寬刃齒微鉆頭設(shè)計(jì)及破巖機(jī)理研究

Hu Li，Kuang Yuchun，Long Wei，et al.Design and rock-breaking mechanism of micro-bit with wide edge cutter1-11

常規(guī)PDC鉆頭在鉆進(jìn)塑性地層時，存在吃入困難、機(jī)械鉆速低等現(xiàn)象。為增強(qiáng)鉆頭吃入巖石的能力，提出一種新型PDC鉆頭——寬刃齒鉆頭?；趥?cè)向力平衡布齒理論，完成微鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；基于有限元軟件，建立寬刃齒微鉆頭和常規(guī)齒微鉆頭破巖分析模型，并開展了微鉆頭水平井試驗(yàn)研究，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果探究寬刃齒鉆頭的破巖機(jī)理。研究結(jié)果表明：在相同工況下，寬刃齒鉆頭相比于常規(guī)齒鉆頭吃入巖石能力更好，破巖效率更高；同時，增加轉(zhuǎn)速和布齒密度，鉆頭端的黏滑振動現(xiàn)象明顯減弱；增加鉆速導(dǎo)致鉆壓增加，鉆頭端黏滑振動現(xiàn)象加劇；在不同巖石種類的試驗(yàn)中，與砂巖相比，灰?guī)r在同等條件下破碎時所需的鉆壓和扭矩更大，更難被破碎。研究結(jié)果可為深部難鉆地層，尤其是塑性地層中的鉆井提速問題提供新思路。

鉆井提速；PDC鉆頭；寬刃齒；破巖機(jī)理；數(shù)值模擬；黏滑振動

中圖分類號：TE242

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.16082/i.cnki.issn.1001-4578.2024.11.001

基金項(xiàng)目：四川省區(qū)域創(chuàng)新合作項(xiàng)目 “高性能復(fù)合鉆頭關(guān)鍵技術(shù)研究及新產(chǎn)品開發(fā)”（ 2021YFQ0041 ） 。

Design and Rock-Breaking Mechanism of Micro-Bit with Wide Edge Cutter

Hu Li1" Kuang Yuchun2" Long Wei1" Lin Wei2" Han Yiwei2

（1.Chengdu Jincheng College；2.School of Mechanical Engineering，Southwest Petroleum University）

Improving the rate of penetration （ROP） has always been a hot topic in oil production studies.In recent years，the focus of exploration and development has gradually shifted towards deep and ultra-deep layers.As the production depth increases，the confining pressure and rock plasticity also increase，leading to increased drilling difficulty and decreased efficiency.Conventional PDC bits encounter difficult penetration and low ROP when drilling in plastic formations.In order to improve the ability of the bit to penetrate rocks，a new type of PDC bit with wide edge cutter was proposed.First，based on the lateral force equilibrium cutter arrangement theory，the structural design of the micro-bit was completed.Second，the finite element software was used to build the rock-breaking analysis model of micro-bit with wide edge cutter and conventional cutter，and experimental study on micro-bit in drilling horizontal wells was carried out.Finally，combined with numerical simulation results，the rock-breaking mechanism of bit with wide edge cutter was investigated.The results show that under the same working conditions，the bit with wide edge cutter has better rock penetration ability and higher rock-breaking efficiency than conventional PDC bit.Increasing the rotation speed and cutter arrangement density significantly reduces the stick-slip vibration phenomenon at the bit end.Increasing ROP leads to an increase in weight on bit （WOB） and an enhancement of stick-slip vibration at bit end.In experiments on different rock types，compared with sandstone，limestone needs to be broken by greater WOB and torque under the same conditions，suggesting that limestone is more difficult to break.The research results provide new ideas for improving the ROP in deep hard-to-drill strata，especially plastic formations.

