斧形PDC切削齒破巖機理及試驗研究*

鄒德永 潘 龍 崔煜東 徐建飛

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院 2.中國石化勝利油田分公司勝利采油廠 3.中國石油大學(華東)石油工業(yè)訓練中心)

0 引 言

PDC鉆頭較牙輪鉆頭而言能夠顯著提高鉆井效率、減少起下鉆次數，因此研發(fā)出高效破巖PDC鉆頭是鉆井工程領域降本增效的有效手段之一。然而，常規(guī)PDC鉆頭在硬度高、研磨性強及含堅韌夾層的地層中鉆進時存在鉆進效率低和鉆頭壽命短的問題[1-5]。為了突破上述瓶頸，斯倫貝謝Smith Bits公司率先研發(fā)了一種基于斧形PDC齒的新型PDC鉆頭，并且通過室內試驗和現場測評，發(fā)現斧形PDC齒破巖效率顯著高于常規(guī)PDC齒。斧形PDC齒的聚晶金剛石層表面擁有一棱兩面的三維結構，克服了常規(guī)PDC齒單一的二維平面結構存在的不足[6-10]，其獨特的齒面結構使得切削齒與巖石的作用方式更為復雜。

目前，國內外雖然已經發(fā)現斧形PDC切削齒具有顯著的破巖優(yōu)勢，但是對于其破巖機理的研究較少，其破巖時力學作用的機制尚不明確。為了分析斧形PDC切削齒的破巖機理，本文利用有限元軟件建立了斧形切削齒和切削巖石模型，模擬了常規(guī)齒和斧形齒切削巖石過程，明確了斧形齒破巖過程中巖石內部裂紋形態(tài)及應力分布狀態(tài)，分析了斧形齒破巖時的受力情況，揭示了斧形齒破巖的力學機制，并且根據分析結果，開展了斧形PDC齒單齒破巖試驗。研究結果可以為新型PDC切削齒的研發(fā)和高效PDC鉆頭的設計及應用提供指導。

1 PDC切削齒破巖有限元模型

1.1 模型參數設置

利用有限元軟件ABAQUS建立單齒和巖石作用的單自由度切削幾何模型，常規(guī)PDC齒、斧形齒模型基底均設置為截面直徑16 mm的柱體，斧形齒斧刃角120°，后傾角15°。將PDC切削齒繞鉆頭軸線的旋轉切削過程簡化為直線切削運動[11-15]，設定直線切削速度為500 mm/s，切削深度為2 mm。依據圣維南原理，設定巖石模型尺寸為50 mm×40 mm×25 mm，巖石四周與底面邊界自由度為0。不同切削齒的網格模型及單齒切削巖石模型如圖1所示。巖石選用花崗巖，切削齒與巖石基本參數如表1所示。

表1 斧形齒和巖石參數設置

圖1 PDC切削齒網格模型和單齒切削巖石模型

為了能夠保證模擬結果的準確性并縮短運算時間，將可能與斧形齒接觸到的巖石進行網格加密，加密后的網格大小為0.1 mm，其余部分的網格大小為0.5 mm。巖石的網格類型選用楔形體網格(C3D6)，并在加密部分的區(qū)域嵌入cohesive內聚力單元，采用線性Drucker-Prager作為屈服準則。

1.2 模型假設

PDC齒切削巖石過程復雜，為簡化計算，在保證仿真結果不受影響的前提下，忽略部分次要因素，做出如下假設[16-19]：

(1)忽略圍壓、溫度及鉆井液等對巖石的影響；

(2)忽略PDC切削齒在鉆進過程中的磨損，將切削齒視為剛體；

(3)PDC齒切削巖石的過程中，切削速度和切削深度不變。

2 單齒破巖機理分析

2.1 單齒破巖結果分析

在上述條件下開展單齒壓入巖石過程的仿真計算，分別對常規(guī)PDC齒和斧形齒切削巖石過程中裂紋的萌生、發(fā)展以及對應的應力狀態(tài)進行對比分析并闡述斧形齒的破巖機理。設置切削齒與巖石作用參數相同，提取切削時間t= 1、3、5 ms，切削距離l= 0.5、1.5、2.5 mm時的巖石裂紋擴展形態(tài)對比情況，如圖2所示。

