非平面PDC切削齒破巖有限元仿真及試驗

謝晗 況雨春 秦超

引用本文:

非平面PDC切削齒破巖有限元仿真及試驗

    作者簡介: 謝晗(1992—),男,四川達州人,2015年畢業于成都大學車輛工程專業,在讀碩士研究生,主要研究方向為巖石破碎與鉆頭設計。E-mali:[email protected]
  • 中圖分類號: TE921+.1

The Finite Element Simulation and Test of Rock Breaking by Non-Planar PDC Cutting Cutter

  • CLC number: TE921+.1

  • 摘要: 為了指導PDC鉆頭設計,對三棱形和斧形PDC切削齒、常規平面PDC切削齒的破巖性能進行了研究。利用有限元軟件建立了PDC切削齒直線切削巖石和垂直壓入巖石的三維有限元模型,模擬了相同布齒角度下、不同形狀PDC切削齒垂直壓入巖石和不同切削深度直線切削均質巖石及非均質巖石的過程,發現不同形狀PDC切削齒的破巖過程存在明顯差異。與常規平面PDC切削齒相比,三棱形PDC切削齒更易壓入地層形成破碎坑;三棱形和斧形PDC切削齒破碎均質砂巖時所需的切削力較小,巖石產生的預破碎區域更大,破碎非均質巖石時的切向力波動幅度小,更易破碎巖石。根據模擬結果,設計研制了三棱形切削齒PDC鉆頭,并在鉆進混合花崗巖地層時獲得較好的效果。研究結果表明,有限元模擬可為PDC鉆頭設計提供參考。
  • 圖 1  單PDC切削齒直線切削巖石的模型

    Figure 1.  Model of single PDC cutting cutter linear cutting into rock

    圖 2  非均質巖石模型

    Figure 2.  Model of heterogeneous rock

    圖 3  單PDC切削齒垂直壓入巖石的模型

    Figure 3.  Model of single PDC cutting cutter vertical feeding into rock

    圖 4  常規平面和三棱形PDC切削齒垂直壓入巖石時的Mises應力分布

    Figure 4.  Stress distribution while vertical feeding into rock by conventional planar and triangular prism PDC cutter

    圖 5  不同形狀PDC切削齒垂直壓入巖石時軸向力隨時間變化的曲線

    Figure 5.  Curves of vertical pressure/rock axial force varies with time while cutting rock with different shapes of PDC cutters

    圖 6  不同形狀PDC切削齒直線切削均質砂巖時的剪應力分布

    Figure 6.  Shear stress distribution during linear cutting homo-geneous sandstone with different shapes of cutters

    圖 7  常規平面和三棱形PDC切削齒的接觸應力分布

    Figure 7.  Contact stress distribution of conventional planar and triangular prism PDC cutters

    圖 8  不同形狀PDC切削齒切削均質砂巖時不同切削深度下的平均切削力

    Figure 8.  Average cutting force at different cuttings depths for different shaped PDC cutters while cutting homogeneous sandstone

    圖 9  不同形狀PDC切削齒切削非均質巖石時切向力隨時間變化的曲線

    Figure 9.  Curve in which tangential force varies with time for different shaped PDC cutters while cutting heterogeneous rocks

    圖 10  不同形狀PDC切削齒切削非均質巖石時的破碎比功

    Figure 10.  Breaking specific work of different shaped PDC cutters while cutting heterogeneous rocks