ROP；PDC bit;wide edge cutter；rock-breaking mechanism；numerical simulation；stick-slip vibration

0" 引" 言

隨著淺層油氣資源的不斷枯竭，油氣勘探開發(fā)從淺層向深層、超深層發(fā)展［1］。隨著開采地層越來越深，圍壓和巖石塑性也越來越大，導(dǎo)致鉆井難度越來越大。常規(guī)PDC鉆頭在鉆進(jìn)塑性地層時存在吃入困難、機(jī)械鉆速低等現(xiàn)象。PDC齒作為PDC鉆頭最基本的切削單元，承擔(dān)著PDC鉆頭破巖的主要任務(wù)，PDC齒的性能直接決定了鉆頭的性能和壽命。當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)深部塑性地層時，出現(xiàn)切削齒難吃入、應(yīng)力集中導(dǎo)致切削齒易磨損和斷裂等問題［2-3］。

針對上述問題，國內(nèi)外專家開展了大量關(guān)于PDC齒的改進(jìn)研究工作。20世紀(jì)90年代中期，Valdiamant公司提出了基于非平面結(jié)構(gòu)的仿生爪形齒，并相繼推出了錐形齒、脊形齒等非平面結(jié)構(gòu)的PDC齒。近幾年，各種異形齒被廣泛用于破巖鉆頭的設(shè)計(jì)上，如錐形齒、斧形齒、雙曲面齒等，在特定地層都獲得了較好的提速效果［4］。但在塑性極強(qiáng)地層，也同樣面臨吃入困難，機(jī)械鉆速慢等問題［5-6］。因此，要達(dá)到塑性巖石所需要的體積破碎就需要使 PDC 齒在同比情況下，能夠突破地層巖石的門限鉆壓，形成有效破碎坑體積，從而提高巖石的破碎效率［7］。在前人關(guān)于異形齒研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種用于深部難鉆地層的切削齒——寬刃齒。寬刃齒［8］是在常規(guī)齒的基礎(chǔ)上，在垂直金剛石層形成了一部分直刃口。該齒單位切削長度上鉆壓較高，吃入相同深度形成的破碎坑的體積較大，大大提高了巖石破碎效率［9］。

胡莉，等：寬刃齒微鉆頭設(shè)計(jì)及破巖機(jī)理研究

由于目前缺少對該齒破巖機(jī)理的研究，本文基于室內(nèi)水平井試驗(yàn)臺架，設(shè)計(jì)了直徑為70 mm的寬刃齒微鉆頭和常規(guī)齒微鉆頭，開展了多種因素（包括電動機(jī)鉆壓、電動機(jī)轉(zhuǎn)速、巖石類型、齒類型、齒直徑等）對該微鉆頭破碎巖石的影響。最后通過有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果對比，證明其可靠性。

1" 微鉆頭的設(shè)計(jì)及加工

1.1" 寬刃齒微鉆頭設(shè)計(jì)

寬刃齒是在常規(guī)齒的基礎(chǔ)上，垂直金剛石層而形成一部分直刃口，如圖1所示。

研究PDC鉆頭的設(shè)計(jì)理論發(fā)現(xiàn)，PDC鉆頭在布齒設(shè)計(jì)時一般需遵循以下步驟：先確定鉆頭的冠部形狀，再確定切削齒的定位半徑和周向位置角。因此，確定鉆頭冠部的尺寸和形狀起到關(guān)鍵性的作用。一般而言，在鉆頭的冠部形狀設(shè)計(jì)時遵循的4個原則為“易于布齒、便于加工、提高效率、保證質(zhì)量”［10］。

為了降低在試驗(yàn)過程中鉆頭渦動對整個鉆頭壽命和受力平衡的不利影響，采用側(cè)向力平衡布齒理論對微鉆頭進(jìn)行布齒設(shè)計(jì)。在水平井鉆柱動力學(xué)試驗(yàn)中，由于其軸力和扭矩與真實(shí)鉆井工況相比較小，無法為全尺寸 PDC 鉆頭提供破巖所需的鉆壓和扭矩，為了真實(shí)反映鉆頭-巖石作用力的影響，設(shè)計(jì)成直徑為70 mm的微鉆頭。該微鉆頭的刀翼采用直線型，刀翼總數(shù)為3個，相鄰刀翼間的夾角為120°。其中刀翼和基體分別設(shè)計(jì)加工，刀翼和基體采用可拆卸設(shè)計(jì)，采用螺紋連接的方式將其組合，加工方便，節(jié)約成本。

根據(jù)PDC鉆頭切削齒受力公式，可以得：

Far=Facos φ1

Faz=Fcsin φ1

Fr=Fatan φ2（1）

式中：Fa為切削齒所受軸向力，N；Fc為切削齒所受切向力，N；φ1、φ2分別為切削齒的法向角和側(cè)轉(zhuǎn)角，（°）；Far、Fr為鉆頭徑向方向上的力，N；Faz為鉆頭軸向方向上的力，N。

