高壓水射流輔助錐形PDC齒破碎花崗巖試驗研究

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目“PDC鉆頭錐形齒與平面齒協(xié)同破碎深部硬巖機(jī)理研究”（52304014）；中國博士后科學(xué)基金項目“低溫射流輔助異形PDC齒破碎干熱巖機(jī)理研究”（2023M733873）；中國石油大學(xué)（北京）科研基金項目“高溫高壓下錐形齒-平面齒混合切削花崗巖機(jī)理研究”（2462023SZBH003）；北京高校卓越青年科學(xué)家計劃資助項目“新型射流提高深部地?zé)徙@井速度基礎(chǔ)研究”（BJJWZYJH01201911414038）。

油氣資源與工程全國重點實驗室" 4.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運工程學(xué)院

5.中國石油大學(xué)（北京）高端油氣裝備智能設(shè)計與制造研究中心 ）

王大勇，馬紅濱，李欣龍，等.高壓水射流輔助錐形PDC齒破碎花崗巖試驗研究36-44

Wang Dayong，Ma Hongbin，Li Xinlong，et al.Experimental study on high-pressure water jet assisted conical PDC cutter breaking of granite36-44

深部地層巖石硬度高、研磨性強、可鉆性差，地質(zhì)條件復(fù)雜、施工難度大，高壓水射流輔助鉆井可有效延長鉆頭壽命，提高鉆進(jìn)效率。采用室內(nèi)試驗與理論分析相結(jié)合的方法，開展了高壓水射流輔助錐形PDC齒破碎花崗巖試驗，分析了高壓水射流輔助錐形PDC齒和常規(guī)PDC齒破碎花崗巖特性，揭示了射流壓力、噴射距離、噴嘴直徑及噴射角度等因素對錐形PDC齒破巖效果的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：在高壓水射流輔助破巖條件下，錐形PDC齒與常規(guī)PDC齒的破巖比能分別降低了17.36%與19.63%；射流壓力越大，射流輔助錐形PDC齒破巖效果越好；在研究條件下，噴距范圍為5～10 mm可使水射流輔助錐形PDC齒破巖效果最佳；當(dāng)噴嘴直徑為2 mm時，切削力離散系數(shù)最小；噴射角度為30°時，錐形PDC齒切削力與破巖比能達(dá)到最小值；噴射角度為20°時，切削力離散系數(shù)最小，切削力最穩(wěn)定。研究結(jié)果可為適用于深部硬巖鉆井的錐形PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供理論支撐。

高壓水射流；錐形PDC齒；聯(lián)合破巖；花崗巖；切削力；破巖特性

TE921

A

005

Experimental Study on High-Pressure Water Jet Assisted

Conical PDC Cutter Breaking of Granite

Wang Dayong1" Ma Hongbin2" Li Xinlong3" Xiong Chao3，4，5

Shi Huaizhong3" Huang Zhongwei3" He Wenhao3

（1.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.;2.CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited;3.National Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering，China University of Petroleum （Beijing）；4.College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum （Beijing）;5.Center of Advanced Oil and Gas Equipment，China University of Petroleum （Beijing））

Deep rocks are hard to abrade and drill，with complex geological conditions for operations.High-pressure water jet assisted drilling technology can effectively extend the service life of drill bits and improve the drilling efficiency in such deep formations.This paper presents a laboratory experiment on high-pressure water jet assisted conical PDC cutter breaking granite to compare the performance of high-pressure water jet assisted conical PDC cutter and conventional PDC cutter and clarify how jet pressure，jet distance，nozzle diameter and jet angle on the rock-breaking performance of conical PDC cutter.The results show that，with the assistance of high-pressure water jet in rock breaking，the mechanical specific energies of conical PDC cutter and conventional PDC cutter are reduced by 17.36% and 19.63%，respectively.The higher the jet pressure，the better the water jet assisted conical PDC cutters rock-breaking performance.Under the experimental conditions，the optimal jet distance range is found to be about 5-10 mm.When the nozzle diameter is 2 mm，the dispersion coefficient of the cutting force is the smallest.When the jet angle is 30°，the cutting force and mechanical specific energy of conical PDC cutter reach the minimum values.When the jet angle is 20°，the dispersion coefficient of the cutting force is the smallest and the cutting force is the most stable.The research results can provide theoretical support for hydraulic structure design and optimization of conical PDC bit for drilling deep hard rocks.

