轴冲作用下PDC钻头破岩机理研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 2次 | 上传用户:gchy111
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轴向冲击辅助钻井提速技术是一种被广泛应用于深井生产实践的破岩提速技术,配合PDC钻头使用能够有效提高机械钻速、降低钻井成本。当前轴冲钻井技术的实施,均以经验或者功能性实现为主,缺少工具及配套钻头设计的理论支撑。因此,本文采用理论分析、数值模拟和室内实验相结合的研究方法,揭示轴冲作用下PDC钻头破岩机理:搭建动力学元件组成的PDC钻头-岩石相互作用模型,分析钻头与岩石之间的相互作用及岩石响应规律;基于PDC单齿冲击实验和数值计算,分析了冲击作用下岩石破碎特征和力学机制、岩下裂缝的分布形态和扩展过程,对钻头-岩石作用模型取得的规律进行解释;在PDC单齿冲击破岩研究的基础上又建立了冲击-切削耦合作用下岩石破碎离散元模型,阐明冲击-切削耦合破岩机制。开展全尺寸钻头旋转-冲击耦合破岩实验,解释耦合作用下钻进影响因素及规律;回归生产实践,利用轴冲作用下PDC钻头破岩机理指导工具设计和钻头优选,进行现场实验。结果显示:钻头-岩石作用模型引入的Abel黏壶可以描述岩石阻尼力和应变率之间的非线性关系,获得了杨氏模量和粘度系数随冲击频率变化的理论方程。模型模拟的轴向冲击钻井存在最佳频率,温度从20℃升高到200℃时,最佳频率从60 Hz增加到120 Hz。矩形冲击载荷,正弦形冲击载荷和锯齿形冲击载荷钻进速度依次降低。PDC单齿冲击作用下,岩石呈现两种破碎形式:塑性破坏和脆性破坏,其中脆性破坏所对应的岩石破坏效率更高,破碎体积也更大。脆性指数高的岩石更容易发生脆性破碎,更适应冲击破岩方式。提高冲击速度和冲击质量也有助于提高破岩体积和效率。岩下裂纹形状呈贝壳状,破碎坑位于“贝壳”根部。破碎过程中岩石蓄能-裂纹扩展的过程不断重复造成裂纹以非连续脉冲式扩展。在冲击载荷作用下,切削齿前后岩石表面均以拉伸作用为主,而齿的后下方以压缩载荷为主。随着后倾角增大,应力向齿尖集中并急剧增强,解释了现场实践硬地层应增加后倾角原因。天然裂纹的存在可以极大地提高冲击-切削耦合作用下PDC单齿破岩效率。在评估的切削齿后倾角范围内,后倾角为50°时切削齿具有最佳的压入效果,后倾角为20°的PDC齿具有最大的碎屑量和最低的破岩比能。轴向冲击也能减弱PDC齿粘滑效应。研究结果揭示了轴冲作用下PDC钻头破碎机理,为轴向冲击辅助钻井提速技术的普及、特别是轴冲工具及配套钻头的设计提供理论基础。
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