將切削齒的切向力和徑向力分別向x方向和y方向分解，然后分別求這2個方向上的合力，最后可以得到鉆頭所受總的側(cè)向力FZ：

Fx=∑ni=1Fcsin φ1-Fr+Farcos φ1］

Fy=∑ni=1Fccos φ1-Fr+Farsin φ1］

Fz=F2x+F2y（2）

根據(jù)側(cè)向力平衡布齒理論以及徑向布齒全覆蓋原理，最后優(yōu)選了PDC微鉆頭的布齒參數(shù)，具體參數(shù)如表1、表2所示。

其中，相同齒直徑的寬刃齒微鉆頭和常規(guī)齒微鉆頭布齒參數(shù)一樣，寬刃齒的刃口切深均為0.5 mm，每個刀翼號上切削齒按照與鉆頭軸線的距離由近到遠(yuǎn)排序，依次為齒號1，2，3，……。在布齒設(shè)計(jì)時僅考慮心部布齒，同時保證3個刀翼上最外側(cè)的切削齒處于同一軌道。為避免在切削過程中，最外側(cè)切削齒的齒柱切削巖石，設(shè)計(jì)每個刀翼上最外側(cè)的切削齒側(cè)傾角為5°。

確定微鉆頭的布齒參數(shù)后，繪制其軸向布齒圖和徑向布齒圖，如圖2所示。圖2中1、2、3號刀翼分別用序號1、2、3表示。為保證切削齒在切削過程中全覆蓋井底，需對部分PDC齒進(jìn)行預(yù)切處理。最終，整個13 mm齒微鉆頭共采用6顆PDC齒進(jìn)行布齒，其中1號刀翼分布2顆完整PDC齒，2號刀翼分布2顆完整PDC齒，3號刀翼分布2顆預(yù)切齒。8 mm齒微鉆頭共采用9顆PDC齒，其中1號刀翼分布3顆完整PDC齒，2號刀翼分布3顆完整PDC齒，3號刀翼分布1顆完整PDC齒和2顆預(yù)切齒。

圖3是幾種微鉆頭與巖石接觸弧的示意圖。從圖3可以看出，相同齒直徑的寬刃齒鉆頭比常規(guī)齒鉆頭巖脊低，更利于排屑，減少了鉆頭對巖屑的重復(fù)切削，提高破巖效率。計(jì)算結(jié)果表明：13 mm常規(guī)齒微鉆頭與巖石接觸弧長為43.39 mm；13 mm寬刃齒微鉆頭與巖石接觸弧長為42.89 mm；8 mm常規(guī)齒微鉆頭與巖石接觸弧長為40.74 mm；8 mm寬刃齒微鉆頭與巖石接觸弧長為39.56 mm。這說明在相同布齒參數(shù)下，寬刃齒鉆頭在鉆井過程中與巖石接觸的弧長較短，從而瞬時比鉆壓較大。

完成布齒圖設(shè)計(jì)后，在三維軟件中完成鉆頭零件圖的繪制和裝配，不同直徑以及齒類型的微鉆頭裝配體如圖4所示。由于寬刃齒的刃口切深為0.5 mm，所以寬刃齒的圓心比常規(guī)齒高出0.5 mm，以消除切削齒最頂端到本體底部距離不同而造成的扭矩不同。

1.2" 微鉆頭的加工

微鉆頭的刀翼和基體均采用數(shù)控銑床加工，預(yù)切齒采用激光切割方式加工，將試驗(yàn)鉆頭的PDC齒通過焊接與刀翼進(jìn)行連接，以滿足破巖時的工作強(qiáng)度。不同直徑以及齒類型的微鉆頭裝配體如圖5所示。

2" 微鉆頭破巖機(jī)理研究

2.1" 鉆頭振動量化評價

2.1.1" 黏滑振動對鉆進(jìn)的影響

黏滑振動主要由鉆頭、井下鉆井工具和鉆柱之間的能量相互作用引起。鉆頭是黏滑振動的主要原因之一［11］。黏滑振動發(fā)生時主要特征是鉆頭處于低速轉(zhuǎn)動甚至停轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速低于地面轉(zhuǎn)速甚至為 0，稱為黏滯相）和高速轉(zhuǎn)動（轉(zhuǎn)速達(dá)到地面轉(zhuǎn)速的2倍及以上，稱為滑脫相）的周期交替狀態(tài)［12］。由于黏滑振動，PDC鉆頭在硬地層中鉆進(jìn)效率嚴(yán)重降低。鉆進(jìn)過程中黏滑振動的主要影響有：

