[doc] 阶梯金刚石钻头合理结构及其破岩过程的研究

[doc] 阶梯金刚石钻头合理结构及其破岩过程的研究 阶梯金刚石钻头合理结构及其破岩过程的 研究 1991年4月 石油 ACTAPETROLEISINICA第12卷第2射 阶梯金刚石钻头合理结构及 其破岩过程的研究 蔡镜徐国贤 (石油大学) 摄要 本文用平面光弹方洼,对阶梯盒刚石钻头切削刃下岩石的应力进行分析.结果明,钻头在 瞻性岩石中,存在以拉应力为主的破岩方式.用电到法测量了阶梯壹剐石钻头在钻进过程中各阶 梯切削刃上的载荷.侧量结果说明,钻头各切削刀上的载荷分布是不均匀的.与钻头外型祀结构 有关.对阶梯金刚石钻头的合理结构进行的研究表明:阶梯的宽祀高.以厦它们之比值是影 响阶梯盒刚石钻头破岩效率的主要因素 一 ,日U舌 人造金刚石在石油钻头上的应用,促进了阶梯金刚石钻头的发展.近年来,已有多种新 型阶梯人造金刚石钻头在石油钻井中使用.使用结果表明,在某些地层中,阶梯金刚石钻头 具有钻速高,成本低,经济效益高等优点,是一种很有发展前途的钻头.但是到目前为止, 有关阶梯金刚石钻头方面的研究论文,公开发表的还很少.六十年代,苏联学者”C.M. KYAUEB等对阶梯刮刀钻头进行了室内试验和研究.他们从单位体积破碎功的途径,阐明了 阶梯刮刀钻头破岩效率比其他形状的乱刀钻头要高,并通过试验,提出了阶梯刮刀钻头几何 形状之间的一些合理关系.本文试图遥过光弹试验,电洌和台架试验,对影响阶梯金刚石钻 头破岩效率的因素,阶梯金刚石钻头的破岩过程及其合理结构进行探讨. 二,阶梯金刚石钻头破岩过程中的力学特性 阶梯钻头与其他钻头的主要区别是,它所钻出的井底剐面是阶梯形的.这种阶梯形的多 自由面的井底,使得阶梯金刚石钻头具有与其它钻头不同的破岩方式.当钻头上的切削刃作 用在阶梯形的岩石上时,可同时产生两种破岩方式,一种是在回转力和轴向力作用下,切削 刃象普通钻头那样对岩石进行水平方向的切削或剪切破碎}另一种是轴向力使切削刃底下的 岩石产生垂直方向的破碎.对于前者,无论是脆性岩石还是塑性岩石,其破岩机理都已进行 了较多的研究,这里不再重复.后者则是阶梯钻头所特有的破岩方式,本文主要针对这种 破岩方式进行研究. 为了研究破岩过程中切削刃下岩石的受力状态,根据井底自由面较复杂这一情况,我们 菪油第12卷 采用光弹性试验方法来进行应力分析.光弹性试验可获得准确的应力分布直观图象和较准确 的应力场中各点应力的大小和方向” 1.光弹横型的建立阶梯钻头在井下的 工作状况,在只考虑轴向力的情况下是轴对称 的,因此可将钻头的实际工作状况简化为图I 的平面光弹性力学模型.并假设; (1)井底形状与新钻头的外形一致,是 规则的 t2)岩石是脆性的,并满足弹性力学的 假设条件, (3)钻头切削刃是圆柱平底的,与井底 完全接触. 该光弹模型模拟常温常压试验条件,自由面上除了有切削刃作用外,没有其他外力,根 据石油钻井中阶梯金刚石钻头的尺寸,以及钻井中每个切削刃所承受的平均载荷,模型的阶 梯宽和高分别为6ram和12ram,载荷F为245N(牛顿),压头采用直径3ram的圆柱硬质台金. 2.光弹性试验结果及应力分析经光弹试验证明,在平面应力的条件下,当加力位置 相同时,不同阶梯(即第一和第二阶梯)上的应力分布基本一致,因此这里采用第一阶梯的 光弹资料来进行应力分析. (1)切削刃下岩石的应力分布及破岩特点,图2是该模型在正交圆偏振光场下,压模中 心到轴向自由面的距离S分别为3,5,7ram的等差线和相应条件下的主应力迹线.根据光弹 ??? (B)S=3皿皿(b)S5mm(c)S=7mm 1…………;一一 图2等差线和主应力迹或 Fig.2Isochromateandprincipalofstresstrajectories 第2期阶梯金刚石钻头台理结构及其破岩过程的研究99 性试验资料,阶梯上的应力分布有以下特点: a.压头中心线以下各点上第三主应力o.基本上是垂直于轴向自由面的(主应力迹线), 在压头中心线靠自由面一侧的其他各点上,oa的方向与水平轴的夹角也非常小,并且a为负 值(拉应力)’ b.