基于仿真的復(fù)合沖擊破巖流固熱耦合場(chǎng)分析

為了揭示復(fù)合沖擊載荷下全尺寸PDC鉆頭破巖機(jī)理，以溫度為紐帶，通過(guò)迭代算法建立復(fù)合沖擊載荷下PDC鉆頭破巖流固熱耦合仿真分析模型，同時(shí)以PDC鉆頭切削齒溫度為評(píng)價(jià)指標(biāo)驗(yàn)證仿真模型；從動(dòng)態(tài)破巖過(guò)程、力學(xué)變化行為、溫度演化規(guī)律和流場(chǎng)分布特征等4個(gè)方面完成復(fù)合沖擊載荷下全尺寸PDC鉆頭破巖工作特性分析。分析結(jié)果表明：PDC鉆頭破巖流固熱耦合仿真分析模型誤差在10%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足工程分析精度需求；PDC鉆頭破巖過(guò)程分為單齒破巖、平面破巖和深度破巖3個(gè)階段，增加復(fù)合沖擊載荷后PDC鉆頭最大扭矩增大66.3%，平均扭矩增大28.0%；PDC鉆頭的高溫區(qū)域分布在鉆頭最底部切削齒表面，最高溫度達(dá)到166.9 ℃；鉆井液在PDC鉆頭刀翼外側(cè)切削齒產(chǎn)生高壓區(qū)域，最大壓力達(dá)到107.9 kPa；鉆井液在噴嘴出口處流速最大，達(dá)到6.1 m/s。研究結(jié)果可為揭示復(fù)合沖擊破巖機(jī)理、開(kāi)發(fā)高效PDC鉆頭提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

PDC鉆頭；復(fù)合沖擊；全尺寸；破巖；流固熱耦合

TE921

A

008

Analysis on Fluid-Solid-Thermal Coupling Field in Rock Breaking

Under Composite Impact Loads Based on Simulation Model

Cao Jifei^1，2 Zou Deyong¹ Li Cheng² Wang Hanxiang¹ Che Jiaqi¹ Zhang Weiqiang² Huang Zhe²

（1.China University of Petroleum（East China））;2.Drilling Technology Research Institute，Sinopec Shengli Petroleum Engineering Co.，Ltd.）

In order to reveal the rock-breaking mechanism of full-size PDC bit under composite impact loads，from the perspective of temperature，a simulation model of fluid-solid-thermal coupling in rock breaking of PDC bit under composite impact loads was built using iterative algorithm，and verified by taking the temperature of cutter of PDC bit as the evaluation indicator. Moreover，the rock-breaking performances of full-size PDC bit under composite impact loads were analyzed from 4 aspects （dynamic rock-breaking process，mechanical change behavior，temperature evolution law，and flow field distribution）. The analysis results show that the error of the simulation model is below 10%，meeting the required accuracy in engineering analysis. The rock-breaking process of PDC bit is divided into 3 stages： rock breaking of single cutter，rock breaking on plane and rock breaking in depth. After having increased the composite impact loads，the maximum torque of PDC bit is increased by 66.3%，and the average torque is increased by 27.5%. The high-temperature area of PDC bit is distributed on the surface of the cutter at the bottom of the bit，with a maximum temperature coming to 166.9 ℃. The drilling fluid creates a high-pressure area on the cutter on the outer side of blade of the PDC bit，with a maximum pressure coming to 107.9 kPa. The drilling fluid has the highest flow rate at the nozzle exit，reaching 6.1 m/s. The research results provide theoretical guidance and technical support for revealing the mechanism of composite percussive rock breaking and developing efficient PDC bits.

