轴向位移突然增大, 破岩速度更快. 虽然当扩眼PDC刀翼进行破岩后, 需要对更大 截面的岩石进行破碎, 导致整个钻头受岩石阻 �� ７８６２ �� 硬地层单牙轮PDC钻扩联合钻头破岩特性 李 琴 傅文韬 黄志强等 图８ 钻扩联合钻头破岩钻进位移 Fig． ８ Drilling displacement of drilling and expanding combined drill bit breaking rock 力增大, 破岩难度增大, 然而钻头整体钻进后, 破岩速度没有减小, 反而有所增大.这归功于 扩眼PDC刀翼对领眼周围岩石破碎之后, 其自 身部分钻压瞬间加载到下部单牙轮上, 由于领 眼单牙轮上的钻压增大, 使得单牙轮的破岩能 力增强, 同时导致扩眼PDC刀翼沿轴向更快速 地破碎领眼周围岩石, 二者相互促进, 使得此结 构的钻扩联合钻头破岩效率大幅提高. ３． ３ 单牙轮PDC钻扩联合钻头提速机理分析 图９a、 图９b是单牙轮 PDC钻扩联合钻头 分别与常规PDC钻头和双级PDC钻头在稳定 钻进岩石过程中的轴向加速度对比曲线.钻头 的轴向钻进加速度反映了钻头钻进快慢和轴向 振动.在硬地层中,PDC钻头刮切破岩效率极 低, 损伤较大, 而一定的冲击可以使得岩石更快 速地破碎. 图９ ３种钻头轴向加速度对比曲线 Fig． ９ ３ kinds of drill axial acceleration curve 由图９可知,３种钻头沿轴向不断振动.这是 由于岩石被钻头破碎脱落后, 钻头瞬间失去岩体支 撑, 然后继续向下与未破碎岩石接触, 所以加速度 出现了瞬间增大、 减小甚至反向的现象.这样反复 作用的情况, 使得钻头的轴向加速度不断波动. 此外, 钻扩联合钻头轴向加速度波动幅度均 大于常规PDC钻头和双级PDC钻头.这是因为 钻扩联合钻头中的领眼单牙轮的作用使钻头沿轴 向不断振动, 并且扩眼PDC刀翼使领眼周围岩石 破碎后, 会瞬间提高领眼单牙轮上的钻压, 增加其 冲击破岩能力, 所以单牙轮 PDC钻扩联合钻头 较其余两种钻头沿轴向对岩石有更大的冲击破碎 能力, 能更快钻进硬地层, 并能大大减轻PDC刀 翼的损伤. 图１０a、 图１０b是单牙轮 PDC钻扩联合钻头 分别与常规PDC钻头和双级PDC钻头在稳定钻 进岩石过程中的反扭矩对比曲线. 图１０ ３种钻头反扭矩对比曲线 Fig． １０ ３ kinds of drill anti-torque contrast curve 钻头稳定钻进后, 所受反扭矩在稳定范围内 波动.当钻头产生的扭矩不足以达到岩石破碎 的临界值, 岩石导致钻头转动减缓甚至停止, 这 时上部钻柱不断扭曲积蓄能量, 钻头受到的阻 �� ８８６２ �� 中国机械工程 第３０卷 第２２期２０１９年１１月下半月 力逐渐增大, 钻头就会处于黏滞状态.随着钻 柱积蓄的能量逐渐增大并传递给钻头, 使其达 到对岩石破碎的临界值时, 使得岩石瞬间破碎, 钻头摆脱黏滞状态突然转动, 并且绕轴线高速 振动, 此时钻头处于滑脱状态, 钻头扭矩从最大 值又瞬间减小[ １７].这种反复作用的现象就是钻 头的黏滑振动, 常发生在常规PDC钻头破岩钻 进过程中. 实际钻井破岩工况中, 钻头主要依靠井口的 转盘提供能量, 并由钻柱传递到钻头上, 继而进行 岩石破碎.当钻头处于黏滞状态, 从转盘传递到 钻头的能量积蓄在钻杆上, 若该过程中能量过大, 极易造成钻杆的扭转疲劳断裂 图１１a, 使得破 岩钻井无法顺利进行.当钻头处于滑脱状态, 为 克服井壁岩石对钻头和钻柱产生大量摩擦以及整 体的扭转振动, 会耗费很大部分能量, 使得钻井效 率大大降低; 同时, 钻头处于滑脱状态会进一步加 剧钻进过程中纵向和横向振动, 也会加剧钻头切 削齿的磨损和崩裂, 使得钻头使用寿命大大降 低[ １８], 如图 １１b所示. 图１１ 黏滑振动引起的失效 Fig． １１ Failures caused by stick-slip vibration 分析图１０可得, 钻扩联合钻头所受反扭矩均 值是最低的, 为常规PDC钻头的４８％左右, 为双 级PDC钻头的４１％左右; 且钻扩联合钻头所受 的反扭矩波动幅度更小, 幅度范围为常规PDC钻 头的２３％, 为双级PDC钻头的４５％. 由于钻扩联合钻头特别的组合方式和结构, 钻进时首先由领眼单牙轮利用冲击碾压破碎岩 石, 释放岩石的应力, 降低其强度, 然后再由扩眼 PDC刀翼参与领眼周围应力释放的岩石破碎, 能 更快地钻进硬地层, 并能达到钻扩联合破碎岩石 的效果.常规PDC钻头和双级PDC钻头是由 PDC刀翼直接刮切应力未得到释放的硬地层岩 石, 会与岩石产生剧烈地滑动摩擦, 所受阻力很 大, 破岩效率极低, 所以在相同的条件下钻扩联合 钻头所受岩石的阻力更小, 扭矩波动更小, 破岩能 量利用率更高, 钻进过程更为稳定. ４ 结论 １ 单牙轮 PDC钻扩联合钻头相对于常规 PDC和双级PDC钻头, 井眼周围岩层受到的影 响更小, 能形成更稳定井壁.