压头中心以下岩石中的各主应力最大(图3)’ c.主应力最大点(距顶面8ram处,即L=3ram)上的主应力比值c~3/a一一0.16 根据岩石中的应力分布,应用格里菲斯破裂准则来判定岩石的初始破裂状态j. 设—/,压应力为正,拉应力为负,则格里菲斯的破裂准则可写成: 当<一0.33时,可得张性破坏条件为 o3一Rf 口一0 当>一o.33时,破裂条件为 式中月r一岩石抗拉强度’ 0--破裂角 7 6 5 — 4 3 三2b 】 0 一 l 一 2 1j=?!:R 8(盯】+盯3) c.s2口一Crl--Cr3 /x / / {I ,. l=亡 f 12345678910 离自由面的距离’n1n】, 图3主应力分布(s=5ram) Fig.3Principalstressdistribution forS=6mm s:3 s…, S:7mm/\, 图4不同加力位置的初始破裂线 Fig.4Lineoffracturepropagation fordifferelltloodingpoints 根据应力场中各点主应力值和方向,用格里菲斯准则计算出破裂角目,由不同点处的目 值,可得岩石初始破裂线.按照这一破裂理论所绘制的岩石初始破裂线见图4.如果将破裂线 近似地看成一条直线,破裂线与自由面的夹角为30度左右. 为了验证以上判别结果,用光弹模型和大理石,在平面应力条件下,用压头加载,直郅 模型和岩石产生破裂,试验结果见图5,模型产生的破碎与凰4破裂线基本一致.大理石产生 石油 曩一曩(a)S=3ram(b)S=5ramtc)S=7ram 图5不同加力位置模型的破碎情况 Fig.5RuptureofphotoelasticmodelfordifferentIoodingpoints 第l2卷 的破裂面与自由面的夹角为25度.由试验结果可见,这种破岩方式产生的岩石碎块是较大的, 破坏在长度方向的尺寸大约为其宽度的两倍. 知道了岩石的初始破裂线,需进一步弄清破裂是由什么应力产生的.在模型的应力场 中,均有>一O.33,按照格里菲斯理论,在这样的应力条件下,破碎不是纯拉伸产生的, 但主要是由拉应力引起的.这一结论可由以下两个方面加以证实,首先由模型中各主应力之 比和岩石的强度之比.就一般岩石来说,其抗压强度是抗拉强度的10~20倍,是抗剪强度的 3,6倍.光弹模型中,压应力只有拉应力的6倍,是剪应力的2倍.由此可知,井底阶梯形的 岩石中是拉应力和剪应力先达到岩石的抗拉强度和抗剪强度的,所以引起岩石破碎的是拉应 力和剪应力. 其次是试样的破坏方式,以模型上c点(压头中心以下距顶面3ram)的应力状态为例 (图6),由应力状态理论可知?,在C点,,与水平线的夹角y为零度,因此该点最大剪应 . E 图6C点应力状态 Fig.6StateofstressforpointC 力作用面DD与垂直线的夹角为45..如 果岩石的破碎是由最大剪应力日『起的话,那么 破裂线与垂直线的夹角应为45..但是,在 用岩样和模型进行的试验中,破裂面与自由面 的夹角为25.左右,所以使岩石产生破碎的不 是剪应力,而主要是拉应力. 以上分析表明,阶梯钻头在钻进脆性岩石 时,如果阶梯宽和高选择台理,在较小的轴向 力作用下,可使岩石产生破碎,这种破碎主要 由拉应力日『起的.这种破岩方式正是阶梯钻头 的主要破岩特点,也是阶梯钻头比其他钻头钻 速高的原因之一.为了叙述方便,把这种破岩方 I式称为”压垮”破岩方式. (2)阶梯宽对破岩的影响瞬梯的不同宽度,用光弹试验表现为压头在 模型上离自由 ?陈唁发.胡玉林,绦桂珍阶梯金刚石钻头切剖及载荷分布规律的研究”. 第2期阶梯金剐石钻头合理结构及其破岩过程的研究l01 面的不同加力位置. 切削刃作用在岩石上.可使岩石产生压垮破碎,这种破碎能否发生.与阶梯的宽有 关,为了弄清这一影响,我们采用宽高比日:H一1:2的模型,分别对S=3,5,7ram的情 况进行光弹试验. 由图2的等差线可看出,当轴向载荷不变时,随S的增大,等差线逐渐趋向对称,即自由 面影响减小.