立輪輔助鉆進單元試驗與數值模擬分析

中圖分類號：TE921 文獻標識碼：A DOI：10.12473/CPM.202402062

YangYan，Huang Kuilin，Song Dongdong，et al.Test and numerical simulation analysis of vertical whel assisteddrilling unit[J].China Petroleum Machinery，2025，53（5）：48-55.

Test and Numerical Simulation Analysis of Vertical Wheel Assisted Drilling Unit

Yang Yan1，2.3Huang Kuilin ^1，4 Song DongdongHuang Zequan° Qiu Shunzuo ^1，2 Hu Jiaqi2 （1.MOEKeyLaboratoryforOilndGasEquipment，SouthwestPetroleum University；2.Facultyof IntenationalApliedTechnoogy，Yibin University；3.YibinEngnering TechnologyResearchCenterforFlexibleProductionLine ManagementandService; 4.SchoolofMechanicalEngineering，SouthuestPetroleumUniversity；5.CCDCChuanxiDrilingCompany；6.FacultyofIntellnt Manufacturing， Yibin University）

Abstract： In difficult-to-drilldeep formations，PDC bits struggle to penetrate and have low rock-breaking efficiency，and provide poor bit azimuth stability in stering driling.This paper presents a PDCbit with a wheel and axle integrated vertical wheel cutting structure.PDC rock-breakingunit was tested under vertical wheel predamage conditions at variable cuting depth to compare the PDC rock-breaking effects under PDC paralel cutting and vertical wheel pre-damage conditions.Moreover，numerical simulation analysis was conducted to reveal the working mechanism of vertical wheel assisted drilling.The research results show thatthe tangential and axial dynamic load factors of vertical wheel assisted PDC rock cutting are 43.31% and 36.63% lower respectively than PDC rock cutting alone.During the rock breaking process，the cutter of the vertical wheel periodically participates in intermittent cutting，and the cuting state undergoes periodic changes，exhibiting obvious“milling”characteristics.The vertical wheel and PDC cutteron the vertical wheel type PDC bit scrape and cut rocks in a nonparallel way，forming a spiral downhole morphology，which helps PDC cuter to invade rocks and improve rock breaking efciency，The vertical whel cutting structure plays a role of sharing pressure and cushioning for PDC cutter，improving the overallstabilityand service life of the bit.The research results contribute toa deep and thorough understanding of the complex motion and working mechanics characteristics of vertical wheel type PDC bit.

Keywords： PDC bit； working mechanism; vertical wheel; milling； share pressure and cushion

0引言

我國大部分未開發的油氣資源埋藏在深層[1-3]，PDC 鉆頭 + 導向鉆井技術廣泛應用于深井、超深井的油氣開發中，可大大提高深井油氣產量，降低綜合成本[4-5]。開發深部巖層油氣資源對PDC鉆頭提出了更為嚴峻的挑戰。由于鉆井液液柱壓力作用，地層巖石更致密，硬度、塑性和研磨性都顯著增加，地層可鉆性變差[6-8]。深部鉆柱柔性大，易發生黏滑，嚴重縮短鉆頭壽命，橫振和縱振均易導致PDC復合片崩裂失效[9-I]。定向鉆井作業時，PDC切削齒受載不均，沖擊顯著增加；導向鉆進需要低扭矩，而常規鉆頭扭矩大[12-16]

為此提出了一種立輪式PDC 鉆頭[17]，立輪是輪軸一體式的圓柱形巖石破碎結構。立輪在繞自身軸線自轉的同時繞鉆頭軸線公轉，形成一種復合運動。立輪作為多功能破巖結構安裝在鉆頭上，能夠幫助PDC齒在破碎井底巖石時提高穿透力。來自巖石的摩擦和切削阻力可能會導致瞬時速度波動，若軸承系統和其他幾何參數（尺寸、位置和方向等）設計合理，則立輪不會停止旋轉，從而降低扭矩響應并減少鉆頭的黏滑行為，這有利于提升PDC鉆頭在導向鉆井中的工作能力。立輪也是PDC齒的緩沖元件，可保護PDC齒免受沖擊載荷和鉆壓波動的影響，從而延長使用壽命。