①加速PDC鉆頭的磨損。鉆頭端在發(fā)生黏滑振動時，在“滑脫”狀態(tài)下轉(zhuǎn)速會瞬間激增，導(dǎo)致井下巖層對鉆頭產(chǎn)生較大的沖擊力，會大大增加鉆頭破壞失效的概率。

②鉆頭端黏滑振動會造成鉆井時能量的浪費(fèi)。鉆頭端發(fā)生黏滑振動時，在“黏滯”狀態(tài)下，由于井口所提供的破巖能量不能對巖石達(dá)到破碎效果，在這期間會發(fā)生能量的損耗。

③黏滑振動本身以及由于黏滑振動所產(chǎn)生的其他振動會造成井下工具的失效。

④黏滑振動一旦造成井下工具發(fā)生失效等事故，則需要多次起下鉆更換鉆具，降低鉆井的連續(xù)性和井深質(zhì)量，降低鉆進(jìn)的效率。

2.1.2" 鉆頭黏滑振動強(qiáng)度

為評價鉆頭在鉆進(jìn)過程中的黏滑振動強(qiáng)度，定義了鉆頭黏滑振動強(qiáng)度值，即當(dāng)鉆頭在穩(wěn)定鉆進(jìn)過程中，其鉆頭轉(zhuǎn)速幅值與其2倍均值之比，其黏滑振動［13］的強(qiáng)度級值用SI0來表示：

SI0=Rmax-Rmin2Ravg（3）

式中：Rmax為穩(wěn)定區(qū)間測得的最大轉(zhuǎn)速，r/min；Rmin為穩(wěn)定區(qū)間測得的最小轉(zhuǎn)速，r/min；Ravg為穩(wěn)定區(qū)間測得的平均轉(zhuǎn)速，r/min。

2.1.3" 鉆頭黏滑振動倍率

鉆頭在發(fā)生黏滑振動時，其鉆頭端的瞬時轉(zhuǎn)速峰值會超過轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的數(shù)倍之多。為了定量描述鉆頭在發(fā)生黏滑振動時其最大轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的比值，定義ST0為鉆頭的黏滑振動倍率：

ST0=RmaxRavg（4）

2.1.4" 鉆頭橫向加速度

為了測量試驗(yàn)鉆柱在鉆進(jìn)過程中的軸向和橫向振動特性，在每相鄰的2個分段套管之間安裝了無線加速度傳感器（如圖6所示）。

該加速度傳感器型號為WT901SDCL，采用9軸算法。試驗(yàn)主要使用加速度傳感器的加速度測量功能來分析鉆頭的橫向振動和軸向振動規(guī)律。

首先，通過加速度計(jì)測得的四元數(shù)=［q1，q2，q3，q4］來確定其方位，計(jì)算x、y、z方向上的重力加速度分量g1、g2、g3：

g1=2g（q2q4-q1q4）

g2=2g（q1q2+q3q4）

g3=2g（0.5-q2q2+q3q3）（5）

最后，將測得的加速度axt、ayt、azt與重力加速度分量相減，即可求得x、y、z方向上振動的加速度ax、ay、az：

ax=axt-g1

ay=ayt-g2

az=azt-g3（6）

最終加速度：

at=ax（7）

ar=a2z+a2y（8）

式中：at為軸向加速度，m/s2；ar為橫向加速度，m/s2。

2.2" 水平井試驗(yàn)臺架構(gòu)成

水平井試驗(yàn)臺架主要包括動力系統(tǒng)、鉆柱系統(tǒng)、破巖系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)五大系統(tǒng)，如圖7所示。動力系統(tǒng)主要為系統(tǒng)提供鉆頭軸向進(jìn)給力和扭矩，分別通過變頻電動機(jī)與液壓系統(tǒng)完成；鉆柱系統(tǒng)由鉆柱、鉆柱兩端的鍍鎳支撐桿、分段套管組成；破巖系統(tǒng)包括試驗(yàn)臺架頂端的微鉆頭以及巖石夾持裝置；輔助系統(tǒng)包括槽鋼基座、鋼制固定板、法蘭直線軸承搭建的滑軌；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括信息采集計(jì)算機(jī)終端、軸力扭矩傳感器、位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、加速度傳感器。該試驗(yàn)裝置可以較為全面地模擬水平井鉆進(jìn)過程中如鉆頭類型、轉(zhuǎn)速、進(jìn)尺、鉆桿剛度等因素對鉆頭黏滑振動的影響。

