激光-PDC钻头联合破岩机理及特性研究.pdf
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1、第 30 卷第 3 期2023 年 6 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.3Jun.2023激光-PDC钻头联合破岩机理及特性研究黄志强,梁耀文,陈科,翟预立,雷雨薇(西南石油大学 机电工程学院,四川 成都 610500)摘 要: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(polycrys
2、talline 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
3、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。关键词:激光-PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头;联合破岩;激光辐射;破岩特性中图分类号:TE 242.9;TN 249 文献标志码:A 文章编号:1006-754X(2023)03-0315-10Research on the mechanism and characteristic of joint rock-breaking of laser-PDC drill bit HUANG Zhiqiang,LIANG Yaowe
4、n,CHEN Ke,ZHAI Yuli,LEI Yuwei(School of Mechatronic Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)Abstract:With the gradual shift of oil and gas exploration to deep,ultra-deep and complex rock formations,the existing mechanical drill bits have the problems of low rock breaking effi
5、ciency and high operating cost.Therefore,a new type of laser-PDC(polycrystalline diamond compact)drill bit was proposed to achieve efficient rock-breaking and energy-saving and cost-reducing.Using finite element method and based on the HJC(Holmquist-Johnson-Cook)constitutive model of rock,a nonlinea
6、r dynamic model of laser-PDC drill bit joint rock-breaking was established,and simulation research on laser-PDC drill bit joint rock-breaking was conducted.The simulation results showed that the radiation effect of laser generated higher temperature and greater prestress in the radiated area of rock
7、 surface,which in turn formed interpenetrating damage zones on the rock surface,reduced the strength of the rock,and was more conducive to cutting teeth to break the rock;compared with non-laser single PDC drill bit,laser-PDC drill bit experienced a 24.8%reduction in anti-torque during rock breaking
8、,a 10.5%reduction in axial acceleration fluctuation,an increase in drilling displacement of 8.67 mm,and an increase in drilling speed of 112.79%.A laser-mechanical joint rock-breaking experimental bench was built to conduct laser-PDC drill bit joint rock-breaking experiment.The experimental results
9、showed that doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.032收稿日期:20220815 修订日期:20220903本刊网址在线期刊:http:/ 30 卷 laser-PDC drill bit joint rock-breaking had better drilling stability and continuity,greatly improving the rock-breaking efficiency.The research results can provide theoretical and technical support f
