基于扭转振动的PDC钻头布齿角度对复合片磨损规律的影响研究_田家林

1、 第 期 田家林等 ： 钻头布齿角度对复合片磨损规律的影响研究 基于扭转振动的 · · （ ） 烄熿 烌 燄 烅 烍 （ ） 烆 燀 烎 燅 （ ） （ ） 过程中 ， 前倾 角 的 取 值 是 有 一 定 范 围 的 刃倾角对 在 钻头 体 积 磨 损 速 度 的 影 响 是 比 较 复 杂 的 ， 之 前 刃 倾 角 的 变 化 对 钻头复合片 的 体 积 磨 损 速 度 是 没 有 影 响 的， 当刃倾角大于 小 于 时， 钻头的体积磨损 速度随着刃倾角的 增 加 而 减 小 ， 但其减小的趋势是 非线性的 因此 ， 如何选 择 合 适 的 布 齿 角 度 ， 对 钻

2、头的性能以及使用寿命有着重要的影响 图 为前倾角对复合片磨损规律的影响计算 结果图 ： 现场数据对比分析 计算结果与实验验证 对应算例参数和计算结果 ， 以及 钻头设计 的各项性能指标对 布 齿 参 数 进 行 优 化 ， 加工个实 验钻头进行实验 ， 每个钻头采用不同的布齿角度 ， 具 其中之一的钻头实物及实验现场如 体参 数 如 表 ， 图 前倾角与复合片体积磨损速度的关系 图 本实验使用的岩性地层为砂岩以及页 所示 该岩 层 为 中 硬 、 硬 地 层， 在井段为 岩， 采用转盘传递扭矩 ， 转速 上进行 个钻头的实验 ， 为 排量 为 平均机械钻速为 左右 ， ， 在现场实验中 随 时

3、 对 机 械 钻 速 进 行 记 录 ， 利用实验设备 测 振 仪 、 传 感 器、 测速仪等对 钻 把测试数据导入专用软件 ， 对数据进行 头进行测试 ， 然后对 复合片的体积磨损 处理 ， 钻 头 的 转 速、 速度进行分析 ， 其实验结果如图 图 、 所示 表 实验钻头数据 钻头编号 ） 前倾角 （ ） 刃倾角 （ 根据前倾角与刃前角之间的关系以及在考虑扭 转振动的情况 下 钻头的复合片体积磨损速度 公式 ， 可求得刃倾角对复合片磨损规律的影响结果 ， 如图 所示 ： 图 刃倾角与复合片体积磨损速度的关系 对比分析 通过实验分析可知 ： 与算例参数相同的 钻 真实 头在井底的转速以 及

4、复 合 片 的 体 积 磨 损 速 度 （ 失效 ） 与实验结果基本吻合 ， 实验结果验证了理论计 算的合理性与正确性 根据图 图 随着 、 的 结 果 可 得 到： 钻 复合片体积磨损速度在显著降低 ， 头前倾角的增加 ， 当前倾角达到一定 的 值 时 ， 复合片的体积磨损速度 变成了 ， 在实际的钻井中 ， 钻头复合片的体积 因为 磨损速度是不可能为 的 ， 钻头在设计的 · · 固体力学学报 年第 卷 图 实验 图 钻头的转速 钻头在井底运动中的 对 实 验 过 程 测 得 的 转速并不是稳定 ， 存在一定程度上的振动是正常的 ， 由于岩石的物理性 质 、 化学性质以

5、及软硬程度的不 同， 必将会对 钻头复合片产生不同程度上的阻 力， 所以使得 钻头在井底运动中具有一定的不 稳定性 由图 前倾角 、 刃倾角对 可知 ： 钻头复合 片体积磨 损 速 度 的 影 响 其 计 算 值 和 实 验 值 存 在 误 差， 其误差范围在百分之五以内 ， 在工程上是可以接 产生误差的 原 因 是 多 方 面 的 ， 如： 在理论分析 受的 中并没有考虑井壁 对 钻 柱 的 摩 擦 造 成 的 影 响 ； 在扭 转振动分析中假定 钻头轴线与 钻头在钻进时 ， 井眼中心线 是 重 合 的 ， 在 真 实 的 钻 井 中， 钻头 的轴线是不可能与 井 眼 中 心 线 完 全 重

