本文摘要：摘要：為了研究PDC-牙輪混合鉆頭的破巖過程及其鉆進軟硬交錯地層時的工作特性，根據Drucker-Prager準則構建軟硬交錯巖石模型，并對混合鉆頭和傳統PDC鉆頭進行鉆進仿真對比分析。結果表明：鉆進過程中距井眼軸心約2/3井眼半徑部位的巖石所受應力較大;在軟硬交錯地層中，
摘要：為了研究PDC-牙輪混合鉆頭的破巖過程及其鉆進軟硬交錯地層時的工作特性，根據Drucker-Prager準則構建軟硬交錯巖石模型，并對混合鉆頭和傳統PDC鉆頭進行鉆進仿真對比分析。結果表明：鉆進過程中距井眼軸心約2/3井眼半徑部位的巖石所受應力較大;在軟硬交錯地層中，混合鉆頭比PDC鉆頭的機械鉆速高28.8%、鉆速波動值低27.0%、徑向載荷峰值低27.6%。混合鉆頭利用PDC切削齒與牙輪切削齒進行協同破巖，相比PDC鉆頭能夠更加快速、穩定地鉆進軟硬交錯地層。
關鍵詞：混合鉆頭;PDC鉆頭;破巖特性;軟硬交錯地層;Drucker-Prager準則;機械鉆速
隨著世界油氣開采規模的逐步擴大，部分易開采油氣資源已被開發殆盡，而軟硬交錯、非均質等復雜地層中的油氣還有很大開采空間[1]，但由于軟硬交錯等復雜地層巖石性質特殊且環境復雜多變，傳統鉆井工具在應對此類地層時顯現出諸多不足，因此綜合傳統牙輪鉆頭與聚晶金剛石復合片(PDC)鉆頭優勢的PDC-牙輪混合鉆頭近年來被大規模使用并且效果良好[2-5]。由于混合鉆頭屬于一種新型鉆井工具，業內人士對其工作特性與破巖過程還認識不足，這不利于產品的設計優化與創新，因此對混合鉆頭在復雜地層中的破巖特性進行研究就顯得尤為重要。
石油論文范例： 石油化工劣質重油延遲焦化工藝分析
李琴等[6-7]研究了硬地層中復合鉆頭的破巖特性與提速機理，認為以拉應力破巖是復合鉆頭在硬地層中能夠大幅提升機械鉆速的原因之一;鄧嶸等[8-9]分析了混合鉆頭牙輪切削齒與PDC切削齒的相對高度對鉆頭性能的影響，并且討論了混合式單牙輪鉆頭的破巖性能;Niu等[10]設計制造了結構參數可調的可拆卸復合式鉆頭實驗裝置，并對不同工況進行鉆進實驗，結果顯示牙輪切削齒的引入有利于提高PDC切削齒在堅硬地層中的穿透能力;吳澤兵等[11-13]針對混合鉆頭的破巖特性以及鉆進溫度場等展開了相關研究;Huang等[14]通過單元實驗建立了混合鉆頭切削載荷模型，比較分析了單獨的牙輪切削結構、PDC切削結構與復合切削結構的工作載荷特性。
以上文獻大多針對混合鉆頭鉆進堅硬地層的工況，而對于混合鉆頭鉆進軟硬交錯地層的破巖特性研究還比較少見。為此，本文基于有限元分析法和巖石力學基礎理論建立軟硬交錯地層的巖石動態本構模型，并分別采用混合鉆頭與傳統PDC鉆頭模型對鉆頭破碎軟硬交錯地層過程進行有限元仿真，同時根據井眼應力分布、井底形貌、機械鉆速以及載荷等仿真結果分析了混合鉆頭對軟硬交錯地層的破巖特性，以期為混合鉆頭的推廣應用提供參考。
1巖石動態本構模型
巖石動態本構模型是影響混合鉆頭破巖仿真結果準確性的重要因素，常用的有Mohr-Cou-lomb模型(簡稱M-C模型)和Drucker-Prager模型(簡稱D-P模型)等[15-16]。D-P模型是在M-C模型和Mises準則基礎上擴展和推廣而得的[17]。相對于M-C模型而言，D-P模型同時考慮了靜水壓力與中間主應力的影響，因而計算效率較低，但計算精度明顯較高[18]。為了更準確地描述巖石被鉆進時的破壞狀態。
2鉆頭破巖仿真模型
2.1基本假設
為便于混合鉆頭破巖仿真計算，本文忽略井底高溫、高壓等次要因素，并做如下假設：(1)不考慮鉆頭體的變形和應力分布，假設鉆頭為剛體;(2)假設同性質巖石為均勻、各向同性材料，不考慮巖石中原生裂紋的存在;(3)巖石失效后立刻移除，不影響后續鉆進過程;(4)假設巖石底部為無窮遠處，為完全固定約束;(5)忽略井底溫度場、流場變化對鉆進過程的影響。
2.2模型的建立