PDC bit; composite impact; full-size; rock breaking; fluid-solid-thermal coupling

0 引 言

曹繼飛，等：基于仿真的復(fù)合沖擊破巖流固熱耦合場(chǎng)分析

我國(guó)深層油氣資源儲(chǔ)量豐富、開(kāi)發(fā)潛力巨大，高效開(kāi)發(fā)深層油氣資源是實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源接替的重大需求^［1-2］。而深部地層巖石呈現(xiàn)硬度高、可鉆性差、研磨性強(qiáng)等特點(diǎn)^［3-4］。以準(zhǔn)噶爾盆地為例，準(zhǔn)中深層致密砂巖硬度為1 000～2 000 MPa，周緣火成巖地層可鉆性級(jí)值8級(jí)以上，研磨性強(qiáng)，導(dǎo)致PDC鉆頭的機(jī)械鉆速低（不足1 m/h）、進(jìn)尺少。因此，開(kāi)展深部堅(jiān)硬地層高效破巖技術(shù)研究對(duì)于推動(dòng)深層油氣開(kāi)發(fā)具有重要的研究意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高效破巖技術(shù)開(kāi)展了大量研究工作，主要包括粒子沖擊射流破巖^［5］、超臨界二氧化碳射流破巖^［6］、復(fù)合沖擊破巖^［7］以及激光破巖^［8］等方法。其中復(fù)合沖擊破巖的基本思路是將軸向脈動(dòng)沖擊與扭向反轉(zhuǎn)沖擊破巖方式聯(lián)合起來(lái)，使PDC鉆頭具有三維“立體破巖”效果，通過(guò)其有序的軸向和扭向振動(dòng)提高破巖效率和機(jī)械鉆速^［9］。試驗(yàn)測(cè)試方面，查春青等^［10］提出復(fù)合沖擊破巖鉆井新技術(shù)，并開(kāi)發(fā)可實(shí)現(xiàn)扭向反轉(zhuǎn)沖擊聯(lián)合軸向脈動(dòng)沖擊的新型復(fù)合沖擊鉆具。查春青等^［11］又針對(duì)PDC鉆頭鉆遇硬地層時(shí)出現(xiàn)的機(jī)械鉆速低、鉆頭黏滑振動(dòng)失效快等問(wèn)題，提出PDC鉆頭復(fù)合沖擊鉆井破巖新技術(shù)并對(duì)該技術(shù)的提速機(jī)理進(jìn)行研究。ZHANG H.等^［12］在T1井含礫砂巖地層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)鉆進(jìn)相比，復(fù)合沖擊鉆進(jìn)段的平均鉆壓降低57.13%，平均機(jī)械鉆速提高98.31%。仿真分析方面，李玉梅等^［13］通過(guò)ABAQUS軟件動(dòng)力學(xué)沖擊模塊建立PDC鉆頭單齒-巖石相互作用的動(dòng)力沖擊模型，分析復(fù)合沖擊破巖方式、軸向沖擊和扭向沖擊頻率配合方式、鉆壓等因素對(duì)復(fù)合沖擊破巖效果的影響規(guī)律。劉偉吉等^［14］在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于有限元方法建立單齒復(fù)合沖擊切削巖石的擬三維數(shù)值仿真模型，研究復(fù)合沖擊作用下鉆齒切削巖石過(guò)程中巖屑形成及破巖比功等，并與扭轉(zhuǎn)沖擊切削做相應(yīng)對(duì)比分析。雷宇奇等^［15］利用ABAQUS/Explicit模塊建立PDC單齒-巖石沖擊模型，研究PDC單齒在無(wú)沖擊、軸向沖擊、扭向沖擊和復(fù)合沖擊作用下的破巖特性。WANG W.等^［16］建立基于內(nèi)聚元的切削齒仿真模型，對(duì)復(fù)合沖擊下的動(dòng)態(tài)破巖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究沖擊參數(shù)和循環(huán)載荷對(duì)破巖性能的影響。祝效華等^［17］針對(duì)強(qiáng)研磨性地層建立了PDC鉆頭井底熱-流-固三場(chǎng)耦合模型，分析了鉆頭破巖時(shí)的熱力學(xué)特征，為鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

分析上述文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前主要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和仿真模擬開(kāi)展復(fù)合沖擊破巖機(jī)理研究，但是仿真模擬主要依靠單切削齒破巖仿真模型，無(wú)法全面反映整個(gè)PDC鉆頭的破巖工作特性^［18］。祝效華等^［17］的研究可以較為全面地描述鉆頭破巖時(shí)井底應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的特征，但并未涉及沖擊工況下的井底狀態(tài)，且未確定是否適用于深部堅(jiān)硬地層。為此，筆者針對(duì)深部堅(jiān)硬地層巖石，建立全尺寸PDC鉆頭破巖流固熱耦合仿真分析模型，探究復(fù)合沖擊載荷下全尺寸PDC鉆頭的工作特性，從而為開(kāi)發(fā)適用于深部堅(jiān)硬地層的高效PDC鉆頭提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 流固熱耦合仿真模型

