本文摘要：摘要：為了研究PDC-牙輪混合鉆頭的破巖過(guò)程及其鉆進(jìn)軟硬交錯(cuò)地層時(shí)的工作特性，根據(jù)Drucker-Prager準(zhǔn)則構(gòu)建軟硬交錯(cuò)巖石模型，并對(duì)混合鉆頭和傳統(tǒng)PDC鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)仿真對(duì)比分析。結(jié)果表明：鉆進(jìn)過(guò)程中距井眼軸心約2/3井眼半徑部位的巖石所受應(yīng)力較大;在軟硬交錯(cuò)地層中，
摘要：為了研究PDC-牙輪混合鉆頭的破巖過(guò)程及其鉆進(jìn)軟硬交錯(cuò)地層時(shí)的工作特性，根據(jù)Drucker-Prager準(zhǔn)則構(gòu)建軟硬交錯(cuò)巖石模型，并對(duì)混合鉆頭和傳統(tǒng)PDC鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)仿真對(duì)比分析。結(jié)果表明：鉆進(jìn)過(guò)程中距井眼軸心約2/3井眼半徑部位的巖石所受應(yīng)力較大;在軟硬交錯(cuò)地層中，混合鉆頭比PDC鉆頭的機(jī)械鉆速高28.8%、鉆速波動(dòng)值低27.0%、徑向載荷峰值低27.6%�；旌香@頭利用PDC切削齒與牙輪切削齒進(jìn)行協(xié)同破巖，相比PDC鉆頭能夠更加快速、穩(wěn)定地鉆進(jìn)軟硬交錯(cuò)地層。
關(guān)鍵詞：混合鉆頭;PDC鉆頭;破巖特性;軟硬交錯(cuò)地層;Drucker-Prager準(zhǔn)則;機(jī)械鉆速
隨著世界油氣開采規(guī)模的逐步擴(kuò)大，部分易開采油氣資源已被開發(fā)殆盡，而軟硬交錯(cuò)、非均質(zhì)等復(fù)雜地層中的油氣還有很大開采空間[1]，但由于軟硬交錯(cuò)等復(fù)雜地層巖石性質(zhì)特殊且環(huán)境復(fù)雜多變，傳統(tǒng)鉆井工具在應(yīng)對(duì)此類地層時(shí)顯現(xiàn)出諸多不足，因此綜合傳統(tǒng)牙輪鉆頭與聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭優(yōu)勢(shì)的PDC-牙輪混合鉆頭近年來(lái)被大規(guī)模使用并且效果良好[2-5]。由于混合鉆頭屬于一種新型鉆井工具，業(yè)內(nèi)人士對(duì)其工作特性與破巖過(guò)程還認(rèn)識(shí)不足，這不利于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化與創(chuàng)新，因此對(duì)混合鉆頭在復(fù)雜地層中的破巖特性進(jìn)行研究就顯得尤為重要。
石油論文范例： 石油化工劣質(zhì)重油延遲焦化工藝分析
李琴等[6-7]研究了硬地層中復(fù)合鉆頭的破巖特性與提速機(jī)理，認(rèn)為以拉應(yīng)力破巖是復(fù)合鉆頭在硬地層中能夠大幅提升機(jī)械鉆速的原因之一;鄧嶸等[8-9]分析了混合鉆頭牙輪切削齒與PDC切削齒的相對(duì)高度對(duì)鉆頭性能的影響，并且討論了混合式單牙輪鉆頭的破巖性能;Niu等[10]設(shè)計(jì)制造了結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)的可拆卸復(fù)合式鉆頭實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)不同工況進(jìn)行鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示牙輪切削齒的引入有利于提高PDC切削齒在堅(jiān)硬地層中的穿透能力;吳澤兵等[11-13]針對(duì)混合鉆頭的破巖特性以及鉆進(jìn)溫度場(chǎng)等展開了相關(guān)研究;Huang等[14]通過(guò)單元實(shí)驗(yàn)建立了混合鉆頭切削載荷模型，比較分析了單獨(dú)的牙輪切削結(jié)構(gòu)、PDC切削結(jié)構(gòu)與復(fù)合切削結(jié)構(gòu)的工作載荷特性。
以上文獻(xiàn)大多針對(duì)混合鉆頭鉆進(jìn)堅(jiān)硬地層的工況，而對(duì)于混合鉆頭鉆進(jìn)軟硬交錯(cuò)地層的破巖特性研究還比較少見。為此，本文基于有限元分析法和巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論建立軟硬交錯(cuò)地層的巖石動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，并分別采用混合鉆頭與傳統(tǒng)PDC鉆頭模型對(duì)鉆頭破碎軟硬交錯(cuò)地層過(guò)程進(jìn)行有限元仿真，同時(shí)根據(jù)井眼應(yīng)力分布、井底形貌、機(jī)械鉆速以及載荷等仿真結(jié)果分析了混合鉆頭對(duì)軟硬交錯(cuò)地層的破巖特性，以期為混合鉆頭的推廣應(yīng)用提供參考。