6、 合 的 ； 本文以 打竖直井为例进行 分 析 ， 并且认为在钻进的过程中 没有任何的偏斜角度等众多因素都是导致误差存在 的原因 图 计算值与测试值对比图 第 期 田家林等 ： 钻头布齿角度对复合片磨损规律的影响研究 基于扭转振动的 · · ， 结论 （ ）随着 复合片体积 钻头前倾角的增加 ， 前倾角的变化严重影响 磨损速度显著降低 ， 钻 头复合片的磨损规律 ， 而刃倾角对 钻头体积磨 损速 度 的 影 响 非 常 复 杂 ，当 刃 倾 角 为 ， 时 钻头复合片的体积磨损速度随 减小的趋势具有明显的非 着刃倾角的增加而 减 小 ， 线性 该结论对于如何降低 钻头复合片

7、的失效 具有一定的参考意义 （ ）基于 扭 转 振 动 对 钻头复合片磨损规 律进行分析 ， 与现有的 钻头复合片磨损失效的 分析相比 ， 更能准确的反映复合片失效过程 （ ）通过对前倾角 、 刃倾角对 钻头复合片 磨损规律的分 析 可 为 钻头布齿提供一定的理 同时 本 文 结 合 钻 压 、 岩 石 参 数、 刀翼数 论参考价值 ， 等， 为布齿优化又提供了计算依据 参考文献 庞小林 ， 梁政 ， 杨琳 ， 张亮 ， 魏秦 文 ， 李友， 朱永 田家林 ， 旋风状井底模型的新型钻头运 动 特 性 石油学 豪 （ ） ： （ 报， ， ， ， ， ， ， ， ， ， （ ） ： （ ） ）

8、， 李 子 丰， 邹 德 永 钻头综合受力模型的 梁尔 国 ， ： （ 试验研究 岩 土 力 学， ， （ ） ， ， ， （ ） ： （ ） ） ， ， ， ， ， ， ， ， ： ， ， 金刚石 、 地 球 科 学 中 钻头与工 艺 学 刘广志 （ ） ： （ 国地质大学学报 ， ， ， ， （ ） ： （ ） ） ， ， ， ， ， ， 王文 昌， 姚 永 汉， 朱 卫 平， 姚 建 林， 胡 以 宝 底 狄勤丰 ， 部钻具组合动力 学 模 型 及 涡 动 特 性 仿 真 中国石 ， ： （ 自然科 学 版 ） 油大学学报 （ ， （ ） ， ， ， ， ， （ ） ： （ ） ） ，

9、， ， 任福深 姚志 刚 受 压 旋 转 钻 柱 非 线 性 动 力 学 与 分 叉 （ ） ： （ 工程力学 ， 研究 ， ， ， ： （ ， （ ） ） ） ， ， ， （ ， ） ， ， ： 狄勤丰 ， 王文昌 ， 姚建林 ， 姚永汉 斜直井中转 胡以宝 ， 速对钻柱动力 学 特 性 的 影 响 工 程 力 学， ， （ ） ： （ ， ， ， ， ， ： ， （ ） （ ） ） ， ， ， ， ： ， ， （ ） ： 谢晓红 ， 王佳亮 复合片斜镶角对钻 头 钻 进 性 张昭和 ， ， 能的影 响 西南石油大学学报（ 自 然 科 学 版） （ ） ： （ ， ， ， （ ） ， （ ）

10、 ： （ ） ） ， 谢晓红 ， 方 海 江， 李 智 峰 钻头出露量和 张昭和 ， 中南大学学报 线速度对复合片 磨 损 规 律 的 影 响 （ ， ： （ 自然 科 学 版 ） ， （ ） ， ， ， · · 固体力学学报 年第 卷 ： ， （ ） ： ， ， ， ， 罗德 黎明 发 吴 波 范 瑞 聚 晶 金 刚 石 复 合 片 钻头钻 进岩层的仿真 研 究 武 汉 理 工 大 学 学 报， ， （ ） ： （ ， ， ， ， （ ） ： （ ） ） ， ， ， ， （ ） ， （ ） ， （ ） ： （ ） ） ， ， ， ， ， ， ： ， （ ） ： ， ， ， ， ， 曲