圖2 兩種切削齒破巖不同時刻巖石裂紋形態(tài)對比情況

從圖2可見：斧形齒破巖初期，斧刃接觸并擠壓其前方的巖石，巖石在切削力的作用下開始發(fā)生損傷，萌生裂紋；隨著切削過程的進行，斧刃和斧刃面對其前方巖石的擠壓作用增強，斧刃前方巖石內部的裂紋不斷地擴展交匯，斧刃面前方的巖石也在齒面的擠壓作用下發(fā)生破壞，最終形成了3個獨立于巖石的壓實體；隨著斧形齒進一步吃入巖石，壓實體受壓并向其圍巖傳遞載荷，圍巖最終發(fā)生破壞，形成徑向裂紋；隨后，巖粉被壓入徑向裂紋，造成裂紋尖端段因應力集中發(fā)生失穩(wěn)，進而裂紋相互貫通并迅速向巖石的自由面發(fā)展，巖石發(fā)生大規(guī)模的體積破碎。從圖2還可見：常規(guī)齒破巖時，破巖初期齒刃處巖石因應力集中率先被壓碎，巖石開始發(fā)生損傷，裂紋萌生；隨著切削齒擠壓作用的增強，裂紋不斷地向巖石內部擴展，最終裂縫貫穿至巖石自由面，形成體積破碎。

通過兩種切削齒破巖時裂紋擴展對比發(fā)現：斧形齒破巖時，斧刃前方巖石的損傷造成巖石整體產生預破壞，強度降低，切削齒更易吃入巖石；而常規(guī)齒破巖時，因切削齒的整個齒面與巖石接觸，巖石僅在接觸邊緣萌生裂紋，齒面前方巖石未受損傷，因而常規(guī)齒吃入巖石難度大于斧形齒。為分析兩種切削齒破巖差異原因，對上述3種切削時間與距離下的巖石最大剪應力和第一主應力云圖進行對比，結果如圖3所示。圖3中拉應力為正，壓應力為負。

從圖3可見：在破巖初期(0～1 ms)，兩種齒形破巖時，雖然巖石均因剪應力作用發(fā)生破壞，但剪應力集中區(qū)位置差異明顯；斧形齒破巖時，由于斧刃與巖石的接觸面積比較小，剪應力集中區(qū)分布在斧刃前方；常規(guī)齒破巖時，剪應力集中區(qū)分布在接觸邊緣處；隨著切削過程進行(1～3 ms)，斧形齒的斧刃面擠壓其前方巖石，剪應力集中區(qū)在向巖石內部擴展的同時不斷地向兩側延伸，剪應力是該階段裂紋擴展的主要因素，與拉應力無關，與之相比，在該時間段內，常規(guī)齒進一步擠壓巖石，剪應力從兩側向內部發(fā)展，從而促使裂紋不斷地向巖石內部擴展延伸；在切削的第三階段(3～5 ms)，因斧形齒進一步擠壓，斧刃和斧刃面前的巖石在剪應力作用下發(fā)生破壞，最終形成壓實體。斧形齒通過壓實體對其圍巖施壓，結合壓實體的位置及應力云圖可知：圍巖在拉應力作用下發(fā)生破壞，形成徑向裂紋，隨后裂紋因巖粉壓入迅速向巖石自由面發(fā)展，最終形成大的體積破碎；在此階段，常規(guī)齒進一步擠壓前方巖石，裂紋在剪應力的作用下相互貫通并向巖石自由面發(fā)展，形成大的體積破碎。

圖3 兩種切削齒破巖不同時刻巖石最大剪應力與第一主應力對比情況

通過上述對兩種齒形在不同破巖階段巖石內部應力分布對比可以發(fā)現：齒面結構的差異使得斧形齒和常規(guī)PDC齒的破巖機理有較大的差異；斧形齒破巖時，巖石在剪應力與拉應力的共同作用下發(fā)生破壞，而且?guī)r石產生大的體積破碎主要源于拉應力作用；常規(guī)PDC齒破巖時，剪應力作用是巖石內部裂紋的萌生、發(fā)展以及發(fā)生大的體積破壞的主要原因。一般情況下，巖石的抗拉強度小于抗剪強度，因此斧形齒在切削硬巖時具有更高的破巖效率。

2.2 單齒破巖力學分析

切削齒在破巖過程中主要受切向力及軸向力的作用，可通過對切削齒所受切向力與軸向力的分析來判斷切削齒的破巖性能。仿真計算得到兩種PDC切削齒所受切向力及軸向力的對比情況，如圖4所示。其平均值和標準差對比情況如圖5所示。