high-pressure water jet;conical PDC cutter;combined rock breaking;granite;cutting force;rock-breaking performance

0" 引" 言

王大勇，等：高壓水射流輔助錐形PDC齒破碎花崗巖試驗研究

經(jīng)過多年的石油勘探和開采，在中淺地層中尋找新的大型油氣藏愈發(fā)困難，世界各地的油氣勘探已擴(kuò)展到深層（4 500～6 000 m）和超深層（gt;6 000 m）［1-2］。深層石油作為全球石油工業(yè)的戰(zhàn)略“三新”領(lǐng)域之一，也是中國石油工業(yè)重要的勘探與發(fā)展方向［3-4］。據(jù)統(tǒng)計，中國深部地層石油儲量為304億t，約占石油總儲量的40%，其中已探明儲量為17.93億t，探明率僅為5.9%［5］。鉆井作為深層油氣勘探開發(fā)必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和手段，近年來取得了重要進(jìn)展。但由于深部地層巖石硬度高、研磨性強、可鉆性差，與淺部地層相比地質(zhì)條件更加復(fù)雜、施工難度更大，鉆井面臨機(jī)械鉆速低、周期長、成本高等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如何高效經(jīng)濟(jì)地鉆井是開發(fā)深地資源亟需解決的問題［6-10］。

鉆頭作為破碎巖石的核心工具，對安全高效鉆進(jìn)至關(guān)重要。目前，PDC鉆頭進(jìn)尺已經(jīng)超過鉆頭總進(jìn)尺的90%，常規(guī)PDC鉆頭在堅硬地層中仍面臨嚴(yán)重的崩齒、碎齒和磨損等挑戰(zhàn)［11］。近年來，隨著PDC齒加工工藝的不斷進(jìn)步，各種異形PDC齒不斷涌現(xiàn)，極大地增強了PDC鉆頭在堅硬、強研磨性以及非均質(zhì)地層中的鉆進(jìn)能力［12］。錐形PDC齒作為異形PDC齒，國內(nèi)外學(xué)者對其開展了大量試驗和數(shù)值模擬研究，探究了其破巖過程與巖石應(yīng)力響應(yīng)特征，分析了切削深度、切削角度、切削速度、鉆壓、錐頂角及齒徑等因素對破巖效率的影響，揭示了其破巖機(jī)理［13-20］。此外，為了提高硬巖地層破巖效率，有學(xué)者研究了激光［21］、水射流［22］及微波［23］等新型輔助破巖方法。其中，水射流破巖技術(shù)因其效率高、安全環(huán)保的特點在油氣行業(yè)廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)50年代，美國基于噴嘴組合系統(tǒng)提出鉆頭水力學(xué)理論，并設(shè)計噴射式鉆頭［24］。李根生和沈忠厚等也對石油鉆井中水力-機(jī)械聯(lián)合破巖開展了理論與試驗研究，探究了水力預(yù)破碎作用、水楔作用及沖蝕作用等輔助破巖機(jī)理，建立了新型射流理論與應(yīng)用體系［24-28］。張文華等［29］建立了高壓水射流-機(jī)械聯(lián)合破巖數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)水力-機(jī)械聯(lián)合破巖效率約為高壓水射流和切削齒單獨破巖之和的2倍。盧義玉等［30］基于水射流輔助刀具切割巖石室內(nèi)試驗，發(fā)現(xiàn)水射流布置在合適位置可使刀具受力減小30%～50%，且刀具受力減小百分比不受切割深度的影響。HE L.P.等［31］研究了射流壓力、沖擊距離和沖擊時間等對砂巖破碎效果的影響，確定了直徑為1.0 mm，傾角為20°、30°和60°噴嘴合理的結(jié)構(gòu)。蔡燦等［32］分析了噴嘴直徑、噴距及壓降等對高壓CO2射流-PDC齒復(fù)合破巖井底流場的影響，揭示了高壓射流破巖、射流-機(jī)械聯(lián)合破巖和射流輔助攜巖機(jī)理，展望了射流輔助鉆井技術(shù)的發(fā)展趨勢［32-33］。