應用有限元軟件建立直徑相同的三牙輪-三刀翼混合鉆頭、六刀翼PDC鉆頭分別與圓柱狀軟硬交錯地層巖石裝配的實體模型，如圖3所示，其中巖石模型被分為厚度均勻的四層，從上向下第一、三層為軟質巖石，第二、四層為硬質巖石，組合形成軟-硬-軟-硬交錯地層巖石模型。
硬質巖石為玄武巖，軟質巖石為砂巖。鉆頭模型較為復雜，故采用四面體單元(C3D10M)進行網格劃分，并在鉆頭與巖石主要接觸的局部細化網格，混合鉆頭網格數目約為38.2萬個，PDC鉆頭網格數目約為27.8萬個。巖石模型結構規則，因此采用帶沙漏控制的八節點線性六面體減縮積分單元(C3D8R)對巖石進行網格劃分，網格數目約為47.3萬個。
2.3約束與邊界條件
在混合鉆頭的三條牙輪軸線上分別設置參考點，與牙輪對應的剛體約束點進行鉸連接設置，并將三個牙輪參考點與鉆頭主體參考點進行耦合約束。將巖石底部作為遠離鉆頭的無窮遠處，施加完全固定約束條件。在仿真過程中，約束鉆頭X和Z方向的平移和轉動，僅保留鉆頭沿Y方向鉆進與旋轉的自由度。對鉆頭施加55kN的鉆壓和10kN·m的扭矩。
3仿真結果與分析
3.1井底巖石應力-應變分析在破巖分析中，巖石等效塑性應變值大于0時即表示巖石單元已經屈服。但此時巖石單元并不會完全破碎脫落，而是發生不同程度的塑性變形，直到巖石單元受外力作用產生的塑性應變達到一定值時，巖石單元才會完全失效并從巖體上脫落。巖石經混合鉆頭破碎后的等效塑性應變云圖。
巖石單元完全失效的等效塑性應變值為0.02215%，因此當巖石單元受外力產生的塑性應變達到該值時，巖石單元發生失效并從巖體脫落，從而形成井眼;同時根據塑性應變分布可知，混合鉆頭鉆進過程中，巖石塑性變形僅發生于井底與井壁周圍，遠離井眼的部分幾乎沒有塑性變形，這表明混合鉆頭鉆進時不會對遠離井眼的巖石造成影響，從而避免了井壁倒塌的可能。
3.2混合鉆頭破巖特性分析
井底形貌圖能夠準確反映鉆頭的工作特性。從中可見刀翼上鑲嵌的PDC切削齒持續刮削形成的環狀溝槽。混合鉆頭鉆進形成的井底形貌，從中可見PDC切削齒刮削形成的環狀溝槽與牙輪切削齒沖擊形成的破碎坑。結合分析和鉆頭破巖過程分析可知：在破巖過程中，PDC鉆頭主要利用六條刀翼上鑲嵌的PDC切削齒持續旋轉刮削進行破巖，此時PDC切削齒刮削過的巖石會產生裂紋，未被切削到的巖石部分依然保持原有屈服強度，進巖石地層，使得巖石單元不斷破碎并從巖體脫落，隨著鉆頭吃入巖石深度的增加，鉆頭在軟硬交錯地層中逐漸形成井眼。
混合鉆頭破巖時巖石的Mises應力主要集中在距井眼軸心約2/3井眼半徑的部位，這表明混合鉆頭鼻部和肩部破碎巖石的能力更強。結合應力集中情況可知，混合鉆頭在鉆進過程中主要依靠牙輪切削結構與鉆頭鼻部和肩部的PDC切削結構共同對鼻部和肩部巖石進行破碎，相對于傳統的PDC鉆頭而言，混合鉆頭中的牙輪切削結構有效地增強了混合鉆頭破碎巖石的能力。
4結論
(1)混合鉆頭鉆進巖石時，應力主要集中在距井眼軸心約2/3井眼半徑的部位，對遠離井眼部分巖石影響較小，牙輪切削結構有效增強了混合鉆頭鼻部和肩部區域的破巖效果。(2)PDC鉆頭鉆進巖石形成的井底形貌為環狀溝槽;混合鉆頭鉆進巖石形成的井底形貌為環狀溝槽與破碎坑，混合鉆頭中的牙輪切削齒與PDC切削齒共同吃入巖石，使巖石產生裂紋，降低了巖石強度，能達到更好的破巖效果。
(3)鉆進軟質巖石地層時，PDC鉆頭比混合鉆頭的機械鉆速要高;鉆進軟硬交錯巖石地層時，與PDC鉆頭相比，混合鉆頭的機械鉆速提高了28.8%，鉆速波動值減小了27.0%。(4)混合鉆頭鉆進軟硬交錯地層時所受徑向載荷峰值比PDC鉆頭的徑向載荷峰值低27.6%，從而降低了混合鉆頭發生鉆進偏移的可能性，并能有效延長鉆頭使用壽命。
參考文獻
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作者：鄧思洪1，2，但斌斌1，2，容芷君1，2，陳剛3，樊孝兵4，佘運玖4
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