    圖 11  不同井深下的鉆時

    Figure 11.  Drilling time at different well depths

    表 1  有限元模型中主要材料的物性參數

    Table 1.  Parameters of main materials in the finite element model

    材料密度/
    (g·cm–3)
    彈性模量/
    GPa
    泊松比內摩擦角/
    (°)
    抗壓強度/
    MPa
    PDC層3.54890.0 0.077
    硬質合金15.00 579.0 0.220
    砂巖2.5412.80.200 34.4530.5
    灰巖2.7031.20.17143.26105.0
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  • [1] 許利輝,畢泗義. 國外PDC切削齒研究進展[J]. 石油機械, 2017, 45(2): 35–40.XU Lihui, BI Siyi. Overseas researchs on PDC cutters[J]. China Petroleum Machinery, 2017, 45(2): 35–40.
    [2] CRANE D, ZHANG Youhe, DOUGLAS C, et al. Innovative PDC cutter with elongated ridge combines shear and crush action to improve PDC bit performance traditional PDC cutter technologies[R]. SPE 183984, 2017.
    [3] BILGESU I, SUNAL O, TULU I B, et al. Modeling rock and drill cutter behavior[R]. ARMA-08-342, 2008.
    [4] TULU I B, HEASLEY K A. Calibration of 3D cutter-rock model with single cutter tests[R]. ARMA-09-160, 2009.
    [5] RICHARD T, COUDYZER C, DESMETTE S. Influence of groove geometry and cutter inclination in rock cutting[R]. ARMA-10-429, 2010.
    [6] DETOURNAY E, RICHARD T, SHEPHERD M. Drilling response of drag bits: theory and experiment[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2008, 45(8): 1347–1360. doi: 10.1016/j.ijrmms.2008.01.010
    [7] ZHOU Y, JAIME M C, GAMWO I K. Modeling groove cutting in rocks using finite elements[R]. ARMA-11-209, 2011.
    [8] MARTINEZ I R, FONTOURA S, INOUE N, et al. Simulation of single cutter experiments in evaporites through finite element method[R]. SPE 163504, 2013.
    [9] 鄧敏凱,伍開松,胡偉. PDC鉆頭切削齒破巖仿真與試驗分析[J]. 石油機械, 2014, 42(1): 10–13. doi: 10.3969/j.issn.1001-4578.2014.01.003DENG Minkai, WU Kaisong, HU Wei. Rock-breaking simulation and experimental analysis of PDC bit cutter[J]. China Petroleum Machinery, 2014, 42(1): 10–13. doi: 10.3969/j.issn.1001-4578.2014.01.003
    [10] 徐根,陳楓,馬春德,等. PCD彈性模量、泊松比的測試實驗研究[J]. 石油鉆探技術, 2009, 37(2): 63–65. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2009.02.017XU Gen, CHEN Feng, MA Chunde, et al. Lab test of PDC’s Young modulus and Poisson’s ratio[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2009, 37(2): 63–65. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2009.02.017
    [11] 趙東鵬,馬姍姍,牛同健,等. 石油鉆探用非平面聚晶金剛石復合片的開發[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2017, 37(6): 49–52.ZHAO Dongpeng, MA Shanshan, NIU Tongjian, et al. Research of polycrystalline diamond compact having non-planar surface for oil drilling[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2017, 37(6): 49–52.