前人對水力-機(jī)械聯(lián)合破巖開展了相關(guān)試驗與數(shù)值模擬研究，取得了一定的研究成果［34-36］，但對于高壓水射流輔助PDC齒聯(lián)合切削破巖的破巖規(guī)律研究仍然相對匱乏。本文采用室內(nèi)試驗與理論分析相結(jié)合的方法，利用自主研發(fā)的射流輔助PDC齒破巖試驗裝置，模擬鉆頭使用時水力-機(jī)械聯(lián)合破巖狀態(tài)，開展高壓水射流輔助錐形PDC齒破碎花崗巖試驗，分析高壓水射流輔助錐形PDC齒和常規(guī)PDC齒破碎花崗巖特性，揭示射流壓力、噴射距離、噴嘴直徑及噴射角度等因素對錐形PDC齒破巖效果的影響規(guī)律，以期為適用于深部硬巖鉆井的錐形PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供理論支撐。

1" 高壓水射流輔助破巖試驗

1.1" 試驗裝置

高壓水射流輔助錐形PDC齒破巖試驗在中國石油大學(xué)（北京）高壓水射流鉆井與完井實驗室自主研發(fā)設(shè)計的射流輔助PDC齒破巖試驗系統(tǒng)上開展。圖1為射流輔助PDC齒破巖試驗裝置，主要由切削系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和射流系統(tǒng)3部分組成。切削系統(tǒng)在立式車床上改造而成，包括巖樣夾持裝置、切削底座、三軸測力傳感器及刀具夾持裝置等。控制系統(tǒng)由編程系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和機(jī)柜等組成。射流系統(tǒng)主要由電動控制柜、高壓柱塞泵、管道泵、空壓機(jī)、電動機(jī)、供水箱和其他輔助裝置組成。該柱塞泵額定壓力為60 MPa，最高壓力為80 MPa，額定排量為200 L/min，電動機(jī)功率為220 kW，最高排量為700 L/min。該設(shè)備可以實現(xiàn)PDC齒單齒和多齒的耐磨損測試、旋轉(zhuǎn)破巖測試、直線破巖測試等功能，以及不同種類流體噴射情況下的PDC齒耐磨損及破巖測試。

1.2" 試驗材料

試驗采用的巖石是產(chǎn)自山東的花崗巖露頭，切割成150 mm×150 mm×150 mm的立方體，嚴(yán)格控制巖石表面的平整度和平行度。對花崗巖的基本物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。

采用武漢玖石超硬材料有限公司生產(chǎn)的S1913型常規(guī)齒和C1621型錐形齒開展破巖試驗。2種齒的幾何參數(shù)如圖2所示。

試驗采用的C304不銹鋼材質(zhì)的錐直形噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。噴嘴的出口直徑d分別為1、2、3和4 mm；噴嘴的入口直徑D為10 mm；收縮角α為13°；圓柱段長度l與直徑d的比值為3。

1.3" 試驗方案及流程

為了探究高壓水射流輔助PDC齒破巖特性，優(yōu)選射流輔助錐形PDC齒破碎花崗巖參數(shù)，共設(shè)

計16組試驗，以切削力與破巖比能為目標(biāo)；利用控制變量法探究有無射流、不同射流壓力、不同噴距、不同噴嘴直徑及不同噴射角度條件下，高壓水射流對PDC齒破碎花崗巖特性的影響規(guī)律。具體試驗方案如表2所示。

試驗原理和射流角度調(diào)節(jié)如圖4所示。

通過編程調(diào)節(jié)PDC齒的切削深度，改變噴嘴位置，調(diào)節(jié)噴射距離和噴射角度等參數(shù)。噴嘴利用特殊夾具進(jìn)行固定，保持與切削齒相對位置不變。切削刀頭的上端連接固定背板，背板連接三軸測力傳感器，破巖過程中實時動態(tài)監(jiān)測齒與巖石之間的相互作用力，評價不同射流參數(shù)下PDC齒破巖的切削力特性。試驗結(jié)束后，對切槽進(jìn)行三維形貌掃描，測量破巖體積，計算破巖比能，進(jìn)而評價破巖效果。

試驗具體操作流程如下。

（1）戴好護(hù)目鏡安全帽，穿戴好防護(hù)服飾，檢查設(shè)備通電是否正常，調(diào)節(jié)切削力采集系統(tǒng)的切削程序，測試切削裝置是否運作正常，確保沒有安全隱患。

