锥形PDC齿破岩机理研究与新型钻头研制

摘要

钻井速度慢是制约深井超深井硬地层油气藏勘探开发速度和效益的主要技术瓶颈之一，现有钻井破岩方法普遍存在钻进速度低，使用寿命短的问题。犁切型 PDC （Polycrystalline Diamond Compacts）钻头的切削元件采用异于PDC复合片的锥形PDC齿，已在国内外实验室及一些现场硬岩试验中取得了很好的破岩效果，但其前倾角破岩机理及破岩规律尚不明确，大大制约了锥形 PDC 齿的推广应用。因此，本课题针对上述问题，通过理论、数值模拟与试验研究，优化设计并研制了新型锥形 PDC 齿，揭示了锥形 PDC 齿的破碎机理，阐明其破岩规律，完善犁切型破岩理论，并设计加工了犁切型PDC钻头进行现场试验，为硬地层钻井提供一种高效破岩工具。 通过单齿破岩试验、冲击试验、磨损试验和数值模拟，分析了锥形PDC齿的结构参数对其吃入能力、抗冲击性能、耐磨性和结构强度的影响规律，优选出锥形PDC齿的结构参数和材料配方，研制出综合性能较好的锥形PDC齿，为硬岩钻井提供了一种新型破岩元件。 利用有限元显式动力学软件LS-DYNA对锥形PDC齿破岩过程进行了数值模拟，分析了锥形PDC齿破岩过程中岩石裂纹萌生、起裂的过程和应力状态变化规律。研究表明，锥形PDC齿破岩以拉伸破坏为主。与PDC复合片压剪破岩机理相比，锥形PDC齿更能有效破碎硬岩。 通过变切削角、变钻压破岩试验，分析了切削角和钻压对锥形PDC齿破岩效率的影响规律，优选出锥形PDC齿的最优切削角。对比分析了硬岩中钻压对锥形PDC齿与PDC复合片的破岩效率的影响规律，为布齿设计提供了理论依据。设计并加工了不同布齿方式的试验钻头，通过室内台架试验，得到了不同布齿方式对钻头破岩效率的影响规律。 综合取得的研究成果，设计并加工了锥形PDC齿与PDC复合片混合布置的新型钻头，具有切削和犁削双重破岩作用。下井试验3井次，成功地钻穿了富含沙砾岩软硬交错的非均质性地层，无论是与临井 PDC 钻头和牙轮钻头相比，还是与同井牙轮钻头相比，试验钻头的进尺及平均机械钻速都有较大幅度的提高，取得了较好的效果。

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