1巖石動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型
巖石動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型是影響混合鉆頭破巖仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素，常用的有Mohr-Cou-lomb模型(簡(jiǎn)稱M-C模型)和Drucker-Prager模型(簡(jiǎn)稱D-P模型)等[15-16]。D-P模型是在M-C模型和Mises準(zhǔn)則基礎(chǔ)上擴(kuò)展和推廣而得的[17]。相對(duì)于M-C模型而言，D-P模型同時(shí)考慮了靜水壓力與中間主應(yīng)力的影響，因而計(jì)算效率較低，但計(jì)算精度明顯較高[18]。為了更準(zhǔn)確地描述巖石被鉆進(jìn)時(shí)的破壞狀態(tài)。
2鉆頭破巖仿真模型
2.1基本假設(shè)
為便于混合鉆頭破巖仿真計(jì)算，本文忽略井底高溫、高壓等次要因素，并做如下假設(shè)：(1)不考慮鉆頭體的變形和應(yīng)力分布，假設(shè)鉆頭為剛體;(2)假設(shè)同性質(zhì)巖石為均勻、各向同性材料，不考慮巖石中原生裂紋的存在;(3)巖石失效后立刻移除，不影響后續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程;(4)假設(shè)巖石底部為無(wú)窮遠(yuǎn)處，為完全固定約束;(5)忽略井底溫度場(chǎng)、流場(chǎng)變化對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程的影響。
2.2模型的建立
應(yīng)用有限元軟件建立直徑相同的三牙輪-三刀翼混合鉆頭、六刀翼PDC鉆頭分別與圓柱狀軟硬交錯(cuò)地層巖石裝配的實(shí)體模型，如圖3所示，其中巖石模型被分為厚度均勻的四層，從上向下第一、三層為軟質(zhì)巖石，第二、四層為硬質(zhì)巖石，組合形成軟-硬-軟-硬交錯(cuò)地層巖石模型。
硬質(zhì)巖石為玄武巖，軟質(zhì)巖石為砂巖。鉆頭模型較為復(fù)雜，故采用四面體單元(C3D10M)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在鉆頭與巖石主要接觸的局部細(xì)化網(wǎng)格，混合鉆頭網(wǎng)格數(shù)目約為38.2萬(wàn)個(gè)，PDC鉆頭網(wǎng)格數(shù)目約為27.8萬(wàn)個(gè)。巖石模型結(jié)構(gòu)規(guī)則，因此采用帶沙漏控制的八節(jié)點(diǎn)線性六面體減縮積分單元(C3D8R)對(duì)巖石進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)目約為47.3萬(wàn)個(gè)。
2.3約束與邊界條件
在混合鉆頭的三條牙輪軸線上分別設(shè)置參考點(diǎn)，與牙輪對(duì)應(yīng)的剛體約束點(diǎn)進(jìn)行鉸連接設(shè)置，并將三個(gè)牙輪參考點(diǎn)與鉆頭主體參考點(diǎn)進(jìn)行耦合約束。將巖石底部作為遠(yuǎn)離鉆頭的無(wú)窮遠(yuǎn)處，施加完全固定約束條件。在仿真過(guò)程中，約束鉆頭X和Z方向的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，僅保留鉆頭沿Y方向鉆進(jìn)與旋轉(zhuǎn)的自由度。對(duì)鉆頭施加55kN的鉆壓和10kN·m的扭矩。
3仿真結(jié)果與分析
3.1井底巖石應(yīng)力-應(yīng)變分析在破巖分析中，巖石等效塑性應(yīng)變值大于0時(shí)即表示巖石單元已經(jīng)屈服。但此時(shí)巖石單元并不會(huì)完全破碎脫落，而是發(fā)生不同程度的塑性變形，直到巖石單元受外力作用產(chǎn)生的塑性應(yīng)變達(dá)到一定值時(shí)，巖石單元才會(huì)完全失效并從巖體上脫落。巖石經(jīng)混合鉆頭破碎后的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。