（2）準(zhǔn)備試驗材料，包括高壓水射流噴嘴、花崗巖巖樣、PDC齒及刀具等。

（3）花崗巖巖樣調(diào)平，確保實際切削深度與預(yù)設(shè)切削深度一致。

（4）依據(jù)試驗原理，調(diào)整水射流參數(shù)及射流角度。

（5）對噴嘴、切削齒、巖樣進(jìn)行夾持與固定操作。

（6）根據(jù)預(yù)設(shè)切削深度編輯數(shù)控程序，執(zhí)行程序，采集切削力數(shù)據(jù)，結(jié)束本組試驗。

（7）改變參數(shù)，重復(fù)試驗過程，完成16組切削破碎試驗，得到試驗數(shù)據(jù)并進(jìn)行后處理。

（8）采用三維形貌儀對切削槽進(jìn)行形貌掃描，分析破巖體積，計算破巖比能。

1.4" 試驗數(shù)據(jù)處理方法

不同射流參數(shù)下的切削距離-切削力幅值變化曲線如圖5所示。由于花崗巖的脆性破碎特征和非均質(zhì)性，切削力呈現(xiàn)明顯的波動，切削速度為10 mm/s，采集率為100次/s。為減小試驗誤差，提取切削距離為25～125 mm相對平穩(wěn)切削階段的切削力數(shù)據(jù)，計算切削力平均值與離散系數(shù)并進(jìn)行分析。

cutting distance （Group 2）

平均切削力的計算公式如下：

F—=1n∑ni=1Fi（1）

切削力離散系數(shù)計算公式如下：

C=σF—=" ∑ni=1Fi－F—2nF—

（2）

式中：F—為平均切削力，N；Fi為載荷傳感器測量的瞬時切削力，N；n為采集到的瞬時切削力數(shù)量，本研究中n=1 000；σ為標(biāo)準(zhǔn)差，N。

破巖比能是衡量鉆井效率的重要指標(biāo)。在巖石破碎學(xué)中，破巖比能從能量的角度反映巖石的破碎效率，其定義為單位體積巖石破碎所需的能耗［37-38］。破巖比能EMSE定義為：

EMSE=WV（3）

式中：W為巖石破碎所消耗的能量，J；V為巖石破碎產(chǎn)生巖屑的總體積，m3。

在本研究中，高壓水射流從側(cè)向輔助錐形PDC齒破碎花崗巖，水射流作用面垂直于PDC齒運動方向，因此巖石破碎所消耗的能量W等于切削力所做的功，可以表示為：

W=∫L0Fdx=∑ni=0FiLn=L1n∑ni=1Fi=LF—（4）

式中：L為切削距離，m，本研究提取切削距離為巖石樣品的25～125 mm，即L=0.1 m。

利用Mountains Map Premium軟件對切槽進(jìn)行三維形貌掃描與后處理，通過切片處理可以獲取破巖體積V與切槽的寬度。

破巖體積V可以表示為：

V=VtVkVc=abcVkVc（5）

式中：Vt為形貌掃描區(qū)域的實際體積，m3；a、b、c分別為掃描區(qū)域的長、寬、高，m，在本試驗中，a=0.1 m，b=0.03 m；Vk與Vc分別為后處理軟件讀取空間的體積與材料的體積，m3。

2" 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)1.3所述的試驗方案，結(jié)合1.4所述的數(shù)據(jù)處理方法與計算結(jié)果，本節(jié)分析了有無射流、不同射流壓力、不同噴距、不同噴嘴直徑及不同噴射角度等射流參數(shù)對PDC齒切削力、離散系數(shù)、破巖體積和破巖比能的影響規(guī)律，探究了高壓水射流輔助錐形PDC齒破碎花崗巖特性并優(yōu)選了射流參數(shù)。

2.1" 有、無射流輔助對PDC齒破巖特性的影響

圖6為錐形PDC齒與常規(guī)PDC齒在有、無高壓水射流條件下的切削力、離散系數(shù)、破巖體積和破巖比能的對比圖。

切削深度和切削角度分別為2 mm和20°，G2與G4的噴嘴直徑為2 mm，射流壓力為10 MPa，噴距為15 mm，噴射角度為20°。從圖6可以看出：相較于PDC齒單齒破巖，在射流參數(shù)下，錐形PDC齒與常規(guī)PDC齒切削力分別減小了12.30%與19.05%，破巖比能分別降低了17.36%與19.63%；在射流輔助破巖條件下，切削過程的破巖體積增大，切削力離散系數(shù)減小，切削過程更加平穩(wěn)；在PDC齒切削破巖過程中，水射流滲入巖石裂縫中加速裂縫擴(kuò)展，有效輔助了巖石破碎。

