扭轉沖擊鉆井鉆頭破巖模型及數值模擬研究

(東北石油大學石油工程學院 黑龍江 大慶 163318)

在油田開發中鉆井的作用是非常重要的，據估計，鉆井投資可占總投資的35%～40%。目前[1]，世界各國可采石油資源日益減少，這要求鉆井公司更經濟、更有效地進行石油開發[2]。鉆頭作為鉆井作業中最重要的工具，其工作性能直接影響到鉆井作業的質量、成本和效率[3,4]。與其它種類的鉆頭不同的是，PDC 鉆頭在低鉆壓、高轉速下可以獲得較高的機械鉆速，從而獲得較低的鉆進成本[5]，憑借這些特點得到了鉆井行業的青睞。本篇文章建立了扭轉沖擊破巖鉆井鉆頭破巖的模型，并進行數值模擬研究，分析了扭轉沖擊破巖機理與扭轉沖擊破巖較常規破巖的優點。

一、鉆頭扭轉沖擊破巖模型

(一)多刀翼破巖力學模型

破巖時PDC鉆頭是多個刀翼同時工作的，但由于鉆進過程中受鉆頭、巖層和鉆頭工作環境的影響，鉆頭各刀翼的受力及運動狀態是不盡相同的。假設鉆進過程中各刀翼的受力及其波動情況是相同的。

作用于鉆頭的扭矩T和鉆壓W分別作用于巖石破碎過程中切削過程和摩擦過程。切削過程用下標c表示，摩擦過程用下標f，則有，

T=Tc+Tf

(1)

W=Wc+Wf

(2)

圖1 多刀翼與巖石作用的力學模型

綜合所有刀翼的作用，作用于切削過程的扭矩Tc和鉆壓Wc為，它與單刀翼破巖模型中的切削齒受到的切削力相對應，

(3)

Wc=naζεdn=ζεad

(4)

而作用于摩擦過程的扭矩Tf和鉆壓Wf是相關的，如下，

2Tf=μaγWf

(5)

其中：γ是大于1的鉆頭幾何尺寸參數，它表征著刀翼的摩擦平面的空間分布和方向。

可得扭矩為，

(6)

鉆壓為，

W=ζεad+Wf

(7)

根據角速度基本公式，可推得平均切深公式

(8)

可得扭矩摩擦分量Tf為，

(9)

dn與鉆頭的垂直位置相關，因此其可表示為，

dn(t)=U(t)-U(t-tn)

(10)

由于d=ndn，則有

d=n[U(t)-U(t-tn)]

(11)

這里延時tn(t)可通過下述方程求解得到，

(12)

二、鉆頭扭轉沖擊破巖數值模擬

為在扭轉切削作用下切削齒與巖石從初始到最終接觸的作用過程。如圖所示，切削齒在切削巖石過程中與巖石的接觸作用主要包括完全粘滯的接觸，滑動的不完全接觸以及接近接觸狀態。

在載荷作用下切削齒與巖石的接觸初期，切削齒主要是切削面的下邊緣與巖石發生粘滯接觸，其余部分均處于接近接觸狀態和滑動狀態。隨著載荷的繼續施加，切削齒的切削面與巖石發生完全粘滯接觸，而切削齒底部處于接近接觸狀態。之后，載荷繼續施加，切削齒切削面上原來與巖石完全接觸的部分逐漸開始出現滑動接觸，即切削齒的切削面與巖石之間的接觸轉變為不完全接觸。

(一)切削齒與巖石接觸狀態分析

給出了扭轉沖擊作用下切削齒切削巖石后其與巖石之間接觸狀態示意圖。由于分析時設定巖石為彈性體，切削齒為剛性體，因此切削齒切削巖石時，主要是切削齒侵入巖石，由接觸滲透云圖可以看出接觸滲透主要發生在切削齒切削面，切削齒底面雖也與巖石發生接觸，但是幾乎不產生滲透侵入。

給出了切削齒切削巖石時發生接觸滑動的示意云圖。從圖中可以看出，切削齒與巖石發生滑動接觸時，切削齒切削面兩側和下邊緣滑動距離最大。這說明當作用于切削齒上的扭矩不足以保證切削齒侵入巖石時，切削齒的邊緣最先與巖石失去接觸。

結論

扭轉沖擊作用下鉆頭的破巖機理與常規旋沖鉆井破巖機理大致相同，巖石均會沿著其剪切面發生剪切斷裂，但相比于常規鉆井，扭轉沖擊作用下鉆頭的切削齒會與巖石介質保持更好的接觸作用，從而減小鉆頭的滑脫現象，提高巖石的破碎效率。