1.1 流固熱耦合原理

PDC鉆頭破巖過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的流固熱耦合過(guò)程^［19-22］，PDC鉆頭流固熱耦合原理如圖1所示。復(fù)合沖擊載荷下PDC鉆頭破巖時(shí)產(chǎn)生大量熱量，一部分熱量通過(guò)鉆井液流場(chǎng)循環(huán)冷卻散失；另一部分熱量導(dǎo)致巖石溫度升高并影響材料本構(gòu)模型，進(jìn)而影響巖石材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，從而改變破巖過(guò)程中PDC鉆頭的應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)的改變反過(guò)來(lái)又影響產(chǎn)熱速率。因此PDC鉆頭的流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)有著強(qiáng)烈的相互作用。

1.2 巖石力學(xué)性能參數(shù)

為了建立全尺寸PDC鉆頭破巖流固熱耦合仿真分析模型，需要確定深部堅(jiān)硬地層巖石的力學(xué)性能參數(shù)。通過(guò)高壓巖石可鉆性試驗(yàn)裝置，測(cè)定模擬井下環(huán)境的巖石可鉆性；之后利用高應(yīng)力高壓真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展不同地應(yīng)力條件下巖石強(qiáng)度特征研究，為建立全尺寸PDC鉆頭破巖流固熱耦合仿真分析模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。深部堅(jiān)硬地層巖石力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

1.3 巖石材料本構(gòu)模型

深部堅(jiān)硬地層巖石材料采用修正的線(xiàn)性D-P塑性模型^［23］。D-P強(qiáng)度準(zhǔn)則認(rèn)為，中間主應(yīng)力σ₂對(duì)巖石的破壞有影響，用正八面體面上的正應(yīng)力σ_oct和剪應(yīng)力τ_oct表示：

式中：σ_oct和τ_oct分別為正八面體面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，MPa；σ₁、σ₂、σ₃分別為巖石單元在切削載荷、圍壓與上覆巖層壓力共同作用下的最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，MPa；τ₀為初始剪應(yīng)力，τ₀=6k/3，MPa；m為與巖石性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)，無(wú)量綱；k、α為與巖石材料黏聚力c和內(nèi)摩擦角ζ相關(guān)的參數(shù)，單位分別為MPa和無(wú)量綱；黏聚力c和內(nèi)摩擦角ζ的單位分別為MPa和（°）。

θ_σ為應(yīng)力洛德角，（°）；當(dāng)θ_σ=π/6時(shí)，巖石單元發(fā)生壓縮硬化，可得：

當(dāng)θ_σ=-π/6時(shí)，巖石單元發(fā)生拉伸硬化，可得：

當(dāng)tan θ_σ=-sin ζ/3時(shí)，巖石單元發(fā)生剪切硬化，可得：

1.4 全尺寸PDC井底對(duì)流換熱過(guò)程

PDC鉆頭井底流場(chǎng)如圖2所示。

鉆井液通過(guò)鉆柱中心注入，并經(jīng)過(guò)井底鉆頭的噴嘴流出，進(jìn)而通過(guò)環(huán)空返排到井口。因此，鉆井液一方面可以冷卻PDC鉆頭，另一方面可以攜帶巖屑返排到井口。下面對(duì)全尺寸PDC井底對(duì)流換熱過(guò)程進(jìn)行分析^［18］。

鉆井液從不同角度的噴嘴射出后，井底流場(chǎng)呈現(xiàn)高雷諾數(shù)的紊流狀態(tài)，合理地選擇湍流模型才能使計(jì)算結(jié)果貼合實(shí)際。雷諾數(shù)Re的計(jì)算式如下：

式中：ρ為混合流體密度，kg/m³；v為混合流體運(yùn)動(dòng)速度，m/s；D為混合流體特征長(zhǎng)度，m；μ為混合流體黏度系數(shù)，Pa·s。