10、or the development and application of laser-mechanical rock-breaking technology.Key words:laser-PDC(polycrystalline diamond compact)drill bit;joint rock-breaking;laser radiation;rock-breaking characteristic随着国民经济的快速发展,我国对石油天然气的需求量迅速上升,2021年我国原油和天然气的对外依存度已分别达到72%和43.7%,这严重威胁着我国的能源安全1。目前,石油勘探逐渐面向深部、超深
11、层、复杂难钻岩层和非常规岩层,现有的机械钻头在钻井时易磨损,破岩效能低下,钻井速度慢,钻井成本高2。因此,迫切需要新的破岩钻井技术和装备,以大幅度提高破岩效率,提升钻井速度,降低钻井成本,加快油气探勘、开采步伐。激光破岩钻井作为一项全新的钻井技术,彻底改变了传统的旋转钻井方法,大大提高了破岩钻井效率,有着巨大的应用空间3。自1968年Moavenzadeh等4提出用激光能量击碎岩层和钻井的构想以来,国内外开展了大量研究工作。如:Xu等5进行了激光与岩石作用的实验研究,结果表明,激光作用于岩石所产生的热应力能够使岩石裂纹扩展、剥落;Bazargan等6通过物理实验证明了激光钻头外加普通钻头钻小井
12、眼孔的可能性;Batarseh等7-9设计了一种激光喷砂射孔的工具,并进行了激光喷砂射孔室内实验,证实了激光喷砂射孔技术在增大渗透率、提高喷砂射孔深度、净化工作环境等方面具有独特的优势;易先中等10-12开展了激光破岩与射孔技术、激光破岩排屑原理及激光破岩温度场特征的研究,试验结果表明,在激光作用下,岩石存在热碎裂、汽化以及熔融等多种破坏方式,在激光热影响区周围的岩石上会形成釉化层并出现细微裂纹;李密等13进行了激光破岩理论分析和数值模拟,结果表明,采用激光钻井技术后,钻孔速率远高于常规的机械旋转钻井;苏芮等14通过实验论证了岩石热破碎技术是目前效能最大的破岩技术,并提出应将激光作用于最佳热破
13、碎区域,以提高破岩效率;李美艳等15-17开展了激光功率对砂岩破碎比能和穿孔速率影响的实验研究,同时分析了砂岩在激光作用下裂纹形成的机制;邓嵘等18构建了线形激光温度场传热模型,采用仿真与试验相结合的方法研究了线形激光在移动条件下的破岩规律。受限于激光有限的传输距离及井下复杂条件,当前的激光破岩技术还不能直接应用于井下钻井。因此,激光破岩技术与传统的机械旋转钻井技术相结合,激光-机械联合破岩是激光钻井技术的主要发展方向19。美国 Foro 公司20-21研制了一种直径为88.9 mm的激光-机械钻头,并进行了现场试验。德国多家机构22-23合作开发激光喷射复合钻井技术,发明了一种“多管中管”钻
14、具组合,利用管中空气和清水的喷射作用,实现了激光光束与泥浆的分离,从而使激光破岩技术应用于泥浆钻井中。日本东京大学24-25也研制了一种激光-机械混合钻头,在钻头端部中心布置了一排切削齿,切削齿两侧的中空区域分别为激光通道和排屑通道,实现了激光随钻头而旋转辐射。西南石油大学研制了一种室内试验用的小型激光-机械钻头,实现了机械钻头与线形激光协同破岩。目前,采用激光-机械联合破岩技术的相关破岩工具尚在初步研究中,激光-机械联合破岩的仿真及试验大多集中在激光与岩石相互作用方面,对于激光-机械联合破岩过程及破岩特性尚未有较为全面的研究。因此,作者提出将激光辐射作用与传统PDC(polycrystall
15、ine diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头切削作用有效结合,设计了一种新型激光-PDC钻头,实现了椭圆形激光光束与PDC切削结构协同破岩,并采用有限元法,开展了激光-PDC钻头联合动态破岩仿真研究,用岩石损伤状态和钻头运动情况来揭示其破岩特性,以期为激光-机械联合破岩技术的发展和应用提供理论指导。1 激光-PDC钻头的设计 激光-PDC钻头整体采用适用于实际工况的直径为 215.9 mm的六刀翼钻头和直径为 16.0 mm的PDC切削齿,通过合理布齿,实现激光光束与切削结构的协同破岩。激光-PDC钻头的结构如图1所示,其主要由钻头柄、钻头头部、保径齿、排屑槽、切削齿、流道和
16、激光通道等组成。在激光-机械联合破岩过程中,激光光束的形状不同,则其作用范围和破岩效果不同。当光束面积相同时,旋转辐射1周后椭圆形光束的覆盖面积远大于圆形光束的覆盖面积。因此,设计激光光束为长半轴a=20 mm,短半轴b=1 mm的椭圆形光束,316第 3 期黄志强,等:激光-PDC钻头联合破岩机理及特性研究且光束中心偏离钻头中心的距离为50 mm。椭圆形光束辐射示意图如图2所示。根据选定的激光光束形状,为了保证钻头内部有足够的激光辐射空间,且考虑到钻头整体受力情况,将钻头内部设计为燕尾槽形通道。设定激光光束长半轴方向与激光通道长度方向平行,短半轴方向与激光通道长度方向垂直,使在钻头钻进过程中
17、激光光束的传播路径不会与钻头内部结构发生干涉,实现光的传播。激光-PDC钻头的激光通道如图3所示。2 激光-PDC钻头联合破岩模型的建立 利用三维设计软件Creo构建直径为215.9 mm、激光通道的宽度为15 mm的六刀翼激光-PDC钻头几何模型,并结合三维岩石实体构建联合破岩非线性动力学有限元模型。采用带沙漏控制功能的八节点线性六面体减缩积分单元(C3D8R)对岩石进行网格划分和离散处理,采用四面体单元(C3D10M)对钻头进行网格划分,分别进行时长为3 s的无激光单PDC钻头破岩和激光-PDC钻头联合破岩动态仿真。激光-PDC 钻头联合破岩有限元模型如图 4所示。2.1激光热源模型由高斯
