论文部分内容阅读
PDC钻头是石油钻井行业常用的一种钻井工具,其基于钻压低、钻速高和定向性能好等优点,成为了石油钻井领域中的主力钻头。然而,当钻遇复杂难钻地层时,PDC钻头极易失效,主要表现为钻头切削齿的整体崩裂、冲击剥落和过度磨损,这必将延长钻井周期,极大增加钻井成本,不能满足钻井提速增效的发展要求。其中,导致PDC钻头失效的最主要原因之一就是钻进过程中钻头所受侧向力不均。目前,传统的PDC钻头侧向力平衡布齿设计中没有考虑切削齿的磨损,而磨损一旦发生,其刮削岩石的切削几何参数势必发生变化,PDC钻头所受的侧向力也必将变化,钻头原有的力学平衡状态将会被打破,钻头振动加剧,更会加快PDC钻头的失效。因此,开展“基于切削齿动态磨损的PDC钻头侧向力平衡分析与布齿优化设计”研究对延长钻头寿命、提高钻井效率显得尤为重要。该研究的主要内容和成果如下:(1)考虑磨损的切削齿切削几何参数研究建立了 PDC钻头全新切削齿和磨损切削齿的几何模型,并分析了切削齿在破岩过程中的数学表述方法,研究了切削齿相互影响破岩下与岩石相接触的切削弧长、切削面积等切削几何参数,创立了求解切削几何参数的零点遍历算法,该算法与Pro/E建模法的相对误差仅为0.035%,所建立的PDC切削齿数学模型以及求解算法为后续的研究工作奠定了基础。(2)侧向力影响因素敏感性研究开展了切削齿动态磨损对PDC钻头侧向力影响规律的研究,发现,在钻进过程中,随着切削齿的逐渐磨损,侧向力不断增大,侧向力与钻压比值不断上升并超过5%,影响PDC钻头的稳定钻进,不符合比值小于5%的侧向力平衡布齿设计原则;侧向力对切削齿磨损以及布齿参数的敏感性分析表明,PDC钻头侧向力对切削齿的磨损量敏感性最强,不考虑切削齿的动态磨损来对PDC钻头进行布齿设计是不太符合实际情况的。此外,PDC钻头的侧向力对切削齿的周向角,径向位置,前倾角,侧转角等布齿参数也有一定的敏感性。(3)开展了 PDC钻头侧向力平衡布齿优化设计研究确定了考虑切削齿动态磨损的侧向力平衡布齿优化设计的数学模型,并采用优化拉丁超立方试验设计方法和克里金代理模型理论对优化设计数学模型进行了简化,采用粒子群法对模型进行求解并得到了最优化的侧向力平衡布齿结构,初步分析表明,拥有“考虑切削齿动态磨损的侧向力平衡布齿结构”的PDC钻头,在切削齿动态磨损的整个过程中,均具有较小的侧向力,提高了 PDC钻头的钻进稳定性,符合侧向力平衡布齿设计原则,这对PDC钻头的稳定破岩具有重要意义。(4)PDC钻头侧向力数值模拟研究采用Abaqus有限元仿真平台,对布齿优化设计前后的PDC钻头进行了侧向力平衡特性仿真分析。研究表明:随着切削齿的逐渐磨损,没有考虑切削齿动态磨损的PDC钻头所受的侧向力变大,波动幅值也有所增大,这会造成PDC钻头振动加剧,影响钻进效率;而考虑切削齿动态磨损所设计出的PDC钻头在切削齿不断磨损的情况下,始终能保持较小的侧向力,且波动幅值较小,符合侧向力平衡布齿设计原则,验证了布齿优化设计结果的合理性。(5)PDC钻头侧向力试验研究加工制作了 2个PDC微钻头,分别为常规布齿设计下的常规PDC微钻头和考虑切削齿动态磨损布齿设计下的新型PDC微钻头。对两只钻头进行破岩试验,试验结果表明:在未磨损时,两只微钻头均具有较好的侧向力平衡水平;磨损后,常规微钻头的侧向力不再保持平衡,而新型微钻头始终符合侧向力平衡布齿设计要求;此外,PDC钻头的受力模型与实测值的误差在8%以内;验证了考虑切削齿磨损的侧向力平衡布齿优化设计方法可应用在实际的钻头布齿设计中。(6)PDC钻头布齿优化设计辅助软件开发研发了一套“PDC钻头布齿优化设计辅助软件”,该软件主要具有零点遍历法校验、牙齿与岩石接触分析、破岩时钻头受力分析以及代理模型参数调试等功能,其辅助了PDC布齿优化设计工作的开展,提高了布齿优化设计的效率。