2.3" 不同因素對鉆頭破巖的試驗(yàn)研究

基于水平井試驗(yàn)臺架，分析了不同鉆井工況下鉆頭的動力學(xué)響應(yīng)。通過水平井微鉆頭試驗(yàn)研究轉(zhuǎn)速、鉆壓、齒直徑、巖石類型、鉆頭類型等因素對鉆頭黏滑振動以及橫向振動的影響，其中所取的鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、極值、軸向加速度和橫向加速度均為穩(wěn)定鉆進(jìn)區(qū)間的均值。

2.3.1" 轉(zhuǎn)速的影響

為研究鉆頭轉(zhuǎn)速與黏滑振動的關(guān)系，以8 mm寬刃齒微鉆頭鉆進(jìn)砂巖為例。首先，固定鉆壓177 N，設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速分別為12、18、24、30、39 r/min，如圖8所示。從圖8可以看出，鉆頭黏滑振動和黏滑倍率隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，說明增加轉(zhuǎn)速可以減輕黏滑振動的影響。

2.3.2" 鉆壓的影響

為研究鉆壓對鉆頭黏滑振動規(guī)律的影響，開展了在不同鉆壓條件下的水平井室內(nèi)動力學(xué)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過程中，采用8 mm寬刃齒微鉆頭鉆進(jìn)砂巖，轉(zhuǎn)速設(shè)置為21 r/min，改變鉆壓對其進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖9～圖12所示。從圖9、圖10、圖11及圖12可以看出，在相同轉(zhuǎn)速條件下，鉆壓越大，鉆頭的黏滑振動越劇烈，橫向加速度及其波動也增加，說明鉆壓的增加會加劇鉆頭的黏滑振動和橫向振動。過大的鉆壓容易導(dǎo)致鉆頭及其他部分零件崩壞，鉆進(jìn)巖石困難，過小的鉆速會使鉆井效率降低，因此要選擇合理的鉆壓。

2.3.3" 巖石類型的影響

為驗(yàn)證巖石種類對鉆頭破碎巖石的影響，采用13 mm寬刃齒微鉆頭分別鉆進(jìn)灰?guī)r和砂巖，固定鉆速為0.1 mm/s，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速分別為15、21、27、30、39、48、51和57 r/min，結(jié)果如圖13～圖16所示。從圖13、圖14、圖15及圖16可以得出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，鉆頭的鉆壓和扭矩均減小，鉆頭黏滑振動也減輕，但橫向加速度及其波動增加，且鉆頭鉆進(jìn)砂巖的軸力和扭矩也明顯低于灰?guī)r。從圖中還可以看出，當(dāng)速度大于50 r/min時，鉆頭所受的軸力和扭矩變化較小。因此，在實(shí)際鉆井過程中，要根據(jù)巖石類型來選擇合理的鉆壓來控制鉆速，避免因鉆壓過大導(dǎo)致黏滑振動加劇，從而導(dǎo)致PDC鉆頭失效。

2.3.4" 齒直徑的影響

為研究布齒密度對破碎巖石的影響，試驗(yàn)以砂巖為例，對8 mm寬刃齒微鉆頭和13 mm寬刃齒微鉆頭做對比。圖 17、圖 18分別表示2種微鉆頭在相同轉(zhuǎn)速（21 r/min）下鉆進(jìn)砂巖時的黏滑振動強(qiáng)度和橫向加速度隨鉆壓的變化規(guī)律。