2.2" 不同射流壓力對錐形PDC齒破巖特性的影響

圖7為不同射流壓力下錐形PDC齒破巖切削力、離散系數(shù)、破巖體積和破巖比能的變化規(guī)律。從圖7可以看出：隨著射流壓力的增大，錐形PDC齒切削力逐漸減小，破巖體積逐漸增大，破巖比能逐漸減小；在試驗范圍內(nèi)，當(dāng)射流壓力達(dá)到20 MPa時，相較于單齒破巖，高壓水射流輔助錐形PDC齒破巖切削力減小31.09%，破巖比能降低達(dá)39.76%；隨著射流壓力的增大，水射流更容易進(jìn)入裂縫，流體輔助裂縫擴(kuò)展效果增強。

2.3" 不同噴射距離對錐形PDC齒破巖特性的影響

圖8為不同噴射距離下錐形PDC齒破巖切削力、離散系數(shù)、破巖體積和破巖比能的變化規(guī)律。

從圖8可以看出：在試驗范圍內(nèi)，切削力與破巖體積隨著噴射距離的增大先減小后增大；當(dāng)噴距為10 mm時，錐形PDC齒切削力最小，此時相較于單齒破巖，高壓水射流輔助錐形PDC齒破巖切削力減小了18.54%；在噴距為5～10 mm的范圍內(nèi)，破巖比能基本不變；當(dāng)噴射距離大于10 mm時，破巖比能逐漸增大。射流噴距對水力-機(jī)械聯(lián)合破巖能力有著顯著影響，破巖效果隨著射流噴距的增加先增強后減弱，在本文試驗研究范圍內(nèi)，最優(yōu)噴距范圍為5～10 mm。

2.4" 不同噴嘴直徑對錐形PDC齒破巖特性的影響

圖9為不同噴嘴直徑下錐形PDC齒破巖切削力、離散系數(shù)、破巖體積和破巖比能的變化規(guī)律。從圖9可以看出：隨著噴嘴直徑的增大，錐形PDC齒切削力與破巖比能逐漸減小，切削過程的破巖體積基本保持不變，僅有微小幅度上升；在本文試驗范圍內(nèi)，當(dāng)噴嘴直徑為4 mm時，切削力與破巖比能最小，相較于單齒破巖分別減小30.04%與34.55%；當(dāng)噴嘴直徑為2 mm時，切削力離散系數(shù)最小，此時切削力最穩(wěn)定。

2.5" 不同噴射角度對錐形PDC齒破巖特性的影響

圖10為不同噴射角度下錐形PDC齒破巖切削力、離散情況、破巖體積和破巖比能的變化規(guī)律。從圖10可以看出：在試驗范圍內(nèi)，隨著噴射角度的增大，錐形PDC齒切削力與破巖比能先減小后增大，而破巖體積先增大后減小；當(dāng)噴射角度約30°時，錐形PDC齒切削力與破巖比能達(dá)到最小值，相較于單齒破巖分別降低32.50%與37.72%；當(dāng)噴射角度為20°時，切削力離散系數(shù)最小，此時切削力最穩(wěn)定。在現(xiàn)場應(yīng)用中，如果需求側(cè)重于提高破巖效率，可以設(shè)置噴嘴噴射角度約為30°；如果需求側(cè)重于鉆進(jìn)過程的穩(wěn)定性，可以設(shè)置噴嘴噴射角度約為20°。

3" 結(jié)" 論

（1）在射流輔助破巖條件下，錐形PDC齒與常規(guī)PDC齒的切削力與破巖比能不同程度降低，切削過程的破巖體積增大，切削力離散系數(shù)減小，切削過程較為平穩(wěn)。且隨著射流壓力的增大，水射流更容易進(jìn)入裂縫，流體輔助裂縫擴(kuò)展效果增強。

（2）高壓水射流的噴射距離對聯(lián)合破巖能力有著顯著影響，破巖效果隨著射流噴距的增加先增大后減小，在試驗研究范圍內(nèi)，最優(yōu)噴距范圍為5～10 mm。

（3）當(dāng)噴射角度約30°時，錐形PDC齒切削力與破巖比能達(dá)到最小值，此時相較于單齒破巖分別降低32.50%與37.72%。當(dāng)噴射角度約20°時，破巖過程的切削力離散系數(shù)最小，此時切削力最穩(wěn)定。

［1］

汪海閣，黃洪春，畢文欣，等．深井超深井油氣鉆井技術(shù)進(jìn)展與展望［J］．天然氣工業(yè)，2021，41（8）：163-177．

WANG H G，HUANG H C，BI W X，et al.Deep and ultra-deep oil/gas well drilling technologies： progress and prospect［J］.Natural Gas Industry，2021，41（8）： 163-177.