从这种趋势可看出,当阶梯宽增大到一定程度,自由面的影响就会消失,阶梯 钻头就会失去它的破岩特点. 表l是加力位置S与值的关系.加力位置增大,模型中主应力最大点上的值是变大 的.变大,意味着主应力中拉应力的比例减小.由此看出,阶梯的宽对切削刃下岩石的应 力状态有较大影响.拉应力减小,使岩石变得难破碎. 裹1加力位I与K位的关系 Table1KValueforVariousloadingPoints 由图4的初始破裂线可看到,在自由面的影响存在的范围内,只要载荷能保证使岩石产 生破裂,那么加力位置较大的,所产生的碎块也较大,这对提高钻速是有利的.但是,切削 刃上所需加的载荷也大,钻压受钻头尺寸,钻井设备的限制,受切削刃的承载能力的制约. 阻此,阶梯钻头的阶梯宽应根据岩石强度,钻头尺寸和钻压大小等因素来确定 综上所述,在一定载荷条件下,阶梯宽是影响阶梯钻头破岩的一个重要囡素.阶梯太 宽,岩石中的拉应力成份就小,岩石就难破碎一些.阶梯窄一些,破岩较容易,但产生的碎 块小.根据试验笔者认为,阶梯的宽应在7ram以内. (3)阶梯高对破岩的影响钻头的阶梯宽确定后,台理选择阶梯的高非常重要,用阶 梯的宽和高不同的两种模型:H=1:1,日:H=I:2)进行光弹试验.图7是载荷F相 (a)B;H=1:I(b)B:H=I:2 图7不同阶梯高的等差线 Fig.7Isocllromateforvariousstepheigh~s 石油凳12卷 同条件下该试验的等差线,从图上看到,应力分布与阶梯的高有关系.阶梯高还影响岩石 内部的主应力的大小.表2是以上光弹模型在相同点处的主应力值,在相同的载荷下,B:圩 =12的模型上的拉应力和压应力都大于:H=1t1模型中的拉应力和压应力.因此, 在阶梯的宽和钻头所加载荷都相同时,阶梯高较大的,岩石内部产生的拉应力和压应力也较 大,岩石也较容易破碎. 采2阶梯嵩对主应力的影响 Table2EffectofStepHeightonPrincipalStress 高竞比距顶可距加力位置s) B|H离L(mm)(Pa)35 1.245x1?B.7786x1O06.6611x1O0 1:2 — 1.067x1D?一1.2414x1O0 —— 9.0946xlO07.4165×10’B.4646×10’ 11 一 1.2B76x1D0—0.492{x1一4.4881x10 根据图4的初始破裂线,破裂块的高是宽的二倍左右.因此,阶梯钻头的阶梯高应为阶 梯宽的=倍左右,这样可使裂缝自由地扩展到自由面,使破裂块较大.因此,阶梯的高应根 据阶梯的宽,岩石性能以及初始破裂线来确定.试验结果表明,在脆性岩石中,阶梯的高等 于或接近阶梯宽的两倍左右较合适. 5.阶梯钻头的室内试验根据光弹分析的结果,设计了二组阶梯钻头,在室内进行了 试验.试验在灰岩中进行,试验结果见表3,4.在不同阶梯宽的试验中,在相同钻压下,随 着阶梯宽的增大,钻速是下降的.阶梯宽超过7ram后,钻速下降的幅度较大.在不同阶梯高 的试验中,钻速随阶梯高的增大而增大.台架试验的结果与光弹试验的结论是一致的. 囊3不同盼撵宽试验结果 Table5DrillingDataforVarious StepHeight 钻速\\钻压 \:240O08200040CDO手, 6.257.310.313.0 7.256.59.712.4 10.52.26.39.O 2l0.20.81.5 注:钻头的阶梯高与宽相同 寰4不同盼撵骞试验|宣暴 Table4DrillingDataforVarious StepWiSths 钻速.\钻压,:l300O19O0O25000 (mm),\ 2.6.fO. 82.B 5.25i’02.54.3 7.82.54.15.B 1O.58.45.7B,0 注:钻头的1lI}梯宽均为523ram 4.阶梯钻头破岩过程台架试验的结果和光弹分析的结论吻合,图8是阶梯钻头在灰岩 中钻出的井底.从图上可看到,井底阶梯不象人们所想象的那样成直角阶梯形的,而是成了一 个斜坡.图9是钻出的岩屑,岩屑的粒度较大,星长条形,长的在10毫米以上,显然这些岩 屑是从阶梯上破裂下来的.