  • [1] 馮一璟張來斌鄭文培鄧嶸馮定 . 潛孔鉆頭端面切削齒載荷仿真研究. 石油鉆探技術, 2016, 44(3): 77-82. doi: 10.11911/syztjs.201603014
    [2] 汪為濤 . 非均質地層錐形輔助切削齒PDC鉆頭設計與試驗. 石油鉆探技術, 2018, 46(2): 58-62. doi: 10.11911/syztjs.2018046
    [3] 林四元李中黃熠陳浩東楊玉豪高濟稷 . 南海文昌區塊深部地層旋轉切削齒PDC鉆頭提速技術. 石油鉆探技術, 2017, 45(6): 65-69. doi: 10.11911/syztjs.201706012
    [4] 陳修平鄒德永李東杰婁爾標 . PDC鉆頭防泥包性能數值模擬研究. 石油鉆探技術, 2015, 43(6): 108-113. doi: 10.11911/syztjs.201506020
    [5] 況雨春陳玉中屠俊文張智 . 基于UG/OPEN的PDC鉆頭切削參數仿真方法. 石油鉆探技術, 2014, 42(4): 111-115. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.04.021
    [6] 楊永印牛似成徐希強 . 組合射流PDC鉆頭試驗研究. 石油鉆探技術, 2012, 40(5): 100-105. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2012.05.022
    [7] 鄧勇陳勉金衍盧運虎鄒代武 . 沖擊作用下巖石裂紋長度預測模型及數值模擬研究. 石油鉆探技術, 2016, 44(4): 41-46. doi: 10.11911/syztjs.201604008
    [8] 張光偉高嗣土喬陽田帆 . 指向式旋轉導向系統內外環轉速對PDC鉆頭破巖效率的影響. 石油鉆探技術, 2019, 47(6): 27-33. doi: 10.11911/syztjs.2019096
    [9] 居培翟應虎 . 應用改進模糊綜合評判法優選PDC鉆頭. 石油鉆探技術, 2013, 41(1): 108-112. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2013.01.021
    [10] 劉秀全陳國明宋強暢元江許亮斌 . 基于有限元法的深水鉆井隔水管壓潰評估. 石油鉆探技術, 2015, 43(4): 43-47. doi: 10.11911/syztjs.201504008
    [11] 張曉東張毅茍如意何石王海娟 . 基于巖石性能試驗的沖旋鉆井鉆齒破巖仿真. 石油鉆探技術, 2014, 42(1): 105-110. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.01.021
    [12] 謝關寶李永杰吳海燕黎有炎 . 近井眼洞穴型地層雙側向測井敏感因素分析. 石油鉆探技術, 2020, 48(1): 1-7. doi: 10.11911/syztjs.2019134
    [13] 鄒德永曹繼飛袁軍諶湛于鵬 . 硬地層PDC鉆頭切削齒尺寸及后傾角優化設計. 石油鉆探技術, 2011, 39(6): 91-94. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2011.06.021
    [14] 鄧勇陳勉金衍鄒代武 . 沖擊作用下巖石破碎的動力學特性及能耗特征研究. 石油鉆探技術, 2016, 44(3): 27-32. doi: 10.11911/syztjs.201603005
    [15] 李揚鄧金根蔚寶華劉偉陳建國 . 儲/隔層巖石及層間界面性質對壓裂縫高的影響. 石油鉆探技術, 2014, 42(6): 80-86. doi: 10.11911/syztjs.201406016
    [16] 涂玉林楊紅歧胡彥峰陶興華劉曉丹 . 膨脹波紋管在小井眼的安全應用工況模擬試驗研究. 石油鉆探技術, 2018, 46(2): 69-74. doi: 10.11911/syztjs.2018034
    [17] 謝媛劉得軍李彩芳翟穎孫雨 . 利用隨鉆電磁波測井探測直井水力裂縫的正演模擬. 石油鉆探技術, 2020, 48(1): 1-7. doi: 10.11911/syztjs.2019133
    [18] 于洋周偉劉曉民付建紅鄭江莉 . 實體膨脹管的膨脹力有限元數值模擬及其應用. 石油鉆探技術, 2013, 41(5): 107-110. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2013.05.021
    [19] 曾義根韋忠良呂苗榮崔偉賀慶 . 宣頁1井新型PDC鉆頭設計與應用. 石油鉆探技術, 2013, 41(2): 114-118. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2013.02.022
    [20] 張棟 . PDC鉆頭三維掃描及逆向設計技術. 石油鉆探技術, 2018, 46(1): 62-67. doi: 10.11911/syztjs.2018019
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圖(11)表(1)
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出版歷程
  • 收稿日期:  2018-06-29
  • 錄用日期:  2019-02-20
  • 網絡出版日期:  2019-07-20
  • 刊出日期:  2019-09-01

