PDC钻头复合冲击钻进动力学研究.pdf
《PDC钻头复合冲击钻进动力学研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《PDC钻头复合冲击钻进动力学研究.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2023年第52 卷第5期第12 页文章编号:10 0 1-3 48 2(2 0 2 3)0 5-0 0 12-0 9石油矿场机械OILFIELDEQUIPMENT2023,52(5):12-20PDC钻头复合冲击钻进动力学研究邓银江1,郭正伟,魏秦文,程泽正,向荣洵(1.重庆科技学院,重庆40 13 3 1;2.重庆青山工业有限责任公司,重庆40 2 7 7 6)摘要:深部地层的环境温度高,岩石硬度大、研磨性强。采用PDC钻头常规钻井方式,钻头的破岩效率低、机械钻速慢。介绍了1种轴扭复合冲击破岩工具的结构和工作原理。建立PDC钻头破岩理论模型和数值分析模型,并进行对比分析,得出了常规钻进和轴
2、扭复合冲击钻进过程中PDC钻头的运动轨迹和岩石破碎过程应力变化规律。分析发现,复合冲击作用下岩石裂纹发生快,更容易产生体积破碎,岩石表面能够形成连续均匀的破碎坑,相比常规钻进能够提速3 0%左右。该研究为轴扭复合冲击破岩提供了理论依据,对深井油气田开发具有重要意义。关键词:PDC钻头;复合冲击工具;动力学中图分类号:TE921.107DENG Yinjiang,GUO Zhengwei,WEI Qinwen,CHENG Zezheng,XIANG Rongxun(1.Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 401331,
3、China;2.Chongqing Tsingshan Industrial Co.,Ltd.,Chongqing 402776,China)Abstract:The number of deep pumping wells in Shengli Oilfield has increased annually,and theaverage pump workover period is relatively short.One of the main reasons is the failure of thepump.In order to improve the service life o
4、f the deep sucker rod pump,the leakage of the ambi-ent temperature in the deeper formations is high and the rock is hard and abrasive.The conven-tional drilling method using PDC bit has low rock-breaking efficiency and a slow mechanical drill-ing rate.The structure and working principle of an axial
5、torsion composite impact tool wereintroduced.The theoretical model and numerical model for PDC bit breaking rock were estab-lished,and a comparative analysis was conducted to obtain the movement trajectory of PDC bitand the stress variation law of the rock-breaking process during conventional drilli
6、ng and axialtorsional composite impact drilling.It was found that under the effect of composite impact,rockcracking occurs quickly and volume crushing is more likely to occur,and continuous and uniformcraters can be formed on the rock surface,which can increase the speed by about 30%comparedwith con