立輪式PDC鉆頭是具有PDC固定翼和立輪2組不同運動模式的切削結構的有機組合。PDC固定切削結構的運動機理可以通過現有文獻[16-18]獲得。由于立輪是一種新的結構，有必要對其工作機理進行研究，以揭示立輪式PDC鉆頭的運動特性和破巖機理。通過開展變參數PDC齒平行刮切（PDC齒運動軌跡相互平行）及在立輪參與下的非平行刮切（立輪齒在切入巖石到切出巖石過程中，產生了徑向和周向位移，與PDC齒運動軌跡交叉重疊）單元試驗，并進行數值模擬分析立輪式PDC 鉆頭的破巖機理，可為深入、細致地理解立輪式PDC鉆頭的復雜運動和工作力學特性提供支撐。

1 立輪作用下PDC齒切削破巖試驗研究

1. 1 立輪預損傷條件下PDC齒切削黃砂巖單元 試驗

為了定量分析增加立輪結構對PDC齒切削破巖的影響，進行了PDC齒平行切削和非平行切削巖石對比試驗。試驗在一臺改進的牛頭刨床上進行。試驗設備如圖1所示，主要包括主機架、進給速度調節系統、豎直方向的切削深度調節系統、三向（切向、徑向、軸向）壓力傳感器、巖石夾持裝置、數據采集系統和高幀率工業攝像機。設備能夠實現不同切削深度和切削速度試驗。

試驗使用 _615.875mm PDC切削齒以及 s30 mm 裝配錐形齒的立輪。立輪的軸頸通過滾珠轉動連接到立輪座上，立輪座與PDC固定翼焊接一體，通過立輪座接頭連接到刨床的傳感器內。根據前述研究結果[17]，立輪優選法向偏角 Δγ=5^° ，前傾角Δδ=0^° 。立輪角度見圖2。巖石選用黃砂巖，巖樣尺寸為 280mm×275mm×250mm 。試驗測定該巖石的性質為：密度 2.08g/cm³ ，抗壓強度21.49MPa ，彈性模量 2.46GPa ，泊松比0.085，巖石內摩擦角 22.87^° ，斷裂應變0.0134。

首先用 ols.875mm PDC常規切削齒做平行切巖試驗，切削深度分別為1.0、1.5和 2mm ，每組重復試驗3次；再用PDC切削齒在前面立輪的變切深試驗的刮痕上進行刮切，切削深度與立輪切巖深度一致，即立輪與PDC切削齒的相對高度為0。試驗后的巖石如圖3所示。

PDC平行切削與非平行切削的試驗結果見圖4。分析可知，隨切削深度增加，PDC非平行切削齒受到的軸向力和切向力變化不大，但相比平行切削有顯著減小。預損傷條件下，PDC齒切削深度為 1mm 時受到的軸向力和切向力比平行切削分別減小 52.24% 和 38.72% ；PDC齒切削深度為1.5mm 時受到的軸向力和切向力比平行切削分別減小63.53% 和 57.35% ；PDC齒切削深度為 2mm 時受到的軸向力和切向力比平行切削分別減小 70.95% 和 69.40% 。在不同切削深度條件下，PDC非平行切削齒的破碎比功也顯著下降，特別是在切削深度為 2mm 時的破碎比功僅為 5.77J/cm³"，相比平行切削減小 51.31% 。試驗結果說明了立輪對巖石的預損傷，可大幅度提高PDC切削齒的破巖效率，且隨著切削深度的增加，效果更為顯著。

