超高壓雙流道PDC鉆頭破巖機制研究_圖文

1、 ·800· 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2007 年 刀翼作用節(jié)點的失效系數(shù) 鉆壓/(10 N 圖 12 Fig.12 不同刀翼數(shù)鉆頭鉆壓隨時間變化的動態(tài)曲線 Dynamic curve of WOB with different quantities of blade with time 圖 11 刀翼作用半徑上的節(jié)點在某個增量步的失效系數(shù) 鉆頭扭矩/(103 kN·m Fig.11 Failure indexes of nodes on radii of blades 是因為井底形狀并非是一個平面，而是和鉆頭底面 吻合的曲線形狀。通過對比可以看出在每個刀翼上 各個齒

2、作用下的節(jié)點的失效系數(shù)變化很大，折射出 各個齒對巖石的作用力也不均勻，這樣有利于在破 巖過程中降低鉆壓。1#和 3#刀翼分別在射流附近出 現(xiàn)最大失效系數(shù)值，而且該值大于其他 3 個刀翼左 右半徑節(jié)點的最大失效系數(shù)值，這說明射流對相鄰 齒的破巖影響最大。 圖 13 Fig.13 不同刀翼數(shù)鉆頭扭矩隨時間變化的動態(tài)曲線 Dynamic curves of torque of bit with different quantities of blade with time 5 鉆頭設(shè)計對巖石破碎的影響 的反作用力不同，影響了鉆頭和巖石相互作用的規(guī) 律。 分析鉆壓和扭矩的變化范圍可以看出，四刀翼 鉆頭

3、在破碎巖石的過程中鉆壓變化的范圍大于其他 2 種情況。四刀翼鉆頭和五刀翼鉆頭扭矩的最大值 5.1 刀翼個數(shù)對巖石破碎的影響分析 為了對比不同刀翼數(shù)鉆頭的破巖效率，本節(jié)分 析了三刀翼、四刀翼、五刀翼鉆頭在相同工況條件 下破巖的過程，其中三刀翼鉆頭裝配 1 個超高壓噴 嘴，四刀翼和五刀翼鉆頭分別配合 2 個超高壓噴嘴。 鉆頭的運行軌跡同上節(jié)， 以 6 mm/s 的速度向下吃進， 60 r·min 1 接近，兩者都小于三刀翼鉆頭的最大值。分析 3 種 鉆頭扭矩的變化幅度發(fā)現(xiàn)，五刀翼鉆頭的變化幅度 小于四刀翼鉆頭和三刀翼鉆頭。 圖 14 給出了巖石的破碎體積隨著時間的變化 曲線。從圖中可以看

4、出，五刀翼鉆頭破碎巖石的曲 線較為光滑，說明五刀翼鉆頭破碎巖石的規(guī)律性及 連續(xù)性強于四刀翼和三刀翼鉆頭。圖 15 為巖石破碎 比功隨時間的變化曲線。在鉆頭與巖石接觸的初始 階段，由于巖石并沒有發(fā)生破碎，鉆頭對巖石所做 功轉(zhuǎn)換成了巖石內(nèi)部的應(yīng)變能，破碎比功較大。從 該圖上可以看出，刀翼數(shù)的不同對巖石開始破碎時 間的長短影響明顯，刀翼數(shù)多的開始破碎的時間短 于刀翼數(shù)少的。幾種鉆頭破碎單位體積巖石所做的 功在開始階段波動很大，而且所需功多；當鉆頭與 巖石作用一定時間之后，幾種鉆頭所需功都趨于平 的速度圍繞 y 軸旋轉(zhuǎn)。 圖 12 為 3 種情況下鉆頭鉆壓隨時間變化的動態(tài) 曲線，圖 13 為 3 種情

