激光-PDC钻头联合破岩机理及特性研究

随着我国油气勘探逐步向深层、超深层和复杂难钻岩层转移,现有的机械钻头存在着破岩效率低及作业成本高等问题。因此,提出了一种新型激光-PDC钻头,以实现高效破岩和节能降耗。采用有限元方法,基于岩石HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型,建立了激光-PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头联合破岩非线性动力学模型,开展了激光-PDC钻头联合破岩仿真研究。仿真结果表明:激光的辐射作用使岩石表面受辐射区域产生了较高的温度和较大的预应力,进而在岩石表面形成了相互贯穿的损伤带,降低了岩石强度,更有利于切削齿破碎岩石;与无激光单PDC钻头相比,激光-PDC钻头在破岩过程中受到的反扭矩降低了24.8%,钻头轴向加速度波动幅度降低了10.5%,钻进位移增加了8.67 mm,钻进速度提升了112.79%。搭建了激光-机械联合破岩实验台架,进行了激光-PDC钻头联合破岩实验。实验结果表明,激光-PDC钻头联合破岩有着更好的钻进稳定性和连续性,大大提高了破岩效率。研究结果为激光-机械破岩技术的发展和应用提供了一定的理论支撑和技术支持。