從圖17和圖18可以看出，在相同工況下，8 mm寬刃齒微鉆頭的黏滑振動和橫向振動均小于13 mm寬刃齒微鉆頭，說明增加布齒密度能夠減輕寬刃鉆頭在鉆進(jìn)過程中的振動，降低鉆頭處跳鉆、鉆柱接頭斷裂等現(xiàn)象，提高破巖效率，增強(qiáng)鉆頭在實(shí)際鉆井過程中的穩(wěn)定性。所以，在實(shí)際鉆井過程中，要根據(jù)鉆進(jìn)巖石所需的轉(zhuǎn)速和鉆壓來合理設(shè)計(jì)布齒密度和切削齒的直徑，以有效減輕鉆頭的黏滑振動和橫向振動。

2.3.5" 齒類型的影響

為驗(yàn)證寬刃齒微鉆頭吃入性能強(qiáng)于常規(guī)齒微鉆頭，開展了8 mm常規(guī)齒微鉆頭與8 mm寬刃齒微鉆頭在相同機(jī)械鉆速下穩(wěn)定鉆進(jìn)巖石的試驗(yàn)，分析鉆壓、扭矩、黏滑振動和橫向加速度的變化規(guī)律。此試驗(yàn)固定轉(zhuǎn)速為30 r/min，鉆速分別設(shè)置為0.05、0.08、0.10、0.12、0.15、0.20及0.25 mm/s。圖19、圖20、圖21、圖22分別表示鉆壓、扭矩、黏滑振動強(qiáng)度、橫向加速度隨鉆速的變化規(guī)律。

從圖19～圖22可以看出，鉆壓和扭矩均隨著鉆速的增加而增加，而鉆壓的增加導(dǎo)致黏滑振動強(qiáng)度和橫向加速度也隨之增加，與上述結(jié)論相符。同時，在相同機(jī)械鉆速作用下，寬刃齒微鉆頭所受的鉆壓、扭矩、黏滑振動強(qiáng)度以及橫向加速度均小于常規(guī)齒微鉆頭，說明在相同鉆壓下，寬刃齒微鉆頭的機(jī)械鉆速大于常規(guī)齒微鉆頭，故寬刃齒吃入灰?guī)r的性能較強(qiáng)。

3" 微鉆頭鉆進(jìn)數(shù)值模擬研究

3.1" 有限元模型建立

為進(jìn)一步探究寬刃齒微鉆頭與常規(guī)齒微鉆頭工作時的提速效果，進(jìn)行了常規(guī)齒微鉆頭及寬刃齒微鉆頭鉆進(jìn)巖石的有限元模擬分析。建模時將巖石設(shè)計(jì)成一個直徑為150 mm、厚度為50 mm的圓柱體，以減少邊界對巖石內(nèi)部應(yīng)力的影響。巖石底部采用固定邊界條件，鉆頭與巖石的接觸方式采用面面接觸。由于巖石失效后內(nèi)部單元會重新與巖石發(fā)生接觸，所以在分析時需建立巖石單元集，如在第一層巖石單元破碎后，新的一層巖石單元又會與鉆頭形成新的接觸對。依據(jù)巖石網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式，可以把網(wǎng)格化為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格［14］，如圖23所示。

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格主要包括六面體和四邊形網(wǎng)格，其單元比較規(guī)范、質(zhì)量較好且精度高，一般適用于規(guī)則的幾何模型。對于較為復(fù)雜的幾何模型一般很難使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相對于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分比較自由，不需要擔(dān)心網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對結(jié)構(gòu)劃分的限制，能夠很容易地對復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行劃分，但是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的計(jì)算精度相對較低，對方程求解的速度收斂較慢［15-18］。故巖石采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。

為提高計(jì)算效率，將微鉆頭簡化，只保留切削齒，簡化后的模型如圖24所示。對切削齒同時施加豎直向下的位移載荷以及沿鉆頭軸心的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。將位移載荷換算成鉆速為0.2 mm/s的載荷，轉(zhuǎn)速為30 r/min，試驗(yàn)巖石為灰?guī)r。試驗(yàn)灰?guī)r材料參數(shù)如表3所示，模擬切削齒在剪切的作用下穩(wěn)定破碎巖石。

3.2" 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

圖25是8 mm寬刃齒鉆頭和8 mm常規(guī)齒鉆頭達(dá)到穩(wěn)定破碎巖石時，軸向力隨時間的變化規(guī)律。從圖25可以看出，在相同的機(jī)械鉆速下，寬刃齒鉆頭所受到的平均軸向力明顯小于常規(guī)齒，說明寬刃齒越易吃入巖石，其破巖效率更高。