7、ventional drilling.This study provides a theoretical basis for axial-torsional compositeimpact rock breaking,which is of great significance to the development of deep-well oil and gasfields.Key words:PDC bit;axial torsional impact tool;dynamics收稿日期:2 0 2 3-0 3-16基金项目:重庆市自然科学基金项目“异形单牙轮钻头破岩机理研究”(CSTC2
8、020JCYJ-MSXMX0169);重庆市自然科学基金项目“气体钻井钻具传动主轴动力学建模与安全控制研究”(CSTC2020JCYJ-MSXMX0412);重庆市教委科学技术研究项目“深井硬岩地层异形单牙轮钻头结构与性能关系研究”(KJQN202101504)。作者简介:邓银江(19 9 8-),男,硕士研究生,从事硬岩钻进提速工具研发,E-mail:。通讯作者:郭正伟(19 8 7-),男,博士研究生,硕士研究生导师,长期从事钻头与井下工具相关技术研究,E-mail:g z w cqust.edu,cn。文献标识码:AStudy on PDC Bit Compound Impact Dri
9、lling Dynamicsdoi:10.3969/j.issn.1001-3482.2023.05.002第52 卷第5期随着浅地层油气资源的枯竭,油气勘探目标逐渐进入到深部地层。据最新勘探结果,国内深层、超深层油气资源达6 7 1亿t油当量,占全国油气资源总量的3 4%;以塔里木盆地区为例,仅埋深6 0 0 0 10000m的石油和天然气资源就分别占其总量的83.2%和6 3.9%,超深层油气占全球资源总量的19%1。深地层油气资源储量丰富,但地层温度高、岩石硬度大、研磨性强,常规钻井方式出现进尺慢、钻头磨损快、憨跳严重等系列问题,造成深井油气资源得不到有效开发。PDC钻头传统破岩方式主要
10、邓银江,等:PDC钻头复合冲击钻进动力学研究具有重要意义。13可以分为岩石变形、裂纹发生、切削核形成和块体崩裂4个阶段2 ,如图1所示,由于深井中的岩石塑性较大,导致钻速降低,钻头寿命短。为提高深井硬岩地层的机械钻速,常采用复合冲击钻井技术,其实质是在常规钻井技术基础上附加冲击载荷,钻头在冲击载荷与旋转剪切力共同作用下破碎岩石。据文献调研发现,复合冲击钻井的机械钻速比常规钻井方式快2 3 倍,在中等硬度花岗岩中其机械钻速甚至能够提高7 倍以上3 ,这对于深井油气资源的开发777切削块一赫兹裂纹剪切裂纹源压缩变形区B切削力方向7/777/7/7/7切削力方向a变形柳贡慧4 等人研究了传统轴向冲击
11、钻井和扭转冲击钻井钻头匹配性差和地层适应性差的问题,在2 0 16 年首次提出了复合冲击破岩钻井技术,并对复合冲击钻井工具的结构、工作原理、破岩效率影响因素等进行了研究,提出复合冲击钻进时岩石更容易产生体积破碎。ZichenXu5等人提出一种复合冲击器,并完成了该工具设计参数下的数值模拟和试验验证,试验中该工具使平均机械钻速提高150%。闫炎6 等人研究了复合冲击作用下PDC钻头破岩效果,进行了石灰岩、花岗岩和粉砂岩常规破岩与复合冲击破岩试验,研究了转速、钻压、冲击扭矩和冲击力对PDC钻头钻进速度影响规律,得出复合冲击破岩相比常规破岩能够产生更大粒径的岩屑,破岩效率更高,且冲击扭矩、冲击力与破
12、岩效率呈正相关。彭旭7 等人研制了复合冲击螺杆钻具,扭转冲击b裂纹发生图1PDC钻头传统破岩方式4个阶段并对冲击螺杆的水力特性、复合冲击动力学特性进行研究,基于复合冲击破岩模型,得出轴向动载荷和轴向静载荷是影响破岩效果的主要因素。研究人员对复合冲击钻井技术的提速效果进行了大量研究,证明了复合冲击钻进技术能够有效提高硬岩地层钻进速度,但对于复合冲击钻进提速机理研究较少。本文提出了一种轴扭复合冲击破岩工具,如图2所示。建立了PDC钻头钻进理论模型和数值计算模型,分析复合冲击工具配合PDC钻头的轴扭复合冲击破岩机理。如图2 所示的轴扭复合冲击工具在泥浆压力驱动下,扭转摆锤周向往复运动并产生扭转冲击,
13、轴向冲锤轴向往复运动并产生轴向冲击,这2 种附加冲击载荷直接施加在PDC钻头后端,能够辅助PDC钻头高频切削岩石,进而提高钻进速度。轴向冲击c成核d块体崩裂图2 轴扭复合冲击工具结构示意图.14:1PDC钻头破岩模型1.1理论模型在一定钻压下,PDC钻头常规破岩方式主要通过刮切方式破岩。取单颗齿为研究对象,设定切削深度为恒定常数,如图3 所示。切削齿破岩过程可以分解为对岩石纯剪切破碎和沿着切削面摩擦2 个过程,刀具所受的力为作用于切削面上的力F。与作用于摩擦面上的力F,的合力,稳定切削时F。与F,都可以视为常数,F。与F,可以沿刀具运动方向(s向)及运动垂直方向(n向)进行分解,如式(1)所示
