姚建林, 李偉成, 李德偉, 馮 明, 楊開(kāi)雄, 肖 洋
(1四川川慶石油鉆采科技有限公司 2中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 3中石油川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶固井公司 4中石油川慶鉆探工程公司 5中石化西南石油工程有限公司重慶鉆井分公司)
為了提高PDC鉆頭在各類難鉆地層環(huán)境中的破巖效率并延長(zhǎng)其使用壽命,國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者和相關(guān)工程技術(shù)人員做了大量的工作,在一定程度上提升了PDC鉆頭的綜合性能[1-3]。其中,美國(guó)Novatek International公司的Durrand等人發(fā)明了一種尖錐形PDC切削齒[4],為提高PDC鉆頭在難鉆地層中的抗沖擊性、侵入性和壽命提供了新方案。此后,美國(guó)Novatek International公司的D. R. Hall等人研制出了以尖錐形PDC齒為主要切削元件的PDC鉆頭,并通過(guò)多組室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其破巖效率突出,平均機(jī)械鉆速可達(dá)到21.33 m/h[5]。雖然,尖錐形PDC齒的侵入性較強(qiáng)、破巖效率高,但以其作為主要切削元件在研磨性較強(qiáng)、可鉆性差的難鉆地層中長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí),在單位時(shí)間破巖量較小、破碎比功較大,且尖錐形齒因持續(xù)刮削巖石而磨損進(jìn)而被磨鈍,使其失去強(qiáng)侵入性的優(yōu)勢(shì),從而導(dǎo)致整個(gè)鉆頭的破巖效率降低[6]。
本文通過(guò)ABAQUS有限元方法計(jì)算分析了尖錐形齒的切削力和破碎比功,并尋得了尖錐形齒的最佳切削工作參數(shù)?;诖?,研制出以尖錐齒為輔助切削元件,常規(guī)平面PDC齒為主要切削元件的?215.9 mm PDC鉆頭,并在岳X井成功開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明該鉆頭綜合性能優(yōu)秀,能有效地提高鉆井效率、降低鉆井成本。
在本文研制的尖錐形后備齒PDC鉆頭中,尖錐形齒作為常規(guī)平面PDC齒的輔助切削元件,其破巖過(guò)程的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與常規(guī)平面PDC齒相同,即在鉆壓(軸向力)和扭矩(周向力)的作用下破碎巖石,然而由于幾何形狀差異,同樣的運(yùn)動(dòng)又導(dǎo)致了截然不同的破巖過(guò)程:常規(guī)PDC齒主要以 “刮切”為主,通過(guò)齒與巖石接觸區(qū)域的高比壓產(chǎn)生的剪切作用破壞巖石;尖錐形齒則側(cè)重于“犁削”,拉應(yīng)力起到了破巖的主要作用,其破巖過(guò)程分解為四個(gè)階段:①巖石變形階段;②巖石裂紋產(chǎn)生階段;③巖石拉應(yīng)力極值帶延伸階段;④裂紋貫通及巖石塊體崩落階段。
在尖錐形齒的工作過(guò)程中,影響其破巖效果的參數(shù)有齒頂角θ、齒頂半徑r、安裝參數(shù)前傾角α,如圖1所示,其中D為齒直徑,H為齒高。
圖1 尖錐形齒的主要工作參數(shù)
考慮到不同齒頂角和前傾角均是影響尖錐形齒破巖效果的主要因素,而且匹配不同齒頂角的最佳前傾角也不一定相同,因此本仿真過(guò)程中一共有θ和α兩組變量,通過(guò)對(duì)齒頂角和前傾角的不同組合進(jìn)行聯(lián)合仿真,得出不同參數(shù)條件下的單齒切削力和破碎比功,并以此為依據(jù)找到各種參數(shù)組合中的最優(yōu)方案。
2.1 模型假設(shè)