［2］" GUO X S，HU D F，LI Y P，et al.Theoretical progress and key technologies of onshore ultra-deep oil/gas exploration［J］.Engineering，2019，5（3）： 458-470.

［3］" SUN L D，ZOU C N，ZHU R K，et al.Formation，distribution and potential of deep hydrocarbon resources in China［J］.Petroleum Exploration and Development，2013，40（6）： 687-695.

［4］" PANG X Q，JIA C Z，WANG W Y.Petroleum geology features and research developments of hydrocarbon accumulation in deep petroliferous basins［J］.Petroleum Science，2015，12（1）： 1-53.

［5］" 徐春春，鄒偉宏，楊躍明，等．中國陸上深層油氣資源勘探開發(fā)現(xiàn)狀及展望［J］．天然氣地球科學(xué)，2017，28（8）：1139-1153．

XU C C，ZOU W H，YANG Y M，et al.Status and prospects of exploration and exploitation of the deep oil amp; gas resources onshore China［J］.Natural Gas Geoscience，2017，28（8）： 1139-1153.

［6］" 王健．國內(nèi)深層頁巖氣鉆井難點及技術(shù)進(jìn)展［J］．石油化工應(yīng)用，2020，39（12）：1-5，20．

WANG J.Difficulties and technical progress of deep shale gas drilling in China［J］.Petrochemical Industry Application，2020，39（12）： 1-5，20.

［7］" 雷群，胥云，楊戰(zhàn)偉，等．超深油氣儲集層改造技術(shù)進(jìn)展與發(fā)展方向［J］．石油勘探與開發(fā)，2021，48（1）：193-201．

LEI Q，XU Y，YANG Z W，et al.Progress and development directions of stimulation techniques for ultra-deep oil and gas reservoirs［J］.Petroleum Exploration and Development，2021，48（1）： 193-201.

［8］" MA X H，WANG H Y，ZHOU S W，et al.Deep shale gas in China： geological characteristics and development strategies［J］.Energy Reports，2021，7： 1903-1914.

［9］" 周長所，楊進(jìn)，幸雪松，等．基于機(jī)械比能理論的渤海深層鉆井參數(shù)優(yōu)化［J］．石油鉆采工藝，2021，43（6）：693-697．

ZHOU C S，YANG J，XING X S，et al.Optimizing drilling parameters of deep formations in the Bohai Basin based on mechanical specific energy theory［J］.Oil Drilling amp; Production Technology，2021，43（6）： 693-697.

［10］" 王建云，韓濤，趙寬心，等．塔深5井超深層鉆井關(guān)鍵技術(shù)［J］．石油鉆探技術(shù)，2022，50（5）：27-33．

WANG J Y，HAN T，ZHAO K X，et al.Key drilling technologies for the ultra-deep Well Tashen 5［J］.Petroleum Drilling Techniques，2022，50（5）： 27-33.

［11］" CHENG Z，LI G S，HUANG Z W，et al.Analytical modelling of rock cutting force and failure surface in linear cutting test by single PDC cutter［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2019，177： 306-316.

［12］" 劉偉吉，陽飛龍，董洪鐸，等．異形PDC齒混合切削破碎花崗巖特性研究［J］．工程力學(xué)，2023，40（3）：245-256．

LIU W J，YANG F L，DONG H D，et al.Investigate on the mixed-cutting of specially-shaped PDC cutters in granite［J］.Engineering Mechanics，2023，40（3）： 245-256.

［13］" 熊超，黃中偉，王立超，等．錐形PDC齒破巖特征與機(jī)制研究［J/OL］．巖土力學(xué)，2023（8）：1-13．（2023-06-16）［2023-08-09］．https：∥doi.org/10.16285/j.rsm.2022.1391．DOIHYPERLINK\"https：∥doi.org/10.16285/j.rsm.2022.1391．DOI\"：10.16285/j.rsm.2022.1391．

XIONG C，HUANG Z W，WANG L C，et al.Study on rock breaking characteristics and mechanism of conical PDC cutter［J/OL］.Rock and Soil Mechanics，2023（8）： 1-13.（2023-06-16）［2023-08-09］.https：∥doi.org/10.16285/j.rsm.2022.1391.DOIHYPERLINK\"https：∥doi.org/10.16285/j.rsm.2022.1391.%20DOI\"： 10.16285/j.rsm.2022.1391.