5、況下的鉆頭扭矩隨時間變化的 動態(tài)曲線。鉆頭在井底的鉆進過程中，鉆壓在 0 和 25 kN 之間來回波動，扭矩在 0 和 4 kN·m 之間波動。 鉆頭和巖石的接觸需要一個過程，所以在開始階段 鉆壓和扭矩都隨著時間波動增加。筆者分析波動的 原因是：由于井底形狀不規(guī)則，巖石與鉆頭的接觸 面積不同，不同的齒在不同的時間作用在巖石上， 而且鉆頭切削齒與巖石作用的過程分成幾個階段， 在各個階段巖石變形能力不同，巖石對鉆頭 第 26 卷 巖石的破碎體積/(104 mm3 第4期 汪志明，等. 超高壓雙流道 PDC 鉆頭破巖機制研究 801 圖 14 Fig.14 巖石的破碎體積隨時間的變化曲線

6、圖 16 Fig.16 1#刀翼附近徑向節(jié)點的 失效系數(shù)/103 Variable curves of broken rock volume with time 1#刀翼附近節(jié)點的失效系數(shù)沿徑向弧長的變化 Variation of failure index of nodes along radial arc length of blade No.1 巖石破碎比功 /(10 3 J·mm 3 圖 15 Fig.15 巖石破碎比功隨時間的變化曲線 Variable curves of specific energy of broken rock with time 圖 17 3# 刀翼

7、附近節(jié)點的失效系數(shù)沿徑向弧長的變化 Variation of failure index of nodes along radial arc length of blade No.3 穩(wěn)，彼此的值大致相等。 三刀翼和四刀翼鉆頭破碎巖石時破碎塊的體積 變化大，鉆頭所受巖石反作用力的沖擊變化范圍大， 不利于鉆頭壽命的延長，而五刀翼鉆頭破碎巖石時 穩(wěn)定性要強于其他 2 種情況。 5.2 高壓噴嘴位置對巖石破碎的影響 的分布造成了影響，本文取 1#和 3#刀翼附近的失效 系數(shù)進行分析。對比圖 16，17 中 3 條曲線的失效 系數(shù)值發(fā)現(xiàn)，射流的位置不同對整個刀翼附近節(jié)點 的失效系數(shù)造成了很大影響，而且

8、對 2 個刀翼附近 的節(jié)點都造成了影響。分析徑向節(jié)點的分布規(guī)律可 知，當射流位于錐頂區(qū)時，整個徑向的失效系數(shù)較 為規(guī)則。 圖 18 為射流在 3 個不同位置時破碎巖石的體積 隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，3 種情況下 巖石破碎體積的變化不是很大，但是當高壓噴嘴處 于錐頂區(qū)時，巖石破碎的體積稍大于其他 2 種情況。 分析認為，有兩個主要因素影響 3 種情況下的巖石 破碎體積：一個是高壓噴嘴直接破碎巖石的體積受 到高壓噴嘴旋轉(zhuǎn)半徑的影響。當高壓噴嘴位于內(nèi)錐 區(qū)時旋轉(zhuǎn)半徑最小，位于外錐區(qū)時最大，但是由于 鉆頭的外錐弧度比較大，所以當高壓射流位于錐頂 在超高壓噴射 PDC 鉆頭破碎巖石的過程中，超

9、 高壓射流直接參與破巖，如何優(yōu)化切削齒和高壓射 流之間的位置關(guān)系，增加超高壓噴射 PDC 鉆頭的破 巖效率就顯得很重要。本節(jié)結(jié)合 PDC 鉆頭的結(jié)構(gòu)特 點，通過改變五刀翼鉆頭模型上 1#刀翼上超高壓噴 嘴的位置，使之分別處于 PDC 鉆頭的內(nèi)錐區(qū)、錐頂 區(qū)、外錐區(qū)，分析超高壓噴嘴位置對整體鉆頭破碎 巖石的影響。 圖 16 為 1 刀翼上的高壓噴嘴處于不同切削區(qū) 時，1 刀翼在某時刻作用巖石附近節(jié)點的失效系數(shù) 沿徑向弧長的變化曲線，圖 17 為同一時刻高壓噴嘴 位置不變的 3 刀翼附近節(jié)點的失效系數(shù)沿徑向弧長 的變化曲線。射流位置的不同對整個井底失效系數(shù) # # # 3#刀翼附近徑向節(jié)點的失 效