非平面PDC切削齒破巖有限元仿真及試驗

    作者簡介: 謝晗(1992—),男,四川達州人,2015年畢業于成都大學車輛工程專業,在讀碩士研究生,主要研究方向為巖石破碎與鉆頭設計。E-mali:[email protected]
  • 1. 西南石油大學機電工程學院,四川成都 610500
  • 2. 成都海銳能源科技有限公司,四川成都 610500

摘要: 為了指導PDC鉆頭設計,對三棱形和斧形PDC切削齒、常規平面PDC切削齒的破巖性能進行了研究。利用有限元軟件建立了PDC切削齒直線切削巖石和垂直壓入巖石的三維有限元模型,模擬了相同布齒角度下、不同形狀PDC切削齒垂直壓入巖石和不同切削深度直線切削均質巖石及非均質巖石的過程,發現不同形狀PDC切削齒的破巖過程存在明顯差異。與常規平面PDC切削齒相比,三棱形PDC切削齒更易壓入地層形成破碎坑;三棱形和斧形PDC切削齒破碎均質砂巖時所需的切削力較小,巖石產生的預破碎區域更大,破碎非均質巖石時的切向力波動幅度小,更易破碎巖石。根據模擬結果,設計研制了三棱形切削齒PDC鉆頭,并在鉆進混合花崗巖地層時獲得較好的效果。研究結果表明,有限元模擬可為PDC鉆頭設計提供參考。

English Abstract

  • 近年來,隨著聚晶金剛石切削齒加工工藝的不斷提高,PDC切削齒的金剛石層表面不再局限于二維平面結構,開始向多維發展,出現了三棱形齒、斧形齒[1]等各種新型非平面PDC切削齒。室內試驗結果顯示,非平面PDC切削齒較平面PDC切削齒更耐磨[25],但其表面是多維的,破碎巖石的過程與常規平面PDC切削齒相比可能存在明顯差異。目前,國內外針對非平面PDC切削齒破巖的相關研究還較少。因此,為了給優化PDC鉆頭設計提供參考,筆者利用有限元軟件,建立了切削齒直線切削和垂直壓入巖石的有限元模型,計算了常規平面、三棱形和斧形PDC切削齒直線切削巖石和垂直壓入巖石的切削力和接觸應力,分析了3種切削齒的破巖性能,并進行了三棱形切削齒PDC鉆頭鉆進混合花崗巖地層的試驗。

    • 利用有限元軟件建立PDC鉆頭切削齒直線切削巖石及垂直壓入巖石的有限元模型。

    • 根據常見砂巖、灰巖的巖石參數,模擬PDC切削齒切削均質砂巖、軟硬交錯巖石和含礫砂巖3種巖石的過程。

      將PDC切削齒繞鉆頭軸線的旋轉切削,簡化為直線切削運動[68],直線切削模型如圖1所示,設定直線切削速度為300 mm/s。圖2為非均質巖石模型,圖2中的綠色網格材料為砂巖,青色網格材料為灰巖。將PDC切削齒視為剛體,其截面直徑16 mm,斧形PDC切削齒脊背夾角為156°,三棱形PDC切削齒脊背夾角為157°,脊背線長3 mm,斜度8°。為了縮短計算時間,設定PDC切削齒切削前角為15°,側轉角為0°。

      圖  1  單PDC切削齒直線切削巖石的模型

      Figure 1.  Model of single PDC cutting cutter linear cutting into rock

      圖  2  非均質巖石模型

      Figure 2.  Model of heterogeneous rock

      根據圣維南原理,設定巖石模型尺寸為170 mm×50 mm×25 mm,巖石四周及底面邊界自由度設置為0。選用六面體網格,并采用減縮積分法劃分網格。巖石本構關系選用D–P準則,并定義了硬化特征[9]。由于PDC切削齒破巖過程中以剪切破巖為主,所以根據shear damage準則判斷巖石是否被破壞,并設置損傷演化系數。有限元模型主要材料的物性參數[1011]表1

      材料密度/
      (g·cm–3)
      彈性模量/
      GPa
      泊松比內摩擦角/
      (°)
      抗壓強度/
      MPa
      PDC層3.54890.0 0.077
      硬質合金15.00 579.0 0.220
      砂巖2.5412.80.200 34.4530.5
      灰巖2.7031.20.17143.26105.0