另外，PDC鉆頭的鉆齒在井底降溫的過(guò)程中滿(mǎn)足對(duì)流換熱的基本定理。根據(jù)牛頓冷卻定律，鉆齒與鉆井液的對(duì)流換熱量及其正面的熱流量可表示為：

式中：?為對(duì)流熱流量，W；q_h為某點(diǎn)處的熱通量，W/m²；h_x為某點(diǎn)處的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/（m²·℃）；T_s、T_f分別為鉆齒、鉆井液的平均溫度，℃；A為過(guò)流面積，m²。

由式（10）可知，對(duì)于PDC鉆頭的鉆齒與鉆井液之間的對(duì)流換熱過(guò)程而言，其受到多種因素的影響，包括鉆齒表面鉆井液的流速、鉆齒與鉆井液之間的溫差以及鉆井液的流動(dòng)狀態(tài)等。

1.5 全尺寸PDC鉆頭仿真模型

基于上述巖石力學(xué)性能參數(shù)、修正的線(xiàn)性Drucker-Prager塑性模型及強(qiáng)度準(zhǔn)則，采用溫度-位移耦合侵徹算法建立復(fù)合沖擊載荷下PDC鉆頭破巖流-固-熱耦合仿真分析模型。其中全尺寸PDC鉆頭破巖流固熱耦合仿真分析模型如圖3所示。全尺寸PDC鉆頭為六刀翼鉆頭，直徑為215.9 mm，高度為395 mm；巖石尺寸為350 mm×350 mm×100 mm，巖石下表面及周?chē)┘庸潭s束。

全尺寸PDC鉆頭中心設(shè)置參考點(diǎn)，整個(gè)PDC鉆頭設(shè)置為剛體，邊界條件包括軸向沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊，沖擊頻率為30 Hz，鉆壓為72 kN，轉(zhuǎn)速為120 r/min，鉆井液排量為10 L/s。為了提高計(jì)算精度，增加巖石中心區(qū)域的網(wǎng)格密度，網(wǎng)格尺寸為3 mm，網(wǎng)格數(shù)量為277 992，網(wǎng)格單元類(lèi)型為C3D8R；鉆頭網(wǎng)格數(shù)量為57 122，網(wǎng)格單元類(lèi)型為C3D10M，網(wǎng)格尺寸為10 mm。以PDC鉆頭的輸出溫度作為輸入邊界條件進(jìn)行模型求解；通過(guò)迭代算法使得輸入溫度與輸出溫度逐步逼近并小于設(shè)定求解誤差，進(jìn)而達(dá)到流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)；最終以溫度為紐帶，通過(guò)迭代算法實(shí)現(xiàn)復(fù)合沖擊作用下PDC鉆頭破巖井底流-固-熱耦合場(chǎng)仿真模型的耦合求解。

2 破巖試驗(yàn)與仿真模型精度驗(yàn)證

2.1 破巖試驗(yàn)設(shè)備

為了驗(yàn)證流固熱耦合仿真模型的準(zhǔn)確性，依托中國(guó)石油大學(xué)（華東）自主研制的鉆磨銑工具性能測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展PDC鉆頭破巖試驗(yàn)。其中切削齒通過(guò)螺紋接頭固定在PDC鉆頭底部，使用工業(yè)測(cè)溫槍測(cè)量PDC鉆頭切削齒不同位置的溫度。工業(yè)測(cè)溫槍溫度范圍為-50～600 ℃，精度為2 ℃。破巖試驗(yàn)過(guò)程如圖4所示。

2.2 仿真模型精度驗(yàn)證

以PDC鉆頭切削齒的溫度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定PDC鉆頭破巖流固熱耦合仿真分析模型精度。圖5為PDC鉆頭切削齒不同測(cè)點(diǎn)的溫度。由圖5可知：PDC鉆頭切削齒1#測(cè)點(diǎn)的仿真溫度為78.2 ℃，試驗(yàn)溫度為71.1 ℃，因此PDC鉆頭切削齒1#測(cè)點(diǎn)的誤差為9.9%；PDC鉆頭切削齒2#測(cè)點(diǎn)的仿真溫度為92.3 ℃，試驗(yàn)溫度為85.9 ℃，誤差為7.5%；PDC鉆頭切削齒3#測(cè)點(diǎn)的仿真溫度為66.7 ℃，試驗(yàn)溫度為71.5 ℃，誤差為6.7%。綜上所述，PDC鉆頭破巖流固熱耦合仿真分析模型誤差在10%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足工程分析精度需求。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 動(dòng)態(tài)破巖過(guò)程