钻扩联合钻头在钻 进硬地层中更容易产生破碎坑, 大量释放岩石应 力, 提高岩石可钻性. ２ 单牙轮 PDC钻扩联合钻头主要以拉应 力作用对硬地层岩石进行破碎, 拉应力作用也是 钻扩联合钻头在硬地层中大幅提高机械钻速的原 因之一. ３ 单牙轮 PDC钻扩联合钻头钻进硬地层 时所受反扭转均值低于常规PDC和双级PDC钻 头, 其扭矩波动也更小, 钻进稳定性和连续性更 好, 有利于减小黏滑振动, 提高破岩效率, 延长下 部钻具的使用寿命. ４ 由于单牙轮 PDC钻扩联合钻头领眼单牙 轮有着对硬地层岩石的冲击碾压作用, 所以相比常 规PDC和双级PDC钻头而言, 能更快破碎硬地层 岩石, 并能进一步促进扩眼PDC刀翼加速钻进 破岩. 参考文献 [１] 司光, 魏伶华, 黄伟和, 等．影响钻井成本的主要因素 与控制措施[J]．天然气工业,２００９,２９９ １０６-１０９． SI Guang,WEI Linghua,HUANG Weihe,et al． Main Factors and Control Measures Affecting Drill- ing Costs[J]． Natural Gas Industry,２００９,２９９ １０６-１０９． [２] 孙龙德, 邹才能, 朱如凯, 等．中国深层油气形成、 分布 与潜力分析[J]．石油勘探与开发,２０１３６ ６４１-６４９． SUN Longde,ZOU Caineng,ZHU Rukai,et al． ation Distribution and Potential of Deep Hy- drocarbon Resources in China[J]． Petroleum Explo- ration and Development,２０１３６ ６４１-６４９． [３] PESSIER R,DAMSCHEN M ． Hybrid Bits Offer Distinct AdvantagesinSelectedRoller-coneand PDC Bit Applications[J]． SPE Drilling Comple- tion,２０１１,２６１ ９６-１０３． [４] THOMSON I J,KRASUK R M,SILVA N,et al． Hybrid Drill Bit Improves Drilling Perance in Heterogeneous ations in Brazil[J]． Society of Petroleum Engineers,２０１１SPE-１４３６８６-MS． [５] DI PASQUALE M,CALVARESI E,PECANTET S． A Breakthrough Perance for an Inland Appli- cation with a Hybrid Bit Technology[J]． Society of Petroleum Engineers ２０１３SPE-１６３４３６-MS． [６] 韩烈祥．国产PDC＋牙轮复合钻头问世[J]．钻采工 艺,２０１３,３６５ ３６． �� ９８６２ �� 硬地层单牙轮PDC钻扩联合钻头破岩特性 李 琴 傅文韬 黄志强等 HAN Liexiang． Domestic PDC＋Tooth Cone Com- posite Drills Come Out[J]． Drilling Production Technology,２０１３,３６５ ３６． [７] 彭烨．双级PDC钻头的理论及试验研究[D]．北京 中国石油大学,２００８． PENG Ye． The Theory and Testing Study of Two- stage PDC Bit[D]． BeijingChina University of Pe- troleum,２００８． [８] 杨英 祥．一 种 双 心 钻 头 中 国,CN２０１５２００６６０６９． ４ [P]． ２０１５-０１-２９． YANGYingxiang．DoubleHeartDrillChina, CN２０１５２００６６０６９． ４[P]． ２０１５-０１-２９． [９] 黄文岩．一种钻扩联合钻头 中国,CN２０１５２０６０８１８５． ４[P]． ２０１５-０８-１３． HUANG Wenyan． DrillingandExpanding Com- binedDrillChina,CN２０１５２０６０８１８５． ４[P]． ２０１５-０８- １３． [１０] 王清峰, 朱才朝, 宋朝省, 等．牙轮钻头单牙轮的破岩 仿真研究[J]．振动与冲击,２０１０, ２９１０ １０８-１１２． WANG Qingfeng,ZHU Caizhao,SONG Chaosh- eng ,et al． Study on Rock Breaking Simulation of Roller Drill Bit Cone[J]． Journal of Vibration And Shock,２０１０,２９１０ １０８-１１２． [１１] 费康, 张建伟． ABAQUS在岩土工程中的应用[M]． 