［14］" 李紀(jì)東，龔秋明，殷麗君，等．錐形齒齒形參數(shù)及間距優(yōu)化試驗研究［J］．地下空間與工程學(xué)報，2022，18（4）：1259-1265．

LI J D，GONG Q M，YIN L J，et al.Experimental study on optimal profile parameters and spacing of conical button［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2022，18（4）： 1259-1265.

［15］" 孫源秀，鄒德永，徐城凱，等．錐形聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭（PDC）齒與常規(guī)PDC齒破巖效果對比試驗［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15（36）：159-162．

SUN Y X，ZOU D Y，XU C K，et al.Contrast experiment on conical PDC cutter and conventional PDC cutter［J］.Science Technology and Engineering，2015，15（36）： 159-162.

［16］" XIONG C，HUANG Z W，SHI H Z，et al.Investigations on the stinger PDC cutter breaking granitoid under in-situ stress and hydrostatic pressure conditions［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2023，164： 105312.

［17］" 鄒德永，郭玉龍，趙建，等．錐形PDC單齒破巖試驗研究［J］．石油鉆探技術(shù)，2015，43（1）：122-125．

ZOU D Y，GUO Y L，ZHAO J，et al.Experimental study on rock breaking of conical PDC cutter［J］.Petroleum Drilling Techniques，2015，43（1）： 122-125.

［18］" 鄒德永，孫源秀，于鵬，等．錐形齒PDC鉆頭臺架試驗研究［J］．中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，39（2）：48-52．

ZOU D Y，SUN Y X，YU P，et al.Experiment study on bench test of stinger PDC bit［J］.Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2015，39（2）： 48-52.

［19］" XIONG C，HUANG Z W，SHI H Z，et al.3D cutting force model of a stinger PDC cutter： considering confining pressure and the thermal stress［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，2021，54（9）： 5001-5022.

［20］" XIONG C，HUANG Z W，YANG R Y，et al.Comparative analysis cutting characteristics of stinger PDC cutter and conventional PDC cutter［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2020，189： 106792.

［21］" 李美艷，韓彬，張世一，等．激光輔助破巖實驗研究［J］．鉆采工藝，2015，38（3）：1-3，9．

LI M Y，HAN B，ZHANG S Y，et al.Experimental study on rock fragment assisted by laser technology［J］.Drilling amp; Production Technology，2015，38（3）： 1-3，9.

［22］" 黃志強，周磊．石油鉆井中水力輔助機(jī)械破巖機(jī)理研究［J］．石油天然氣學(xué)報，2009，31（3）：88-90．

HUANG Z Q，ZHOU L.On hydraulic auxiliary mechanical rock breaking mechanism in drilling［J］.Journal of Oil and Gas Technology，2009，31（3）： 88-90.

［23］" HASSANI F，NEKOOVAGHT P.The development of microwave assisted machineries to break hard rocks［C］∥2011 Proceedings of the 28th ISARC.Seoul： IAARC，2011： 678-684.

［24］" 李根生，沈忠厚．高壓水射流理論及其在石油工程中應(yīng)用研究進(jìn)展［J］．石油勘探與開發(fā)，2005，32（1）：96-99．

LI G S，SHEN Z H.Advances in researches and applications of water jet theory in petroleum engineering［J］.Petroleum Exploration and Development，2005，32（1）： 96-99.

［25］" 李根生，沈忠厚，徐依吉，等．超高壓射流輔助鉆井技術(shù)研究進(jìn)展［J］．石油鉆探技術(shù)，2005，33（5）：20-23．

LI G S，SHEN Z H，XU Y J，et al.Advances in basic study on ultra-high pressure water jet assisted drilling［J］.Petroleum Drilling Techniques，2005，33（5）： 20-23.

［26］" 李根生，廖華林．超高壓水射流沖蝕切割巖石斷口微觀斷裂機(jī)理實驗研究［J］．高壓物理學(xué)報，2005，19（4）：337-342．

LI G S，LIAO H L.Micro-failure mechanism analysis and test study for rock failure surface under water jet impact［J］.Chinese Journal of High Pressure Physics，2005，19（4）： 337-342.

［27］" 沈忠厚，李根生，王瑞和．水射流技術(shù)在石油工程中的應(yīng)用及前景展望［J］．中國工程科學(xué)，2002，4（12）：60-65．

SHEN Z H，LI G S，WANG R H.Application and prospects of water jet technology in petroleum engineering［J］.Strategic Study of CAE，2002，4（12）： 60-65.