圖6為復(fù)合沖擊載荷下全尺寸PDC鉆頭破巖過(guò)程?？傻脧?fù)合沖擊載荷下全尺寸PDC鉆頭破巖過(guò)程分為單齒破巖、平面破巖和深度破巖3個(gè)階段：0.1～0.3 s為單齒破巖階段，此時(shí)全尺寸PDC鉆頭最下方的部分切削齒與巖石上表面接觸。由圖6a～圖6c可知，在復(fù)合沖擊載荷和鉆壓的共同作用下，巖石上表面出現(xiàn)點(diǎn)狀非連續(xù)狀態(tài)的材料損傷，最大等效塑性應(yīng)變逐漸從0.342增大到0.381；0.5～1.5 s為平面破巖階段，此時(shí)全尺寸PDC鉆頭下方的全部切削齒開(kāi)始參與破巖工作。由圖6d～圖6f可知，在復(fù)合沖擊載荷和鉆壓的共同作用下，巖石上表面出現(xiàn)連續(xù)環(huán)形狀態(tài)的材料損傷，最大等效塑性應(yīng)變?cè)?.378與0.392之間劇烈波動(dòng)變化；2.0～6.0 s為深度破巖階段，此時(shí)全尺寸PDC鉆頭破巖的同時(shí)持續(xù)沿深度方向向下鉆進(jìn)。由圖6g～圖6i可知，在復(fù)合沖擊載荷和鉆壓的共同作用下，巖石上表面出現(xiàn)圓形凹坑狀態(tài)的材料損傷，最大等效塑性應(yīng)變穩(wěn)定在0.384與0.385之間。因此，為了提高PDC鉆頭破巖的穩(wěn)定性，PDC鉆頭的切削齒應(yīng)盡量保持均勻排列，以防止單齒過(guò)載而導(dǎo)致斷裂、破碎等失效問(wèn)題，最終影響PDC鉆頭使用壽命和施工安全。

3.2 力學(xué)變化行為

圖7為復(fù)合沖擊載荷下全尺寸PDC鉆頭力學(xué)行為。由圖7a～圖7c可知，在單齒破巖階段，PDC鉆頭的部分切削齒在復(fù)合沖擊載荷和鉆壓的共同作用下逐漸壓入巖石表面，在0.1～0.3 s之間PDC鉆頭切削齒產(chǎn)生的最大應(yīng)力由48.5 MPa迅速增大到87.6 MPa;當(dāng)PDC鉆頭切削齒產(chǎn)生的剪切應(yīng)力達(dá)到巖石的屈服強(qiáng)度時(shí)，巖石發(fā)生破碎并開(kāi)始產(chǎn)生巖屑；由圖7d～圖7f可知，當(dāng)PDC鉆頭由單齒破巖階段進(jìn)入平面破巖時(shí)，PDC鉆頭底面的全部切削齒開(kāi)始參與破巖工作，在0.5 s時(shí)PDC鉆頭切削齒產(chǎn)生的應(yīng)力最大，達(dá)到191.7 MPa，之后全部切削齒進(jìn)入穩(wěn)定破巖狀態(tài)，因此在1.0～1.5 s時(shí)，PDC鉆頭切削齒產(chǎn)生的最大應(yīng)力開(kāi)始減小，并且在63.5～80.6 MPa之間波動(dòng)變化；由圖7g～圖7i可知，當(dāng)進(jìn)入深度破巖階段后，PDC鉆頭開(kāi)始沿深度方向向下鉆進(jìn)，在2.0～6.0 s時(shí)，PDC鉆頭切削齒產(chǎn)生的最大應(yīng)力進(jìn)一步減小，并且在30.9～42.3 MPa之間穩(wěn)定波動(dòng)變化。