尖錐形齒的隨鉆頭旋轉(zhuǎn)-進(jìn)給的復(fù)合運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為恒定速度、固定吃深的直線運(yùn)動(dòng);不考慮齒的磨損,忽略溫度、圍壓和鉆井液的影響。
2.2 幾何模型
根據(jù)目前工程應(yīng)用中常用的齒形參數(shù),將尖錐形齒直徑設(shè)置為13.44 mm。齒頂角θ分別取60°、75°、90°和105°;取齒頂半徑r為2 mm,在作單齒破巖分析時(shí),將前傾角α控制在-30°~﹢20°之間以尋求其最佳角度,分別取α=-30°、-20°、-10°、0°、10°和20°。根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài),取單齒吃入深度為2 mm。同時(shí)為避免邊界效應(yīng)仿真結(jié)果的影響,根據(jù)圣維南原理,將巖石模型設(shè)置為40 mm×30 mm×15 mm的立方體模型。
2.3 材料模型
由于本次仿真主要考慮單齒在破巖過(guò)程中的破碎比功,忽略齒本身的微小形變,將尖錐形齒設(shè)置為剛體。巖石材料選為灰?guī)r,本構(gòu)關(guān)系選用D-P 準(zhǔn)則,并定義了硬化特征[7]和設(shè)置損傷演化系數(shù)。巖石模型的主要材料參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 巖石模型主要材料參數(shù)
2.4 網(wǎng)格設(shè)置與接觸定義
本次仿真采用ABAQUS有限元仿真分析軟件,選用六面體網(wǎng)格。采用彈性滑移的罰函數(shù)公式,切向摩擦因數(shù)取0.4,接觸關(guān)系采用“硬接觸”方式。
單齒犁削仿真破巖過(guò)程如圖2所示。通過(guò)改變齒頂角參數(shù)θ和前傾角α重復(fù)上述仿真過(guò)程,得到了不同的θ角(共4種)和不同的α角(共6種)總共24種組合條件下的尖錐形齒破巖過(guò)程所需的切削力隨時(shí)間的變化規(guī)律。
圖2 單齒犁削仿真破巖過(guò)程
根據(jù)上述仿真得到的24組切削力數(shù)據(jù),可計(jì)算出各θ-α組合條件下的平均切削力,即:設(shè)定每個(gè)固定時(shí)間間隔輸出切削力數(shù)據(jù),提取此歷史輸出數(shù)據(jù)并求取其平均值,其大小即能表示某個(gè)θ-α組合條件下的切削力大小。
圖3 平均切削力隨齒頂角θ和前傾角α的變化
根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)可得到全部24組仿真所得的平均切削力隨θ和α的變化曲面圖,如圖3所示。以24組θ-α組合及其對(duì)應(yīng)的切削力結(jié)果為基礎(chǔ),通過(guò)Matlab曲面擬合即得到了切削力隨θ和α平滑變化的結(jié)果。
圖3表示平均切削力隨θ和α變化趨勢(shì)。由圖3可知,θ=60°時(shí)切削力整體趨于最小,即在此條件下尖錐形齒破巖所需的扭矩最小,這是因?yàn)?0°錐頂角的PDC齒要比其余角度條件下的齒更銳利,因而“省力”。隨著前傾角α增大,平均切削力先減小后增大,在α=-10°附近,切削力取得最小值(各錐頂角情況均類似);隨著錐頂角θ的增大,平均切削力總體呈上升趨勢(shì),在前傾角-10°≤α≤-5°這個(gè)區(qū)間內(nèi),錐頂角θ對(duì)平均切削力的影響不明顯,在其余的α區(qū)間,錐頂角θ均會(huì)明顯影響平均切削力。因此,在錐頂角要求較大時(shí)(對(duì)抗沖擊性要求較高時(shí))前傾角應(yīng)優(yōu)先選擇在-10°~-5°的區(qū)間內(nèi)。
此外,為了求取各種情況下的破碎比功,還需在仿真破巖的過(guò)程中記錄破巖體積和能量消耗,在得知切削體積的情況下,根據(jù)各齒所消耗的功(通過(guò)切削力隨位移變化積分可得)即可計(jì)算出各θ-α組合條件下尖錐形PDC齒的破碎比功,通過(guò)仿真得到破碎比功隨θ和α的變化曲面圖,如圖4所示。