14、。FU1图3 PDC钻头切削齿破岩模型示意图F=(F,Fo)T,F,=(Ffs,Fm)T各分力可表示为:Fa=ewd,Fo=Fa,Fg=Fm,Fm=oWl(2)式中:为岩石破碎比能;Wa为切削齿有效切削面积,m;s 为切削齿运动方向特征量;为钻头与岩石间的摩擦因数;为切削齿摩擦面与岩石接触面的最大接触压力,Pa;w 为切削齿摩擦接触面积,m。钻进过程中的钻柱系统可以简化为扭转摆动模型,如图4所示。a钻柱模型图4PDC钻头钻进过程钻柱系统简化模型图4中,2 为转盘转速;L1、L分别为钻柱系统钻杆、钻长度;K1、K,分别为钻柱系统钻杆、钻等效刚度;T。为粘滑振动过程中,钻头转动时受到石油矿场机械的
15、反转矩,转动过程中该值为常数;P为转动过程钻头受到的钻压。对于钻头粘滑振动过程,其受到的反转矩可表示为:T=T。TT。+T式中:T为粘滑振动过程中,钻头转动时钻柱系统提供的切削转矩,Nm;T。十T为钻进过程中,钻头受地层的最大反转矩,Nm;T 为粘滑振动过程中,钻头静止时所受反转矩与转动时所受反转矩F。的最大差值,Nm;0为钻头旋转角度,rad。当钻头处于粘滞状态时,钻柱系统可以等效为1扭摆模型,故钻头运动方程可以表示10 为:dt?式中:J为钻柱系统等效转动惯量,kgm;K 为钻柱系统等效刚度,(Nm)/rad。根据钻柱系统模型,钻柱系统等效转动惯量J及等效刚度K可以表示为:(1)J=pl,
16、L,+pl,L2GIK=式中:p为钻柱材料密度,kg/m;I 1、I 2 分别为钻柱系统中钻杆、钻的截面极惯性矩,m;L1、L分别为钻柱系统中钻杆、钻的长度,m;G 为钻柱材料剪切模量,Pa。其中,钻杆、钻的截面极惯性矩可表示为:I,=(D,-di)32元(D,4-d2)I2=332式中:D1、d 和D2、d 分别为钻杆的外径、内径和K钻链的外径、内径,m。钻柱粘滑振动是周期性变化过程,假设在t=0时刻,钻头开始滑脱,此时钻柱提供给钻头的转矩一定大于钻头受到的岩石阻力,所以对于式(4)有如下K初始条件。T。一Pb简化模型2023年9 月do0)dtdo0)dt-T+K(Qt-)二(T。+T)0
17、l=0=二Kdo(/=0=0由式(4)得出钻头在该初始条件下的运动方程为:Tcos(ot-9)+at-KT0(t)=(9)K.cos式中:w为钻柱系统角频率,rad/s;为相位角,rad。KWo=厅(3)(4)(5)(6)(7)(8)(10)第52 卷第5期tang=zT Wo对式(9)求导,得出钻头转速方程:d0=T:sin(wot-90)+?dtK cosp假设滑脱过程持续时间为t1,即有:dodz l=1=0得出滑脱持续时间t与钻柱系统参数之间的关系,以及t时刻钻头角位移。ti=元+2 4AT-T(ti):+t1K当摩擦力矩再次达到上限,钻头停止转动,此时可由周期性粘滑平衡求解粘滑周期T
18、,。T+T=QT,-0(ti)K联合式(11)、式(14)、式(15)、式(16)得出该系统粘滑振动周期T,。T,=2+&+L2元得到常规钻井PDC钻头扭转振动动力学方程式:AT:%sin(ot-9)+0.0tdK cosOdtlo,titT.d700d242170邓银江,等:PDC钻头复合冲击钻进动力学研究K(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)元tang(18)22015复合冲击器主要是为钻头提供轴向和周向冲击载荷,改变钻头原有破岩方式。由于PDC钻头传统破岩方式不存在轴向冲击,因此钻头轴向冲击频率等于复合冲击器的轴向冲击频率。但是,在周向由于钻头存在粘滑振动,复合冲击器
19、的扭转振动会改变原有钻头的粘滑振动。1.2数值分析模型PDC钻头破岩过程十分复杂,其运动轨迹受岩石属性、地层压力、钻柱长度及井底流场等因素影响。本文主要研究轴扭复合冲击破岩,对模型进行合理简化9 ,做出以下基本假设:1)岩石为均质各向同性材料,不考虑岩石内部原始裂纹和孔隙压力的影响。2)忽略钻头磨损及变形,将钻头定义为刚体。3)忽略温度及井底流场对破岩过程的影响。4)岩石脱落后立刻消失,忽略岩屑二次破碎。利用三维建模软件建立钻杆一钻头一岩石几何模型,钻头直径为2 40 mm(9%in)。根据常用钻柱尺寸组合10 7,取钻链直径17 7.8 mm(7in),钻杆直径12 7mm(5 in)。为减
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- PDC 钻头 复合 冲击 钻进 动力学 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。