      表 1  有限元模型中主要材料的物性參數

      Table 1.  Parameters of main materials in the finite element model

      巖石與切削齒的接觸是非線性、相對變形差異懸殊的過程,所以巖石的接觸面應選擇整個巖石模型的節點集,避免出現切削齒只破碎巖石模型表面,卻直接穿透內部的情況。在interaction中建立基于巖石網格節點集與切削齒網格“接觸對”的接觸形式,采用彈性滑移的罰函數公式,切向摩擦因數取0.4,接觸面的接觸關系采用“硬接觸”公式。

    • 設置PDC切削齒的壓入速度為1.0 mm/s,前角為15°。巖石模型為直徑100 mm、高80 mm的圓柱體。巖石壓入模型如圖3所示。其他參數取值與直線切削巖石模型相同。

      圖  3  單PDC切削齒垂直壓入巖石的模型

      Figure 3.  Model of single PDC cutting cutter vertical feeding into rock

    • 圖4為常規平面和三棱形PDC切削齒垂直壓入巖石產生破碎坑時的Mises應力分布模擬結果。由圖4可以看出,三棱形PDC切削齒垂直壓入巖石產生的Mises應力更集中。

      圖  4  常規平面和三棱形PDC切削齒垂直壓入巖石時的Mises應力分布

      Figure 4.  Stress distribution while vertical feeding into rock by conventional planar and triangular prism PDC cutter

      模擬常規平面、斧形及三棱形PDC切削齒垂直壓入巖石軸向力隨時間的變化,結果見圖5。由圖5可以看出:軸向力出現峰值,說明切削齒持續壓入巖石時,軸向力不斷增大,當其達到峰值時,巖石出現第一次大體積破碎;切削齒刃邊的巖石達到屈服極限時失去聯結力形成巖屑,致使軸向力迅速降低;三棱形PDC切削齒使巖石產生第一次體積破碎所需軸向力明顯小于常規平面和斧形PDC切削齒,其更易壓入巖石產生破碎坑,能在更小的鉆壓條件下吃入并破碎巖石,適用于硬地層。

      圖  5  不同形狀PDC切削齒垂直壓入巖石時軸向力隨時間變化的曲線

      Figure 5.  Curves of vertical pressure/rock axial force varies with time while cutting rock with different shapes of PDC cutters

    • 模擬常規平面、斧形及三棱形PDC切削齒直線切削均質砂巖時的剪應力,結果見圖6。由圖6可以看出,非平面PDC切削齒直線切削巖石時,產生的剪應力更大。也就是說,非平面切削齒能使巖石產生更大的預破碎區域,對于脆性巖石而言會引起更大的體積破碎。

      圖  6  不同形狀PDC切削齒直線切削均質砂巖時的剪應力分布

      Figure 6.  Shear stress distribution during linear cutting homo-geneous sandstone with different shapes of cutters

      常規平面和三棱形PDC切削齒吃入均質砂巖時的Cpress接觸應力云圖見圖7。由圖7可以看出:Cpress接觸應力只在巖石與切削齒相互作用的區域產生,而在其他區域的Cpress接觸應力為零;常規平面PDC切削齒接觸區域主要集中于齒邊沿,而非平面PDC切削齒接觸區域更大、且Cpress接觸應力更均勻。

      圖  7  常規平面和三棱形PDC切削齒的接觸應力分布

      Figure 7.  Contact stress distribution of conventional planar and triangular prism PDC cutters

      根據不同形狀PDC切削齒切削力隨時間變化的數據,計算不同形狀PDC切削齒切削均質砂巖時的平均切削力。其計算方法為:設定歷史輸出為每個固定時間間隔輸出數據,提取切削齒三向切削力歷史輸出數據,并求取平均值,最后求三向切削力平均值的合力。常規平面、斧形及三棱形PDC切削齒切削均質砂巖時,不同切削深度下破巖所需的平均切削力如圖8所示。由圖8可以看出,直線切削均質砂巖時,非平面PDC切削齒破巖所需的切削力更小,隨切削深度增大,差異愈明顯。破巖所需的切削力越小,要求鉆機提供的扭矩、鉆壓越小,越有利于造斜段和水平段的鉆進。同時,扭矩較小,也可以降低鉆具發生粘滑的概率。