圖4 兩種切削齒切削巖石時切向力與軸向力隨時間的變化曲線

圖5 兩種切削齒所受切削力仿真平均值及標準差對比

從切向力對比結果可見：斧形齒破巖過程中受到的切向力平均值(412 N)小于常規(guī)PDC齒(550 N)，表明斧形齒破巖時較常規(guī)PDC齒在切向上受到的沖擊載荷更小，不易發(fā)生沖擊破壞，使用壽命更長；斧形齒所受切向力標準差(99 N)也小于常規(guī)PDC齒(207 N)，表明斧形齒所受切向力的波動幅度比常規(guī)PDC齒小?？傮w而言，斧形齒在破巖過程中較常規(guī)PDC齒更加穩(wěn)定，斧形齒鉆頭在鉆進過程中發(fā)生黏滑振動的概率更低。

從軸向力對比結果可見，斧形齒受到的軸向力小于常規(guī)PDC齒，表明斧形齒吃入巖石的能力優(yōu)于常規(guī)PDC齒，因此在實現同等破巖效果時斧形齒鉆頭所需鉆壓要小于常規(guī)PDC鉆頭，這對造斜井段以及水平井段中鉆進十分有利。此外，通過軸向力標準差對比可知，斧形齒所受軸向力的波動幅度小于常規(guī)PDC齒，表明斧形齒較常規(guī)PDC齒而言，在軸向上的穩(wěn)定性更強，發(fā)生沖擊破壞的概率更低，使用壽命更長。

3 單齒破巖試驗研究

3.1 試驗方案

單齒破巖試驗采用直線切削軌跡，試驗裝置如圖6所示，主要由鉆銑床、切削齒、巖樣、切削齒夾持裝置、巖樣夾持裝置、傳感器及數據采集系統(tǒng)等組成。試驗選用花崗巖作為試驗巖樣，切削齒選用斧刃角120°、直徑16 mm的斧形齒和直徑16 mm的常規(guī)PDC齒，與仿真切削齒參數一致。

圖6 試驗裝置示意圖

試驗前首先使用相同工藝將巖樣表面打磨平整，試驗過程將表面平整的巖樣固定在巖樣加持裝置上，通過調整鉆銑床主軸調整切削齒吃入深度為2 mm，然后啟動巖樣驅動裝置，使巖樣以0.5 m/s的速度做勻速直線運動。在切削巖石的過程中，實時采集切削齒受到的切向力與軸向力，每組試驗重復5～10次。

3.2 試驗結果分析

兩種PDC切削齒所受切向力及軸向力的對比情況如圖7所示。其平均值和標準差對比情況如圖8所示。從試驗結果可見：在相同切削條件下，斧形齒破巖過程中受到的切向力平均值(403 N)小于常規(guī)PDC齒(517 N)，且切向力的波動幅度也比常規(guī)PDC齒的??；斧形齒破巖過程中受到的軸向力(1 110 N)小于常規(guī)PDC齒(1 443 N)，且軸向力的波動幅度也小于常規(guī)PDC齒。這一結果與仿真計算結果完全一致，同時試驗所得切削齒所受切向力及周向力大小與仿真結果基本一致，驗證了文中建立的仿真模型的可靠性及計算結果的準確性。

圖7 兩種切削齒切削巖石時切向力與軸向力隨時間的變化曲線

圖8 兩種切削齒所受切削力試驗平均值及標準差對比

綜合試驗測試結果及仿真計算結果：在相同條件下，與常規(guī)PDC齒相比，斧形PDC切削齒破巖時因為所受軸向力和切向力小，更易吃入巖石，攻擊性更強；在斧形PDC齒在使用過程中因為所受切向力及軸向力波動幅度更小，穩(wěn)定性更強，在井下使用壽命更長。上述斧形齒破巖機理可以為硬地層及非均質性強的地層鉆進時PDC鉆頭的設計與優(yōu)化提供指導，從而實現鉆井過程的提速增效。

4 結 論

(1)斧形PDC切削齒破碎巖石時，斧刃會使其前方的巖石內部形成一個剪應力集中區(qū)，巖石更容易發(fā)生剪切破壞，使斧形齒更容易吃入巖石，提高了斧形齒的攻擊性。

(2)斧形PDC切削齒的斧刃吃入巖石之后，屋脊形的斧形齒逐漸楔入巖石，在側向上使巖石發(fā)生拉伸破壞，提高了破巖效率。

(3)斧形PDC切削齒破巖時所受軸向力和切向力小，更易吃入巖石，攻擊性更強，且在使用過程中所受切向力及軸向力波動幅度更小，受力更穩(wěn)定，不易發(fā)生沖擊損壞，在井下使用壽命更長。