本文摘要：摘要：为了研究PDC-牙轮混合钻头的破岩过程及其钻进软硬交错地层时的工作特性，根据Drucker-Prager准则构建软硬交错岩石模型，并对混合钻头和传统PDC钻头进行钻进仿真对比分析。结果表明：钻进过程中距井眼轴心约2/3井眼半径部位的岩石所受应力较大;在软硬交错地层中，
摘要：为了研究PDC-牙轮混合钻头的破岩过程及其钻进软硬交错地层时的工作特性，根据Drucker-Prager准则构建软硬交错岩石模型，并对混合钻头和传统PDC钻头进行钻进仿真对比分析。结果表明：钻进过程中距井眼轴心约2/3井眼半径部位的岩石所受应力较大;在软硬交错地层中，混合钻头比PDC钻头的机械钻速高28.8%、钻速波动值低27.0%、径向载荷峰值低27.6%。混合钻头利用PDC切削齿与牙轮切削齿进行协同破岩，相比PDC钻头能够更加快速、稳定地钻进软硬交错地层。
关键词：混合钻头;PDC钻头;破岩特性;软硬交错地层;Drucker-Prager准则;机械钻速
随着世界油气开采规模的逐步扩大，部分易开采油气资源已被开发殆尽，而软硬交错、非均质等复杂地层中的油气还有很大开采空间[1]，但由于软硬交错等复杂地层岩石性质特殊且环境复杂多变，传统钻井工具在应对此类地层时显现出诸多不足，因此综合传统牙轮钻头与聚晶金刚石复合片(PDC)钻头优势的PDC-牙轮混合钻头近年来被大规模使用并且效果良好[2-5]。由于混合钻头属于一种新型钻井工具，业内人士对其工作特性与破岩过程还认识不足，这不利于产品的设计优化与创新，因此对混合钻头在复杂地层中的破岩特性进行研究就显得尤为重要。
石油论文范例： 石油化工劣质重油延迟焦化工艺分析
李琴等[6-7]研究了硬地层中复合钻头的破岩特性与提速机理，认为以拉应力破岩是复合钻头在硬地层中能够大幅提升机械钻速的原因之一;邓嵘等[8-9]分析了混合钻头牙轮切削齿与PDC切削齿的相对高度对钻头性能的影响，并且讨论了混合式单牙轮钻头的破岩性能;Niu等[10]设计制造了结构参数可调的可拆卸复合式钻头实验装置，并对不同工况进行钻进实验，结果显示牙轮切削齿的引入有利于提高PDC切削齿在坚硬地层中的穿透能力;吴泽兵等[11-13]针对混合钻头的破岩特性以及钻进温度场等展开了相关研究;Huang等[14]通过单元实验建立了混合钻头切削载荷模型，比较分析了单独的牙轮切削结构、PDC切削结构与复合切削结构的工作载荷特性。
以上文献大多针对混合钻头钻进坚硬地层的工况，而对于混合钻头钻进软硬交错地层的破岩特性研究还比较少见。为此，本文基于有限元分析法和岩石力学基础理论建立软硬交错地层的岩石动态本构模型，并分别采用混合钻头与传统PDC钻头模型对钻头破碎软硬交错地层过程进行有限元仿真，同时根据井眼应力分布、井底形貌、机械钻速以及载荷等仿真结果分析了混合钻头对软硬交错地层的破岩特性，以期为混合钻头的推广应用提供参考。
1岩石动态本构模型
岩石动态本构模型是影响混合钻头破岩仿真结果准确性的重要因素，常用的有Mohr-Cou-lomb模型(简称M-C模型)和Drucker-Prager模型(简称D-P模型)等[15-16]。D-P模型是在M-C模型和Mises准则基础上扩展和推广而得的[17]。相对于M-C模型而言，D-P模型同时考虑了静水压力与中间主应力的影响，因而计算效率较低，但计算精度明显较高[18]。为了更准确地描述岩石被钻进时的破坏状态。
2钻头破岩仿真模型
2.1基本假设
为便于混合钻头破岩仿真计算，本文忽略井底高温、高压等次要因素，并做如下假设：(1)不考虑钻头体的变形和应力分布，假设钻头为刚体;(2)假设同性质岩石为均匀、各向同性材料，不考虑岩石中原生裂纹的存在;(3)岩石失效后立刻移除，不影响后续钻进过程;(4)假设岩石底部为无穷远处，为完全固定约束;(5)忽略井底温度场、流场变化对钻进过程的影响。
2.2模型的建立
应用有限元软件建立直径相同的三牙轮-三刀翼混合钻头、六刀翼PDC钻头分别与圆柱状软硬交错地层岩石装配的实体模型，如图3所示，其中岩石模型被分为厚度均匀的四层，从上向下第一、三层为软质岩石，第二、四层为硬质岩石，组合形成软-硬-软-硬交错地层岩石模型。
硬质岩石为玄武岩，软质岩石为砂岩。钻头模型较为复杂，故采用四面体单元(C3D10M)进行网格划分，并在钻头与岩石主要接触的局部细化网格，混合钻头网格数目约为38.2万个，PDC钻头网格数目约为27.8万个。岩石模型结构规则，因此采用带沙漏控制的八节点线性六面体减缩积分单元(C3D8R)对岩石进行网格划分，网格数目约为47.3万个。