圖4 破碎比功隨齒頂角θ和前傾角α的變化
以24組θ-α組合及其對(duì)應(yīng)的破碎比功結(jié)果為基礎(chǔ),通過(guò)Matlab曲面擬合即可得到破碎比功隨θ和α平滑變化的結(jié)果。
圖4表示了破碎比功隨θ和α的變化趨勢(shì)。由圖4可知,θ=60°時(shí)切削力整體趨于最小,這與切削力的變化規(guī)律類似,說(shuō)明相比破巖體積,切削力才是影響破碎比功的主要因素。隨著前傾角α增大,破碎比功先減小后增大,在α=-10°附近,破碎比功取得最小值(各錐頂角情況均類似);隨著錐頂角θ的增大,破碎比功總體呈上升趨勢(shì),在前傾角-20°≤α≤0°這個(gè)區(qū)間內(nèi),錐頂角θ對(duì)破碎比功的影響不明顯,而在其余的α區(qū)間,錐頂角θ均會(huì)明顯影響破碎比功。綜合切削力和破碎比功隨齒頂角θ和前傾角α的變化規(guī)律可知,θ=-10°,α=60°為尖錐形齒最佳的破巖工作參數(shù)。然而,較小的錐頂角雖然“省力”又“省功”,但是會(huì)削弱切削齒的抗沖擊性,影響其壽命,因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,應(yīng)將前傾角控制在10°≤α≤-5°這個(gè)區(qū)間內(nèi),從而獲得更大的錐頂角調(diào)整空間,以兼顧切削力、破巖效率和壽命之間的平衡關(guān)系。
在吃入深度相同的條件下,尖錐形齒受到的切削力小于常規(guī)PDC齒。較小的切削力可減小鉆頭扭矩和由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的周向沖擊,因此常規(guī)鉆頭上引入用尖錐形齒可提高鉆頭的抗沖擊性能。但由于破巖機(jī)理的差異,尖錐形齒在吃入巖石能力方面不如常規(guī)PDC齒,且其磨損速率高于常規(guī)PDC齒[6]。因此實(shí)際工程應(yīng)用中,采用了尖錐形齒作為后備齒的形式對(duì)現(xiàn)有的常規(guī)PDC鉆頭作了改進(jìn)。
在鉆頭的工作初期,作為主切削齒的常規(guī)平面PDC齒高于尖錐形齒,且由于其齒刃銳利、吃入巖石能力強(qiáng),此時(shí)鉆頭主要以平面齒切削為主,當(dāng)主切削齒逐漸磨損后,作為后備齒的尖錐形齒逐漸出露,并以犁削的形式在井底形成犁削槽,同軌或其軌道附近的平面齒再進(jìn)行破巖時(shí),由于有尖錐形齒對(duì)巖石的預(yù)先破碎作用,使得主切削齒能有效侵入并破碎巖石,從而提高鉆頭在磨損之后的破巖效率。
圖5 尖錐形后備齒PDC鉆頭
圖6 岳X井與鄰井同等條件下使用對(duì)比圖
本文在上述角度優(yōu)化分析和常規(guī)PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上,研制出以尖錐齒為輔助切削元件,常規(guī)平面PDC齒為主要切削元件的?215.9 mm PDC鉆頭,如圖5所示。在岳X井試驗(yàn)結(jié)果表明,該鉆頭在機(jī)械鉆速和總進(jìn)尺方面表現(xiàn)優(yōu)異,如圖6所示。其中,單只鉆頭進(jìn)尺1 316.6 m,一趟鉆從沙二鉆至須五,平均機(jī)械鉆速10.17 m/h。同比鄰井岳X1井常規(guī)平面PDC鉆頭,單只進(jìn)尺多214 m,平均機(jī)械鉆速相當(dāng)。
(1)通過(guò)對(duì)單尖錐形齒的破巖過(guò)程仿真分析,得到了切削力和破碎比功隨齒頂角和前傾角的變化規(guī)律,并提出了最佳的齒頂角和前傾角的匹配關(guān)系,為尖錐形后備齒PDC鉆頭的設(shè)計(jì)提供了理論支持。
(2)尖錐形后備齒PDC鉆頭在岳X井進(jìn)行試驗(yàn)表明,該種鉆頭結(jié)構(gòu)具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。
(3)除齒頂角和前傾角這兩個(gè)參數(shù)之外,尖錐形齒與常規(guī)PDC齒的位置關(guān)系也值得研究。