1.2 立輪與PDC齒非平行切削含礫巖石試驗

為匹配巖石夾持裝置，制作的巖石尺寸為300mm×300mm×150mm 。為模擬地層巖性的復雜狀態，巖樣中增加了 10kg 礫石。為揭示立輪對PDC齒切削破巖的影響，同樣開展了PDC切削齒平行切削巖石和立輪預損傷條件下PDC切削齒切削巖石的對比試驗。將制好的含礫巖樣放在刨床的巖石夾持裝置內，用PDC齒將巖石內的礫石刨出來，這樣一方面能保證巖石的平整，另一方面可確保立輪和PDC齒在試驗過程中能夠接觸到礫石。PDC刨切含礫巖石的過程見圖5。在PDC刨切含礫巖石平面的過程中使用了2顆PDC齒，這2顆齒均出現了不同程度的崩損。可見礫石對PDC切削齒的損傷較為嚴重。

PDC單獨切削含礫巖石試驗中切削深度分別為1.0和 1.5mm ；在立輪與PDC共同切削含礫巖石試驗過程中，PDC切削齒的切削深度保持1.5mm 不變，立輪的切削深度變為1.0和 1.5mm 這2種情況，每組試驗均進行3次。圖6為立輪和PDC共同切削破巖過程及結果。由圖6可知，立輪在刮切巖石的過程中有明顯的轉動，形成了“V”形刮痕。試驗得出了立輪和PDC齒在刮切過程中的受力結果，如圖7和圖8所示。分析圖7和圖8可知，切削齒刮切過程中遇到含礫巖石時會出現明顯的沖擊振動，體現為PDC切削齒載荷的急劇上升。這種沖擊載荷極易造成PDC切削齒發生崩損失效，影響其使用壽命。而在PDC切削結構上增設立輪的主要目的就是為了對PDC切削齒進行分壓緩沖。

為了評價立輪對PDC切削結構的緩沖作用，引入動載系數 L 。在PDC切削齒單獨切削含礫巖石及PDC齒和立輪共同切削含礫巖石的過程中，采集切削齒上載荷急劇上升的點，即載荷隨時間變化過程中形成的若干峰值點，將全部峰值點去掉最大值和最小值，再取平均值。將峰值平均值與整個切削過程中的載荷平均值的比值作為動載系數，見下式：

式中： F_i 為第 i 個波峰值，N； 為波峰平均值，N; 為整個切削過程的載荷平均值，N。

動載系數越小，說明載荷的變化幅度較小，對牙輪的沖擊作用更小。

PDC單獨切削含礫巖石和PDC與立輪共同切削含礫巖石2種條件下的動載系數見圖9。分析可知，PDC與立輪共同切削含礫巖石條件下，切向的動載系數比PDC單獨切削含礫巖石時減小43.31% ，軸向的動載系數比PDC單獨切削含礫巖石減小 36.63% 。這說明立輪能夠削弱PDC切削含礫巖石過程中的沖擊載荷波動，對PDC 切削結構起到緩沖保護作用。

2 立輪預損傷下PDC齒切削破巖的數值模擬分析

立輪安裝到PDC鉆頭上，與PDC固定翼共同作用于巖石，而立輪對巖石形成的預破碎會大大降低PDC切削齒切削巖石的難度，增強鉆頭的穩定性，延長鉆頭使用壽命。為了定量研究立輪切削齒與PDC齒共同作用下的破巖效果，基于ABAQUS軟件分析立輪 +PDC 齒切削巖石系統在微觀上的相互作用，對比有立輪和沒有立輪的情況下PDC切削齒的受力特點。

2.1 立輪預損傷條件下PDC齒切削黃砂巖

PDC齒平行刮切巖石時齒參數為：直徑15.7mm ，齒厚 7.5mm ，前傾角 5^° ，側轉角 0^° 。巖樣尺寸為 80mm×80mm×40mm ，切削深度為1.0mm 。立輪預損傷條件下PDC齒破巖模型中PDC齒尺寸與單齒刮切參數相同，立輪的直徑為 ^∞30 mm ，法向偏角 Δγ=5^° ，前傾角 Δδ=0^° ，切削速度為 0.3m/s ，仿真時間為0.5s，仿真中選用與單元試驗相同巖性的黃砂巖進行數值模擬分析。