18、分布点光源圆柱模型可得激光点光源能量密度分布函数方程:I(r)=kQR2exp(-kr2R2)(1)式中:r为激光辐射区域内任意一点到光斑辐射中心的距离;I(r)为半径为r处的激光能量密度;k为功率集中系数;Q 为激光功率;R 为点光斑作用半径。为了增强激光的辐射作用,采用椭圆形激光光束双边作用的方式。激光布置方式及激光与切削齿的耦合关系分别如图5(a)和图5(b)所示。假设光斑中心过直角坐标系的原点,激光能量近似服从高斯分布,则可由式(1)推导出椭圆形光束能量密度分布方程:I(r)=kQabexp(-kx2a2-ky2b2)(2)根据式(2),利用MATLAB软件可模拟激光光束的能量分布,如
19、图 6 所示。其中,取 k=2,Q=10 kW,a=20 mm,b=1 mm。2.2基本假设全钻头破岩是一个十分复杂的过程。仿真时忽图1激光-PDC钻头的结构Fig.1Structure of laser-PDC drill bit图2椭圆形光束辐射示意图Fig.2Schematic diagram of elliptic beam radiation图3激光-PDC钻头激光通道示意图Fig.3Schematic diagram of laser channel for laser-PDC drill bit图4激光-PDC钻头联合破岩有限元模型Fig.4Finite element mode
20、l of laser-PDC drill joint rock-breaking 317工程设计学报第 30 卷 略其次要因素,只考虑主要因素,对破岩仿真作出以下假设:1)岩石是连续的各向同性材料,忽略岩石材料中初始裂纹和孔隙压力对破岩的影响26;2)钻头的硬度远大于岩石材料,故假设钻头为刚体,并且不考虑钻头在破岩过程中的磨损26;3)岩石单元完全损坏后即从岩石基体中移除,不参与二次破碎,同时不影响激光的持续作用;4)不考虑岩石在激光作用下固态相变时的相变潜热,且不考虑循环介质对岩石热传导的影响;5)忽略切削过程中切削热的影响;6)不考虑钻进过程中被钻进岩体处的应力状态。2.3边界条件与载荷设
21、置仿真中将静态钻压直接施加于钻头顶部区域,在岩石模型的下表面和侧面施加固定约束;限制钻头X和Y向的平移和旋转,定义钻头在Z向(钻进方向)的钻压和转速。设置参数如下:环境温度T0=25,Q=10 kW,k=2,a=20 mm,b=1 mm,钻压为10 kN,钻头转速为30 r/min。2.4岩石的本构模型在激光辐射岩石的过程中存在岩石损伤积累,因此要求材料具有损伤演化的特性,以真实反映岩石损伤过程,模拟岩石块体的整体破裂情况。同时,在激光-PDC钻头钻进过程中,须考虑冲击载荷,因此应变率效应对岩石强度的影响不可忽略。HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型的参数定义较为方便
22、,并且在模型中包含了损伤累积因素和应变率效应对岩石强度的影响,是较为理想的岩石动态本构模型,因此本文选用该模型来描述岩体本构关系。HJC强度模型如图7所示。其表达式为27:*=A(1-D)+Bp*N(1+Cln*)(3)式中:*=/fc Smax,为特征化等效应力,其中为实际等效应力,fc为准静态单轴抗压强度,Smax为材料所能达到的最大特征化等效应力;D为损伤变量;p*=p/fc,为特征化压力,其中p为单元内的静水压力;*为特征化应变率,*=1.0 s-1为参考应变率;C为应变率影响参数;A、B、N和Smax统称为极限面参数,其中A为特征化黏性强度系数,B为特征化压力硬化系数,N为压力硬化指
23、数。HJC损伤模型由等效塑性应变和塑性体积应变两种损伤模型组成,如图8所示。其表达式为27:D=p+pfp+fp(4)图5激光布置方式及激光与切削齿的耦合关系示意Fig.5Schematic diagram of laser layout and coupling relationship between laser and cutting teeth图6椭圆形激光光束的能量分布Fig.6Energy distribution of elliptical laser beams图7HJC强度模型Fig.7HJC strength model 318第 3 期黄志强,等:激光-PDC钻头联合破岩
24、机理及特性研究fp+fp=D1(p*+T*)D2 Efmin(5)式中:p、p分别为1个计算循环内单元的等效塑性应变增量和塑性体积应变增量;fp+fp为当前积分步下的塑性应变;T*=T/fc,为材料所能承受的最大特征化拉伸应力,其中T为材料拉伸强度;D1、D2均为损伤常数;Ef min为材料断裂时的最小塑性应变,用来控制拉伸应力波导致的材料脆性开裂。岩石选用川渝地区中细粒黑云母花岗岩,其热物理性能及力学性能的参数见表1。根据表1数据,可求得花岗岩 HJC 本构模型的参数,如表 2所示。3 钻头钻进过程仿真 3.1钻进过程中岩石表面温度场分析激光-PDC钻头钻进过程中岩石表面温度云图如图9所示。
25、由图可知:在01 s内激光随钻头以旋转的方式辐射岩石表面,激光辐射区域内岩石表面温度呈现中间高、边缘低,在岩石表面形成同心的温度圆环,岩石表面峰值温度达到735,同时,齿的刮切影响了岩石表面温度场分布;在12 s内,激光持续对岩石表面进行辐射,岩石受到激光的二次辐射,中心峰值温度显著提高,达到1 200 以上,致使岩石受到进一步损伤,伴随着切削齿的刮切作用,激光辐射区域的岩石块体大面积崩落,裸露出新的岩石表面;激光辐射2 s后,岩石表面峰值温度较之前无明显升高,温度场继续保持同心圆形状,受激光持续辐射及切削齿的切削作用,岩石温度总体上达到动态平衡。相比于无激光单PDC钻头破岩,激光-PDC钻头
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