分离式冲击-刮切复合钻头破岩机理及钻进破岩研究

随着油气勘探开发的不断深入,传统PDC钻头在深部地层钻进过程中的黏滑、回弹震荡等问题愈加突显,为此提出一种新型冲击-刮切复合PDC钻头,并基于该钻头分离式冲击-刮切的工作原理,开展了单元齿冲击、单元齿切削以及冲击-刮切复合破岩的试验与数值模拟。结果表明,冲击齿冲击岩石产生冲击坑,使冲击坑7 mm范围内岩石强度显著降低,同时可降低切削齿所需切削力,形成了较大切削岩屑,并影响冲击坑附近应力分布。同时基于正交试验,对冲击参数和切削参数的敏感性进行分析,探究各因素对冲击-刮切复合破岩的影响规律,结果表明影响较大的因素分别是冲击位置、切削速度、冲击齿类型以及切削深度。采用全尺寸钻头对比分析常规PDC钻头和复合钻头破岩井底形貌,发现复合钻头井底破碎体积更大。研究内容对研制和应用新型冲击-刮切复合PDC钻头具有重要参考价值。

冲-切混合钻头工作动态分析与破岩效率研究

针对现有钻头在深部复杂难钻地层的破岩效率低的问题,本文提出冲击-刮切分离式混合钻头,冲击齿与PDC齿相互独立工作。通过有限元分析得出冲击齿先对岩石预损伤,弱化岩石性质,再依靠PDC刮切岩石,钻头通过冲击-刮切的方式切削地层,仿真结果表明,冲切方式的破岩的最大轴向力和最大切削力都有所减小,平均轴向力减小34.93 N,降低12.1%,平均切向力减小26.09 N,降低9.1%,降低PDC齿破碎比功,从而提高混合钻头的破岩效率。根据混合钻头切削齿运动特点,运用复合坐标系统分析切削齿与钻头的几何关系,进而建立切削齿的速度、加速度以及动力学方程,通过MATLAB软件来模拟混合钻头的切削齿破碎岩石的动态过程,并得到混合钻头的井底形貌以及切削齿的切削截面、切削体积、切削力等参数,为新型混合钻头的研发提供了理论基础。