根據PDC齒破碎巖石的區域，可分為平整巖石區和由立輪齒造成的預刮痕區[18-20]。預破碎區的存在改變了巖石的強度以及井底形貌，使PDC齒的切削載荷發生了變化。在巖石上選擇同一截面，得到其在2種切削方式下的應力狀態，如圖10所示。PDC單獨刮切巖石會在巖石上形成長條形破碎帶，巖石上的應力會以接觸區域向巖石四周和巖石內部阻尼型減小；而非平行刮切過程中，在立輪切削齒刮切過后，被選截面已經產生了一定的損傷，立輪切削齒比PDC切削齒鈍，在巖石上的作用面積小，巖石上的應力集中顯現明顯，再經歷一次PDC切削作用后，損傷進一步增加。相比平行切削，PDC齒在立輪預破碎的情況下，與巖石互作用，巖石上的Mises 應力增大了 19% ，PEEQ增大 5.16% 。由此說明立輪輔助破巖有利于巖石內部微裂紋的產生和擴展，促使被立輪切削齒損傷區域的巖石強度降低，便于PDC切削齒侵入巖石，提高PDC鉆頭的破巖效率。

平行刮切與非平行刮切的PDC齒切削力見圖11。平行刮切時PDC切削齒的平均切削力為86.26N，非平行刮切時PDC切削齒的平均切削力為69.91N，切削力減小 18.95% ；從切削載荷的波動幅度上看，PDC切削齒無論是刮切平整區還是立輪已破碎的刮痕區，切削載荷都存在周期性的波動，但PDC齒在刮切齒坑區域，切削載荷明顯減小。一般來說，立輪切削齒在巖石上所產生的刮痕寬度較窄，而PDC齒與巖石的接觸面寬度大于刮痕的最大寬度，故PDC齒在刮切破巖過程中不會出現“空載”現象。

2.2 立輪與PDC齒共同切削非均質巖石

由于礫石通常是隨機分布，且礫石大小不一，切削齒鉆遇礫石與切削過程中從軟巖突然鉆進硬巖等效，所以該次數值模擬分析采用南充砂巖和黃砂巖的組合巖石模型。其中黃砂巖巖性與前述試驗相同，南充砂巖的密度為 2.47g/cm³ ，抗壓強度為50.565MPa ，彈性模量為 5.22GPa ，泊松比為0.111，內摩擦角為 34.45^° 。PDC單元切削非均質巖石時巖石的應力、應變如圖12所示，巖石上很明顯切削出了兩排平行刮痕。圖12中左側巖石為南充砂巖，右側巖石為黃砂巖。分析可知，PDC單元在切削南充砂巖時，巖石的Mises應力和PEEQ應變更大，說明PDC單元在切削強度較高的巖石時，對巖石形成的損傷更大，損傷范圍更寬。

應力/MPa 應變 c.非平行切削巖石應力 d.非平行切削巖石應變平行切削巖石上很明顯立輪有切削一簇“V”形槽，而PDC切削齒是在立輪形成的刮切痕跡上再切削出了2排平行的刮痕。分析可知，立輪與PDC單元在切削南充砂巖時，巖石的Mises應力和應變大于黃砂巖；與PDC平行切削巖石相比，巖石的應力增大 6.41% ，巖石的應變增大 20% 。這說明立輪具有輔助切巖作用，可進一步擴大巖石的損傷幅值和損傷范圍，平行切削與非平行切削軸向位移、切削力對比如圖13所示。非平行切削PDC齒的軸向位移為0.020 2mm ，均方差為 0.018mm ；非平行切削PDC 齒的軸向位移的平均值比平行切削減小 9.82% ，方差減小 18.19% ；立輪與PDC非平行切削的切削力均值為248.86N，均方差為 158.94N ，PDC齒 非平行切削的切向力的平均值比平行切削減小 12.32% ，均方差減小 18.25% 。