北京 中国水利水电出版社,２０１０６７-７７． FEIKang,ZHANGJianwei．Applicationof ABAQUS in Geotechnical Engineering[M]． Bei- Jing China Water Conservancy and Hydropower Press,２０１０６７-７７． [１２] 蔡美峰．岩石力学与工程[M]．北京 科学出版社, ２００２４５-５７． CAI Meifeng． RockMechanicsandEngineering [M]． BeijingScience Press,２００２４５-５７． [１３] ABAQUS,Inc． ABAQUS/Standard User s Manual Version６． ５[M]． ParisABAQUS Inc． ,２００５． [１４] 蔡四维, 蔡敏．混凝土的损伤断裂[M]．北京 人民 交通出版社,１９９９３５-４１． CAI Siwei,CAI Min． Concrete Damage Fracture [M]． BeijingChina Communications Press,１９９９ ３５-４１． [１５] 祝效华, 汤历平, 童华．高频扭转冲击钻进的减振与 提速机理研究[J]．振动与冲击,２０１２,３１２０ ７５- ７８． ZHU Xiaohua,TANG Liping,TONG Hua． Rock Breaking Mechanism of a High Frequency Torsion- al Impact Drilling[J]． Journal of Vibration and Shock,２０１２,３１２０ ７５-７８． [１６] 屠厚泽, 高森．岩石破碎学[M]．北京 地质出版社, １９９０２４-２９． TU Houze,GAO Sen． Theory of Rock Fragmenta- tion[M]． BeijingGeological PublishingHouse, １９９０２４-２９． [１７] 祝效华, 汤历平, 孟苹苹, 等． PDC钻头粘滑振动理 分析[J]．石油矿场机械, ２０１２,４１４ １３-１６． ZHU Xiaohua,TANG Liping,MENG Pingping,et al． Stick-Slip Vibration Mechanism Analysis of PDC Bit[J]． Oil Field Equipment,２０１２,４１４ １３-１６． [１８] KYLLINGSTAD A,HALSEY G W． A Study of Slip /Stick Motion of the Bit．,SPE １６６５９[R]． Dal- las,TXSPE,１９８７． 编辑 王旻玥 作者简介 李琴, 女,１９７０年生, 副教授.研究方向为石油装备的现 代设计理论及方法.发表论文１０余篇.E-mail６０９９７４６８５ ＠qq． com.傅文韬 通信作者 , 男,１９９３年生, 硕士研究生.E-mail ６０９９７４６８５＠qq． com. �������������������������������������������� ２０１９年第十三届泛珠三角 扩大 塑 性工程 锻压 学术年会暨湖北省机械 工程学会塑性工程分会第六届第四次 学术年会在武汉召开 ２０１９年第十三届泛珠三角 扩大 塑性工程 锻压 学术年会暨湖北省机械工程学会塑性工程 分会第六届第四次学术年会于１１月２日－４日 在武汉举办.会议由湖北省机械工程学会塑性工 程专业委员会、 湖北省模具工业协会、 华中科技大 学材料成形与模具技术国家重点实验室联合主 办.会议主题为“ 创新塑性工程、 发展智能模具” . ２００余位代表出席了会议. 开幕式由大会主席、 华中科技大学材料科学 与工程学院王新云教授主持.李德群院士作大会 报告 塑料注射成形智能技术的进展和趋势 .北 京机电研究所蒋鹏研究员作报告 面相智能制造 的模锻工艺 , 湖北三环锻造有限公司技术部主任 工程师晏洋代张运军总经理作报告 转向节锻件 智能精锻技术的应用与展望 , 华中科技大学材料 科学与工程学院张宜生教授作报告 面向工业４． ０ 的热冲压生产线的研究及应用 , 博乐特殊钢 上 海 有限公司刘权作报告 热锻应用的博乐工具钢 解决方案 , 武汉新威奇科技有限公司余俊博士作 报告 精密模锻成形设备及智能锻造线的应用与发 展 , 华中科技大学材料科学与工程学院李中伟教 授作报告 复杂锻件高温自动化三维测量技术 . 三个分会场分别以锻造, 冲压, 挤压、 旋压、 环 轧为主题, 以邀请报告、 交流报告和研讨相结合的 方式展开了深入学术交流.会议期间, 召开了湖 北省机械工程学会塑性工程分会第六