表4表示2種微鉆頭穩(wěn)定鉆進(jìn)巖石時，受到平均軸向力的試驗(yàn)值和仿真模擬值的對比情況。從表4可知，寬刃齒微鉆頭所受到軸向力的模擬值仍然小于常規(guī)齒微鉆頭，與試驗(yàn)結(jié)果一致，且兩者誤差率均在15％以內(nèi)，證明數(shù)據(jù)的可靠性。

圖26為8 mm常規(guī)齒微鉆頭和8 mm寬刃齒微鉆頭的等效塑性應(yīng)變云圖。從圖26可以看出，寬刃齒鉆頭的等效塑性應(yīng)變分布較均勻、連續(xù)，而常規(guī)齒鉆頭的等效塑性應(yīng)變分布較為分散。并且寬刃齒鉆頭破碎巖石后，巖石整體拉應(yīng)力值較大，說明在實(shí)際鉆井過程中，寬刃齒鉆頭對巖石的作用力較均勻，容易達(dá)到巖石的整體塑性應(yīng)變從而破碎巖石，因此破巖效率較高。

圖27是2種齒微鉆頭的數(shù)值模擬井底形貌與試驗(yàn)井底形貌。從數(shù)值模擬井底形貌和試驗(yàn)井底形貌對比分析可知，2種鉆頭最終在井底的心部形成了一個巖柱，外圍幾圈有較明顯的切削齒切削軌道痕跡，且寬刃齒微鉆頭的切削軌道數(shù)量相對于常規(guī)齒微鉆頭較少，巖脊也較低，這與試驗(yàn)井底形貌現(xiàn)象相符合。

為了驗(yàn)證寬刃齒鉆頭在塑性地層的破巖效果，2020年11月，將S1416GU（寬刃齒鉆頭）首次應(yīng)用于北疆塑性地層［19］。現(xiàn)場案例應(yīng)用結(jié)果表明，寬刃齒鉆頭在塑性地層中平均機(jī)速比常規(guī)齒PDC鉆頭提高515%，提速效果明顯。這與有限元分析結(jié)果相符合，說明在塑性地層中，寬刃齒鉆頭更易吃入地層，效率更高。寬刃齒鉆頭破巖技術(shù)具備較強(qiáng)的理論與實(shí)踐依據(jù)，為解決難鉆塑性地層的鉆井提速問題提供了一種新的思路。

4" 結(jié)" 論

本文基于常規(guī)PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了4種直徑為70 mm的三刀翼微鉆頭，分別是8 mm常規(guī)齒、8 mm寬刃齒、13 mm常規(guī)齒和13 mm寬刃齒微鉆頭。開展了多因素影響下鉆頭鉆進(jìn)巖石的試驗(yàn)及數(shù)值模擬分析，主要結(jié)論如下：

（1）在轉(zhuǎn)速對鉆頭鉆進(jìn)巖石的影響試驗(yàn)中，通過增加轉(zhuǎn)速，鉆頭端的黏滑現(xiàn)象明顯減弱。

（2）在鉆壓對鉆頭黏滑的振動試驗(yàn)中，增加鉆速，導(dǎo)致鉆壓增加，鉆頭端黏滑現(xiàn)象加劇。故主要是通過調(diào)節(jié)鉆速來實(shí)現(xiàn)鉆壓的改變，鉆壓越大，鉆頭端黏滑振動越明顯。

（3）鉆頭的布齒密度越大，鉆頭的黏滑振動和橫向振動越弱，說明布齒密度的增加可以提高鉆頭鉆進(jìn)的穩(wěn)定性。保持齒直徑以及鉆井參數(shù)不變，寬刃齒微鉆頭的黏滑振動和橫向振動均小于常規(guī)齒微鉆頭，說明寬刃齒的吃入性能更強(qiáng)，鉆進(jìn)穩(wěn)定性更好。

（4）通過微鉆頭數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證試驗(yàn)的可靠性，并將安裝有寬刃齒的鉆頭進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，對應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行分析研究，進(jìn)而對數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充。

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第一胡莉，助教，生于1993年，2022年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，現(xiàn)從事教學(xué)及科研工作。地址：（611731）四川省成都市。電話：（028）87582528。email：420086171@qq.com。2024-06-05南麗華