當(dāng)PDC鉆頭由單齒破巖階段進(jìn)入平面破巖階段時(shí)，PDC鉆頭切削齒產(chǎn)生的應(yīng)力最大，應(yīng)力達(dá)到191.7 MPa，因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該階段PDC鉆頭的力學(xué)行為，避免因局部應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致切削齒的失效問(wèn)題。

繼續(xù)提取全尺寸PDC鉆頭的工作扭矩進(jìn)行分析。

由圖8可知，相對(duì)于常規(guī)鉆壓載荷下PDC鉆頭破巖時(shí)的工作扭矩，復(fù)合沖擊載荷下PDC鉆頭破巖時(shí)的工作扭矩波動(dòng)幅度更大、變化更為劇烈。具體來(lái)說(shuō)，復(fù)合沖擊載荷下PDC鉆頭工作扭矩的最大值可達(dá)4.74 kN·m，平均值為0.64 kN·m；而常規(guī)鉆壓載荷下PDC鉆頭工作扭矩的最大值為2.85 kN·m，平均值為0.50 kN·m。因此，相較于常規(guī)鉆壓條件，復(fù)合沖擊條件下的最大扭矩和平均扭矩分別提高66.3%和28.0%，導(dǎo)致其對(duì)PDC鉆頭材料的力學(xué)性能提出了更高要求。

3.3 溫度演化規(guī)律

圖9為復(fù)合沖擊載荷下全尺寸PDC鉆頭溫度場(chǎng)演化規(guī)律。由圖9a可知，全尺寸PDC鉆頭的高溫區(qū)域主要分布在鉆頭最底部的切削齒表面，故以PDC鉆頭底面切削齒為例，揭示溫度的產(chǎn)生與演化規(guī)律。由圖9b可知，在0.1 s時(shí)，PDC鉆頭切削齒的高溫區(qū)域首先出現(xiàn)在切削齒的底部切削刃外側(cè)（A點(diǎn)）。這是因?yàn)榍邢魅型鈧?cè)的切削速度較高，切削刃外側(cè)與巖石表面摩擦產(chǎn)生更多熱量。由圖9c可知，在0.3 s時(shí)，PDC鉆頭切削齒的高溫區(qū)域轉(zhuǎn)移到切削齒的底部切削刃內(nèi)側(cè)（B點(diǎn)）。這是因?yàn)榍邢魅型鈧?cè)的鉆井液流動(dòng)性好，切削刃外側(cè)散熱更充分。由圖9d～圖9f可知，在0.5～2.0 s時(shí)，PDC鉆頭切削齒的高溫區(qū)域分散在整個(gè)切削刃底部，說(shuō)明整個(gè)切削齒開(kāi)始參與穩(wěn)定破巖工作。由圖9g可知，在6.0 s時(shí)，PDC鉆頭切削齒的高溫區(qū)域轉(zhuǎn)移到切削齒底部切削刃中心位置（C點(diǎn)），最高溫度達(dá)到166.9 ℃。這是因?yàn)榍邢鼾X底部切削刃中心位置鉆井液的流動(dòng)性最差，切削齒產(chǎn)生的大量熱量無(wú)法短時(shí)間內(nèi)通過(guò)鉆井液傳導(dǎo)出去，導(dǎo)致熱量聚集產(chǎn)生局部高溫。因此，全尺寸PDC鉆頭的高溫區(qū)域主要分布在鉆頭最底部的切削齒表面，高溫區(qū)域首先出現(xiàn)在切削齒底部切削刃外側(cè)，逐漸轉(zhuǎn)移到切削齒底部切削刃內(nèi)側(cè)，最終轉(zhuǎn)移到切削齒底部切削刃中心位置，最高溫度達(dá)到166.9 ℃。降低PDC鉆頭底部切削齒的底部切削刃中心位置溫度是延長(zhǎng)PDC鉆頭使用壽命的關(guān)鍵。