      圖  8  不同形狀PDC切削齒切削均質砂巖時不同切削深度下的平均切削力

      Figure 8.  Average cutting force at different cuttings depths for different shaped PDC cutters while cutting homogeneous sandstone

      常規平面、斧形及三棱形PDC切削齒切削軟硬交錯巖石和含礫巖石時,在相同切削深度下切向力隨時間變化關系曲線如圖9所示。由圖9可以得出,切向力隨時間波動劇烈并出現多處峰值,且非平面PDC切削齒的切向力波動幅度明顯小于常規平面PDC切削齒。切向力波動的原因主要是,切削齒在破巖過程中遇到硬質成分時,切向力迅速升高,當達到巖石屈服極限后巖石崩碎斷裂,然后切向力迅速降低。

      圖  9  不同形狀PDC切削齒切削非均質巖石時切向力隨時間變化的曲線

      Figure 9.  Curve in which tangential force varies with time for different shaped PDC cutters while cutting heterogeneous rocks

      常規平面、斧形及三棱形PDC切削齒切削非均質巖石時的破碎比功如圖10所示。由圖10可以看出,非平面PDC切削齒的破碎比功小于常規平面PDC切削齒,且斧形PDC切削齒所需的破碎比功最小。

      圖  10  不同形狀PDC切削齒切削非均質巖石時的破碎比功

      Figure 10.  Breaking specific work of different shaped PDC cutters while cutting heterogeneous rocks

      分析有限元模擬結果得知:三棱形PDC切削齒更易吃入地層形成破碎坑;非平面PDC切削齒的切削力及其波動幅度更小,與巖石接觸更均勻,有利于降低振動和出現粘滑現象的概率;非平面PDC切削齒的破碎區域更大,更易形成較大的破碎體積,降低巖石斷裂對切削齒的沖擊;在非均質地層中非平面PDC切削齒能更輕松地破碎巖石。結合有限元分析及試驗結果[11]可知,斧形PDC切削齒的攻擊性更強,三棱形PDC切削齒更耐磨。

    • 某井采用常規PDC鉆頭鉆至井深3 979.00 m時,因泵壓升高起鉆,發現鉆頭肩部出現嚴重環切。取心發現,該井深處地層巖性由角礫巖變為混合花崗巖,石英含量50%~60%,地層研磨性高,可鉆性差。為了避免鉆頭過快失效和快速鉆穿該段地層,根據上文的有限元模擬結果,設計應用了肩部安裝有三棱形PDC切削齒的PDC鉆頭。鉆井參數:轉速40~50 r/min,排量18 L/s,泵壓18~19 MPa,鉆壓400~900 kN。該鉆頭總進尺71.00 m,平均機械鉆速1.92 m/h,鉆時曲線如圖11所示(圖中3 986.00~3 988.00 m井段鉆時出現峰值,為取心鉆頭鉆進時間)。可見三棱形齒PDC鉆頭能在混合花崗巖地層鉆進,并能長時間保持穩定的機械鉆速。最后,因鉆速變慢起鉆,鉆頭出井后發現為正常失效。

      圖  11  不同井深下的鉆時

      Figure 11.  Drilling time at different well depths

    • 1)有限元模擬結果表明:非平面PDC切削齒與巖石接觸更平穩,三棱形PDC切削齒更易輕松吃入地層;非平面PDC切削齒破碎巖石的切削力及切削力波動幅度均比常規平面PDC切削齒小,能有效控制粘滑振動;鉆進非均質地層時,非平面齒PDC鉆頭能更輕松破碎巖石,且能避免產生較大沖擊載荷。

      2)非平面PDC切削齒為快速穿越復雜難鉆地層、縮短鉆井周期和降低鉆井成本,提供了新的技術方案。由于非平面PDC切削齒的金剛石層是多維結構,其破巖過程與常規平面PDC切削齒有明顯區別。為使非平面PDC切削齒的破巖效果達到最佳,應對其布齒角度、金剛石層倒角和脊背斜度等進行深入研究。

參考文獻 (11)

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