2.3约束与边界条件
在混合钻头的三条牙轮轴线上分别设置参考点，与牙轮对应的刚体约束点进行铰连接设置，并将三个牙轮参考点与钻头主体参考点进行耦合约束。将岩石底部作为远离钻头的无穷远处，施加完全固定约束条件。在仿真过程中，约束钻头X和Z方向的平移和转动，仅保留钻头沿Y方向钻进与旋转的自由度。对钻头施加55kN的钻压和10kN·m的扭矩。
3仿真结果与分析
3.1井底岩石应力-应变分析在破岩分析中，岩石等效塑性应变值大于0时即表示岩石单元已经屈服。但此时岩石单元并不会完全破碎脱落，而是发生不同程度的塑性变形，直到岩石单元受外力作用产生的塑性应变达到一定值时，岩石单元才会完全失效并从岩体上脱落。岩石经混合钻头破碎后的等效塑性应变云图。
岩石单元完全失效的等效塑性应变值为0.02215%，因此当岩石单元受外力产生的塑性应变达到该值时，岩石单元发生失效并从岩体脱落，从而形成井眼;同时根据塑性应变分布可知，混合钻头钻进过程中，岩石塑性变形仅发生于井底与井壁周围，远离井眼的部分几乎没有塑性变形，这表明混合钻头钻进时不会对远离井眼的岩石造成影响，从而避免了井壁倒塌的可能。
3.2混合钻头破岩特性分析
井底形貌图能够准确反映钻头的工作特性。从中可见刀翼上镶嵌的PDC切削齿持续刮削形成的环状沟槽。混合钻头钻进形成的井底形貌，从中可见PDC切削齿刮削形成的环状沟槽与牙轮切削齿冲击形成的破碎坑。结合分析和钻头破岩过程分析可知：在破岩过程中，PDC钻头主要利用六条刀翼上镶嵌的PDC切削齿持续旋转刮削进行破岩，此时PDC切削齿刮削过的岩石会产生裂纹，未被切削到的岩石部分依然保持原有屈服强度，进岩石地层，使得岩石单元不断破碎并从岩体脱落，随着钻头吃入岩石深度的增加，钻头在软硬交错地层中逐渐形成井眼。
混合钻头破岩时岩石的Mises应力主要集中在距井眼轴心约2/3井眼半径的部位，这表明混合钻头鼻部和肩部破碎岩石的能力更强。结合应力集中情况可知，混合钻头在钻进过程中主要依靠牙轮切削结构与钻头鼻部和肩部的PDC切削结构共同对鼻部和肩部岩石进行破碎，相对于传统的PDC钻头而言，混合钻头中的牙轮切削结构有效地增强了混合钻头破碎岩石的能力。
4结论
(1)混合钻头钻进岩石时，应力主要集中在距井眼轴心约2/3井眼半径的部位，对远离井眼部分岩石影响较小，牙轮切削结构有效增强了混合钻头鼻部和肩部区域的破岩效果。(2)PDC钻头钻进岩石形成的井底形貌为环状沟槽;混合钻头钻进岩石形成的井底形貌为环状沟槽与破碎坑，混合钻头中的牙轮切削齿与PDC切削齿共同吃入岩石，使岩石产生裂纹，降低了岩石强度，能达到更好的破岩效果。
(3)钻进软质岩石地层时，PDC钻头比混合钻头的机械钻速要高;钻进软硬交错岩石地层时，与PDC钻头相比，混合钻头的机械钻速提高了28.8%，钻速波动值减小了27.0%。(4)混合钻头钻进软硬交错地层时所受径向载荷峰值比PDC钻头的径向载荷峰值低27.6%，从而降低了混合钻头发生钻进偏移的可能性，并能有效延长钻头使用寿命。
参考文献
[1]李国欣，朱如凯.中国石油非常规油气发展现状、挑战与关注问题[J].中国石油勘探，2020，25(2)：1-13.
[2]李勇，毛旭.牙轮钻头与PDC钻头的对比分析[J].中国井矿盐，2016，47(1)：31-33.
[3]朱宽亮，周岩，胡中志.PDC-牙轮复合钻头在南堡油田大斜度井的应用[J].石油钻探技术，2017，45(6)：60-64.
[4]沈欣宇，苏强，周柏年，等.复合钻头在高石梯-磨溪地区须家河组的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2018，38(1)：73-75.
[5]陈星星.混合钻头在涪陵页岩气田的应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2019，46(10)：34-39.
[6]李琴，谢豆，黄志强，等.硬地层复合钻头破岩特性与提速机理研究[J].机械科学与技术，2017，36(3)：347-353.
作者：邓思洪1，2，但斌斌1，2，容芷君1，2，陈刚3，樊孝兵4，佘运玖4
转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/jzlw/28930.html