3.4 流場(chǎng)分布特征

圖10為復(fù)合沖擊載荷下全尺寸PDC鉆頭流場(chǎng)分布特征。其中流固熱耦合作用下PDC鉆頭的溫度場(chǎng)如圖10a所示。由圖10a可知，在鉆井液的冷卻作用下，PDC鉆頭的高溫區(qū)域分布在底部切削齒表面，當(dāng)PDC鉆頭破巖產(chǎn)生的熱量與鉆井液帶走的熱量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，PDC鉆頭的最高溫度穩(wěn)定在200.1 ℃。流固熱耦合作用下PDC鉆頭的壓力場(chǎng)如圖10b所示。鉆井液通過(guò)噴嘴射流沖擊井底壁面，使巖屑發(fā)生翻轉(zhuǎn)，在井底較高壓力梯度的漫流層橫向推動(dòng)作用下排至環(huán)空，最終鉆井液攜帶巖屑通過(guò)環(huán)空返排到地面。在鉆井液的沖刷作用下，PDC鉆頭刀翼外側(cè)切削齒產(chǎn)生高壓區(qū)域，由圖10b可知，最大壓力達(dá)到107.9 kPa。流固熱耦合作用下PDC鉆頭的速度場(chǎng)如圖10c所示。由圖10c可知，鉆井液在噴嘴出口處流速達(dá)到最大，最大流速達(dá)到6.1 m/s，鉆井液撞擊井底壁面后兩側(cè)均產(chǎn)生了較厚的漫流層，外層漫流層厚度較大有利于攜帶巖屑運(yùn)移到環(huán)空區(qū)域。但是，在PDC鉆頭的刀翼與環(huán)空形成的封閉空間易形成漩渦區(qū)域，漩渦區(qū)域使井底流場(chǎng)混亂，巖屑顆粒無(wú)法有效啟動(dòng)運(yùn)移，嚴(yán)重影響巖屑返排效果。

因此，一方面需要向PDC鉆頭內(nèi)側(cè)調(diào)整噴嘴傾角，使得PDC鉆頭的高壓區(qū)域和高溫區(qū)域重合，通過(guò)改善PDC鉆頭底部切削齒的散熱效果降低高溫區(qū)域的最高溫度，進(jìn)而延長(zhǎng)PDC鉆頭的使用壽命；另一方面，深部堅(jiān)硬地層巖屑返排優(yōu)選小尺寸噴嘴，因?yàn)閲娮焐淞鞒隹诹魉匐S噴嘴尺寸增大而減小，過(guò)低流速使井底壁面的巖屑顆粒無(wú)法達(dá)到臨界啟動(dòng)流速，從而被壓持在井底壁面上。

4 結(jié) 論

（1）以溫度為紐帶，通過(guò)迭代算法建立復(fù)合沖擊載荷下PDC鉆頭破巖流固熱耦合仿真分析模型；以PDC鉆頭切削齒的溫度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定仿真模型誤差在10%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足工程分析精度需求。

（2）復(fù)合沖擊載荷下全尺寸PDC鉆頭破巖過(guò)程分為單齒破巖、平面破巖和深度破巖3個(gè)階段；當(dāng)由單齒破巖階段進(jìn)入平面破巖階段時(shí)PDC鉆頭切削齒應(yīng)力最大，達(dá)到191.7 MPa；復(fù)合沖擊相較于常規(guī)鉆壓條件下的最大扭矩和平均扭矩分別提高66.3%和28.0%。

（3）PDC鉆頭的高溫區(qū)域分布在鉆頭最底部的切削齒表面，最高溫度達(dá)到166.9 ℃；降低PDC鉆頭底部切削齒的底部切削刃中心位置溫度是延長(zhǎng)PDC鉆頭使用壽命的關(guān)鍵。

（4）鉆井液在PDC鉆頭刀翼外側(cè)切削齒產(chǎn)生高壓區(qū)域，壓力達(dá)到107.9 kPa；鉆井液在噴嘴出口處流速最大，達(dá)到6.1 m/s；PDC鉆頭的刀翼與環(huán)空形成的封閉空間易形成漩渦區(qū)域，嚴(yán)重影響巖屑返排效果。

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曹繼飛，副研究員，生于1986年，2011年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣井工程專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣井工程科研工作。地址：（257000）山東省東營(yíng)市。email：caojifeidrilling@163.com。

通信作者：鄒德永，教授。email：371214766@qq.com。

2024-02-28

任武