［28］" 李根生，廖華林，黃中偉，等．超高壓水射流作用下巖石損傷破碎機(jī)理［J］．機(jī)械工程學(xué)報，2009，45（10）：284-293．

LI G S，LIAO H L，HUANG Z W，et al.Rock damage mechanisms under ultra-high pressure water jet impact［J］.Journal of Mechanical Engineering，2009，45（10）： 284-293.

［29］" 張文華，汪志明，于軍泉，等．高壓水射流-機(jī)械齒聯(lián)合破巖數(shù)值模擬研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（23）：4373-4382．

ZHANG W H，WANG Z M，YU J Q，et al.Numerical simulation for combined breaking rock with high pressure water jet and mechanical bit［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（23）： 4373-4382.

［30］" 盧義玉，陸朝暉，李曉紅，等．水射流輔助PDC刀具切割巖石的力學(xué)分析［J］．巖土力學(xué)，2008，29（11）：3037-3040，3046．

LU Y Y，LU C H，LI X H，et al.Mechanical analysis of water jets assisting PDC bit to cut rocks［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29（11）： 3037-3040，3046.

［31］" HE L P，LIU Y B，WU Y Q，et al.The effects of process parameters on the rock-breaking efficiency of multi-nozzle jet［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2021，206： 108857.

［32］" 蔡燦，高超，王海柱，等．高壓CO2射流-PDC齒復(fù)合破巖流場及攜巖增強機(jī)理［J］．天然氣工業(yè)，2021，41（10）：101-108．

CAI C，GAO C，WANG H Z，et al.Flow field and cuttings carrying enhancement mechanism of compound rock breaking by high pressure CO2 jet and PDC cutters［J］.Natural Gas Industry，2021，41（10）： 101-108.

［33］" 蔡燦，曹文洋，謝全功，等．高壓射流輔助鉆井技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．天然氣工業(yè)，2023，43（8）：116-126．

CAI C，CAO W Y，XIE Q G，et al.Research status and development trend of high pressure jet assisted drilling technology［J］.Natural Gas Industry，2023，43（8）： 116-126.

［34］" 胡強法，谷子昂，房偉，等. 旋轉(zhuǎn)噴頭射流工具水力參數(shù)優(yōu)化及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選［J］. 石油鉆采工藝，2022，44（3）：366-375.

HU Q F， GU Z A， FANG W， et al. Optimization of hydraulic parameters and structure parameters of rotary jetting tools［J］. Oil Drilling amp; Production Technology， 2022， 44（3）： 366-375.

［35］" 趙國浩， 熊浪豪， 陳君，等. 西土孜庫區(qū)塊白堊系復(fù)雜巖性個性化高效破巖PDC鉆頭的優(yōu)選與應(yīng)用［J］. 鉆采工藝， 2023， 46（4）： 157-161.

ZHAO G H， XIONG L H， CHEN J， et al. Selection and Application of Efficient Rock Breaking PDC Bits for Complex Lithology of Cretaceous in WT Block［J］. Drilling amp; Production Technology， 2023， 46（4）： 157-161.

［36］" 湯積仁，姚奇，章文峰，等. 逐級遞進(jìn)射流沖擊破碎廢棄混凝土分離骨料可行性試驗［J］. 中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，46（2）：121-126.

TANG J R， YAO Q， ZHANG W F， et al. Experiment on feasibility of separating aggregate from waste concrete by progressive jet impingement ［J］. Journal of China University of Petroleum （ Edition of Natural Science）， 2022， 46 （2）：121-126.

［37］" TEALE R.The concept of specific energy in rock drilling［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences amp; Geomechanics Abstracts，1965，2（1）： 57-73.

［38］" DONG Z X，ZHANG H，LI J，et al.A method for evaluating the rock breaking efficiency of cutters and optimizing the PDC cutter profile-a study of igneous rock formations in Shunbei Oilfield［J］.Energies，2022，15（18）： 6686.

第一王大勇，高級工程師，生于1976年，1998年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東）機(jī)械設(shè)計與制造專業(yè)，現(xiàn)從事鉆井提速技術(shù)研究工作。地址：（300461）天津市港保稅區(qū)。電話：（022）59898788。

通信作者：熊超，email：xiongc@cup.edu.cn。

2024-01-25

王剛慶