10、系數(shù)/103 Fig.17 ·802· 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2007 年 石表面是光滑的自由面，巖石內(nèi)部沒有應(yīng)力，隨著 巖石破碎體積/(104 mm3 時間的增大，巖石破碎緩慢增加。當鉆頭和巖石的 接觸超過一定時間后， 巖石內(nèi)部裂紋已經(jīng)發(fā)展充分， 齒和齒之間及齒和射流之間的相互影響逐漸明顯， 促使破碎速度明顯增加。隨著井底形狀的穩(wěn)定，巖 石表面成梳齒狀或階梯狀，破巖效率明顯大于鉆頭 和巖石相互作用的開始階段，鉆頭破巖的速度逐漸 穩(wěn)定。 (2 射流和鉆齒作用于巖石時， 壓應(yīng)力形成的巖 圖 18 巖石破碎體積隨著時間的變化曲線 Fig.18 Variable curves of

11、 broken rock volume with time 區(qū)時，其旋轉(zhuǎn)半徑和位于外錐區(qū)時差別不大。另一 個因素是高壓射流的沖擊位置對井底應(yīng)力的影響。 因為高壓射流的位置不同對井底應(yīng)力的分布產(chǎn)生不 同的影響，進而影響切削齒的破巖效率。當射流位 于外錐區(qū)時，射流沖擊到井底周向斜面，和鉆頭多 數(shù)齒的切削面不在一個平面內(nèi)，對多數(shù)切削齒的破 巖促進不大。而射流在內(nèi)錐或錐頂區(qū)時，射流產(chǎn)生 的應(yīng)力分布對鉆齒影響相對較大，同時在 3#刀翼還 存在一個高壓射流，聯(lián)合 2 個高壓噴嘴的作用，認 為 2 個噴嘴處于錐頂區(qū)時，更有利于促進鉆頭在井 底的共同破巖。 圖 19 顯示了射流處于 3 種不同位置時，巖石破

12、碎比功隨時間的變化曲線。 在破碎的開始階段， 巖石 破碎比功變化很大，而且高壓射流處于內(nèi)錐區(qū)時破 碎的效率大于其他 2 種情況。 隨著破碎的進行， 巖石 破碎比功趨于平穩(wěn)，3 種高壓射流不同位置鉆頭破 碎效率的大小關(guān)系發(fā)生了變化，變成了高壓噴嘴位 于錐頂區(qū)時破碎比功最小，而高壓射流噴嘴位于內(nèi) 錐區(qū)時破碎比功最大。 J·mm 3 石破碎區(qū)域在周向短而在垂直方向深；拉應(yīng)力形成 巖石破碎區(qū)域在周向長而在垂直方向淺。壓應(yīng)力破 壞區(qū)域和拉應(yīng)力破壞區(qū)域交叉出現(xiàn)，且以拉應(yīng)力破 壞為主，破壞區(qū)域沿環(huán)向成狹長狀，在鉆頭刀翼的 兩側(cè)巖石都出現(xiàn)了不同程度的破壞。 (3 由于井底形狀不規(guī)則， 巖石與鉆頭的接

13、觸面 積不同，而且鉆頭切削齒與巖石作用的過程分成幾 個階段，在各個階段巖石變形能力不同，巖石對鉆 頭的反作用力不同，影響了鉆頭和巖石相互作用的 規(guī)律。鉆頭破碎巖石的過程中，鉆壓和扭矩都是在 0 和某一定值之間波動，在開始階段鉆壓和扭矩都 隨著時間波動增加。 (4 三刀翼和四刀翼鉆頭破碎巖石的破碎塊體 積變化大，鉆頭所受巖石反作用力載荷的沖擊變化 范圍大，不利于鉆頭壽命的延長，而五刀翼鉆頭破 碎巖石時穩(wěn)定性要強于其他 2 種情況。 參考文獻(References： 1 VEENHUIZEN S D ， OHANLON T A ， KELLEY D P ， et al. Ultra-high pr

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