巖石單元完全失效的等效塑性應(yīng)變值為0.02215%，因此當(dāng)巖石單元受外力產(chǎn)生的塑性應(yīng)變達(dá)到該值時(shí)，巖石單元發(fā)生失效并從巖體脫落，從而形成井眼;同時(shí)根據(jù)塑性應(yīng)變分布可知，混合鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中，巖石塑性變形僅發(fā)生于井底與井壁周圍，遠(yuǎn)離井眼的部分幾乎沒有塑性變形，這表明混合鉆頭鉆進(jìn)時(shí)不會(huì)對(duì)遠(yuǎn)離井眼的巖石造成影響，從而避免了井壁倒塌的可能。
3.2混合鉆頭破巖特性分析
井底形貌圖能夠準(zhǔn)確反映鉆頭的工作特性。從中可見刀翼上鑲嵌的PDC切削齒持續(xù)刮削形成的環(huán)狀溝槽�；旌香@頭鉆進(jìn)形成的井底形貌，從中可見PDC切削齒刮削形成的環(huán)狀溝槽與牙輪切削齒沖擊形成的破碎坑。結(jié)合分析和鉆頭破巖過(guò)程分析可知：在破巖過(guò)程中，PDC鉆頭主要利用六條刀翼上鑲嵌的PDC切削齒持續(xù)旋轉(zhuǎn)刮削進(jìn)行破巖，此時(shí)PDC切削齒刮削過(guò)的巖石會(huì)產(chǎn)生裂紋，未被切削到的巖石部分依然保持原有屈服強(qiáng)度，進(jìn)巖石地層，使得巖石單元不斷破碎并從巖體脫落，隨著鉆頭吃入巖石深度的增加，鉆頭在軟硬交錯(cuò)地層中逐漸形成井眼。
混合鉆頭破巖時(shí)巖石的Mises應(yīng)力主要集中在距井眼軸心約2/3井眼半徑的部位，這表明混合鉆頭鼻部和肩部破碎巖石的能力更強(qiáng)。結(jié)合應(yīng)力集中情況可知，混合鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中主要依靠牙輪切削結(jié)構(gòu)與鉆頭鼻部和肩部的PDC切削結(jié)構(gòu)共同對(duì)鼻部和肩部巖石進(jìn)行破碎，相對(duì)于傳統(tǒng)的PDC鉆頭而言，混合鉆頭中的牙輪切削結(jié)構(gòu)有效地增強(qiáng)了混合鉆頭破碎巖石的能力。
4結(jié)論
(1)混合鉆頭鉆進(jìn)巖石時(shí)，應(yīng)力主要集中在距井眼軸心約2/3井眼半徑的部位，對(duì)遠(yuǎn)離井眼部分巖石影響較小，牙輪切削結(jié)構(gòu)有效增強(qiáng)了混合鉆頭鼻部和肩部區(qū)域的破巖效果。(2)PDC鉆頭鉆進(jìn)巖石形成的井底形貌為環(huán)狀溝槽;混合鉆頭鉆進(jìn)巖石形成的井底形貌為環(huán)狀溝槽與破碎坑，混合鉆頭中的牙輪切削齒與PDC切削齒共同吃入巖石，使巖石產(chǎn)生裂紋，降低了巖石強(qiáng)度，能達(dá)到更好的破巖效果。
(3)鉆進(jìn)軟質(zhì)巖石地層時(shí)，PDC鉆頭比混合鉆頭的機(jī)械鉆速要高;鉆進(jìn)軟硬交錯(cuò)巖石地層時(shí)，與PDC鉆頭相比，混合鉆頭的機(jī)械鉆速提高了28.8%，鉆速波動(dòng)值減小了27.0%。(4)混合鉆頭鉆進(jìn)軟硬交錯(cuò)地層時(shí)所受徑向載荷峰值比PDC鉆頭的徑向載荷峰值低27.6%，從而降低了混合鉆頭發(fā)生鉆進(jìn)偏移的可能性，并能有效延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。
參考文獻(xiàn)
[1]李國(guó)欣，朱如凱.中國(guó)石油非常規(guī)油氣發(fā)展現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與關(guān)注問(wèn)題[J].中國(guó)石油勘探，2020，25(2)：1-13.
[2]李勇，毛旭.牙輪鉆頭與PDC鉆頭的對(duì)比分析[J].中國(guó)井礦鹽，2016，47(1)：31-33.
[3]朱寬亮，周巖，胡中志.PDC-牙輪復(fù)合鉆頭在南堡油田大斜度井的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2017，45(6)：60-64.
[4]沈欣宇，蘇強(qiáng)，周柏年，等.復(fù)合鉆頭在高石梯-磨溪地區(qū)須家河組的應(yīng)用[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2018，38(1)：73-75.
[5]陳星星.混合鉆頭在涪陵頁(yè)巖氣田的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2019，46(10)：34-39.
[6]李琴，謝豆，黃志強(qiáng)，等.硬地層復(fù)合鉆頭破巖特性與提速機(jī)理研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2017，36(3)：347-353.
作者：鄧思洪1，2，但斌斌1，2，容芷君1，2，陳剛3，樊孝兵4，佘運(yùn)玖4
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