由此可見，立輪的分壓緩沖使PDC切削齒的切削深度變化幅度減小，鉆壓波動情況有明顯改善，PDC切削齒受到的載荷波動相對平緩，受到的交變沖擊載荷變化幅度有所減小。

3 立輪輔助鉆進工作原理

根據前述立輪與PDC單元試驗和仿真結果分析，立輪式PDC 鉆頭在巖石上的運動有2種：一種是PDC切削齒繞鉆頭軸線的回轉運動，在井底巖石上形成一簇同心圓的運動軌跡；另一種是立輪繞自身軸線自轉和繞鉆頭軸線公轉相疊加的復合運動，在井底巖石上形成的連續“V”形或螺旋形破碎槽，如圖14所示，

圖14a顯示，法向偏角 Δγ=5^° 時，立輪的運動軌跡呈“V”形，隨著法向偏角的減小，立輪每顆切削齒與巖石的接觸時間延長，極限情況法向偏角為 0^° 時，每顆立輪齒與巖石恒接觸，即立輪不轉動。圖14b中立輪的運動方向為順時針，如果法向偏角為負，那么立輪的運動方向為逆時針；法向偏角越小，前傾角越大，立輪每顆齒與巖石的接觸時間就越長，滑移軌跡線越長。立輪在破碎巖石的過程中，立輪切削齒部分牙齒周期性地參與間斷切削，切削狀態周期性發生變化，而且每顆立輪切削齒在切削過程中的切削厚度也是變化的。這是明顯的“銑削”特征，此時立輪繞自身軸線的旋轉運動可以視為“銑削”的主運動，而立輪繞鉆頭的公轉運動則可以視為進給運動。這種特殊的沖擊 + 刮切運動，立輪切削齒在工作時周期性地交替切削巖石，在井底上形成的并非理想的沖擊壓碎而成的間斷破碎坑，其切削運動軌跡也從理想的間斷環形破碎帶變為了鋸齒狀運動軌跡。

立輪式PDC鉆頭上立輪與PDC切削齒非平行刮切巖石，在井底形成類似復合鉆進中PDC切削齒所形成的螺旋形井底形貌。這種形貌有助于PDC切削齒對巖石的侵入，提高破巖效率。從“銑削”的角度分析立輪與井底巖石的互作用過程，有助于深入、細致地理解立輪式PDC鉆頭的復雜運動和力學特性。

4結論

（1）PDC與立輪共同切削含礫巖石，切向動載系數比PDC單獨切削巖石減小 43.31% ，軸向動載系數比PDC單獨切削巖石減小 36.63% ，立輪式PDC鉆頭比常規PDC鉆頭的工作穩定性更好。

（2）立輪切削巖石過程中具有明顯的“銑削”特征，立輪交替侵入巖石，形成“V”形破碎槽，破碎槽覆蓋區域廣，立輪切削齒在工作時周期性地交替刮切破碎巖石，在井底形成的刮痕不再是間斷的環形破碎帶，而是鋸齒狀交疊軌跡，且刮痕之間的連續性很好。（3）PDC切削結構和立輪切削結構的非平行切削，會形成網狀交錯刮痕，有利于PDC切削齒的侵入和破巖，提高鉆頭的破巖效率。（4）立輪結構能夠降低PDC齒的沖擊載荷幅度，從而減少甚至避免齒的脆性崩裂，對PDC 切削齒起到緩沖保護作用，可顯著增強深部難鉆條件下PDC鉆頭工作能力，對提高深層、深水、非常規油氣資源的勘探開發效率，降低開發成本具有十分重要的價值。

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第一作者簡介：楊 燕，講師，生于1990年，2021年畢業于西南石油大學機械工程專業，獲博士學位，現從事鉆井破巖與鉆頭、機械設計及理論等領域的教學與科研工作。地址：（644000）四川省宜賓市。電話：（0831）3583331。email： 1074521965@ qq. com。 通信作者：宋東東。email：songdongyx @ 163.com。