由此可见,阶梯钻头在钻进脆性岩石时,确 实存在以上所说的 第2捌阶梯金刚石钻头合理结构及其破岩过程的研究 图8阶梯钻头在灰岩中钻成的井底图9岩屑 Fig.8BottomholeeatingbystepFig9Cuttings bitinlimestone “压垮”破岩方式,并且这种破岩方式主要由拉应力引起的.很多岩石都是脆性材料,其抗 拉强度比抗剪强度和抗压强度都要低得多.如果钻头设计合理,使钻头主要以拉应力来破岩, 那么阶梯金刚石钻头的破岩效率将是很高的. 通过光弹分析和台架试验,如果阶梯钻头设计合理,在瞻性岩石中有以下破岩过程假 定某时井底形成一个斜面(图10a),当钻头向前钻进时,切削刃在轴向力和扭转力作用下, 以大剪切和小剪切等方式切削岩石,在斜面上形成一个较窄的阶梯(图10b).当阶梯上所 承受的轴向力使岩石内部的应力达到岩石的抗拉强度时,岩石产生破碎(图10c),井底又形 成一个斜面当钻头继续钻进,又重复图l0中a,b,c过程.从阶梯钻头破岩过程可以看到, 在脆性岩石中,阶梯角上的切削齿集中了较大的应力,并起着切削,剪 切和压碎岩石的作用, 在钻头设计中这部分齿应该加强 由于钻头阶梯部分是以扩眼的方式钻进的,并且在扩眼破岩中同时具有切削和”压垮” 两种破岩方式,因此这部分所需的钻压也较小.这样在破岩较困难的冠部就可集中较大的钻 压,有利于钻速的提高,由此提高了整个阶梯钻头的钻速.所以在某些地层中,阶梯钻头要 比其它类型的钻头钻速高. 圉10阶梯钻头破岩过程 Fig.10Rotecuttingpr0cessofsIephit 104石油 三,阶梯金刚石钻头各阶梯切削刃上的载荷分布 茸12卷 阶梯钻头是由钻头冠部和多个不同直径的阶梯所组成,所以井底阶梯的轴向自由面是一 些曲率不同的曲面.曲率的大小视阶梯的直径而定,阶梯越靠近钻头中心,自由面的曲率就 越大. 在钻进中,切削刃作用在自由面带有曲率的阶梯上,当岩石破碎时,这种有曲率的自由 面对岩石碎块有支撑作用.自由面的曲率越大,这种支撑力越大,切削刃上所需的轴向载荷 也就越大.从阶梯钻头钻出的井底来看(图8),阶梯钻头的压垮破岩方式,在井底阶梯 部分的岩石上均存在.园此,在阶梯宽都相同的条件下,要使井底所有阶梯上都产生”压垮 破碎,那么各阶梯切削刃上的轴向载荷就不可能相同.切削刃上的轴向载荷应该与阶梯的直 径有关,阶梯离钻头中心越近,切削刃上的轴向载荷就越大.阶梯钻头的冠部,与平底刮刀 钻头一样,园此井底相应部分的岩石没有轴向自由面,处在三向压缩应力状态,它们是最难 破碎的,所以盂部上的切削刃承受的轴向载荷最大. 以上结论与取岩样进行试验的结果是一致的.岩样上钻有圆孔,用压头在不同直径的圆 孔边缘压碎岩石.试验结果(表5)表明,孔的直径越小,压碎岩石所需载荷越大. 裹5?孔直歪与所需压碎t荷的关蒜 Table5EffectofHoleDiameterOnVerticalForcesonCutter 岩样西孔直径(曲)305O70 压头上载荷F(N)7B0969O056O0 Z 【L }宦 鞯 足 霉 g 叫 采 差 显 钻压 l256N 7N ,岩石;袭岩转逮:145转/分 \. \\,\\,, \ ,, 08I6243240X 阶梯直径(竹1m) (a)轴向力 Z 削刃的附近贴上微应变片,通过 示波器记录所测数据.岩样装在旋转的加压筒上,通过旋转和加压来模拟钻头钻进时的状况. 试验结果(图11)表明,在阶梯宽均相同的条件下,钻头切削刃上的载荷分布是不均匀 的.阶梯直径越大,其切削刃上的轴向力F.和水平力F越小,并且水平力大于轴向力,水平 力随轴向力增大而增大.在整个钻头上,钻头冠部处的切削刃承受的载荷最大,为整个钻头 轴向载荷的25~30嘶. 根据光弹试验和台架试验的结果,设计了一种阶梯金刚石取芯钻头.该钻头在中原油田 2000m以下的砂岩中进行取芯试验,平均机械钻速达到15m/h. 四,结论 1.在某些脆性较大的岩石中,如果结构设计合理,阶梯钻头在破岩过程中具有以拉应 力为主的破碎岩石方式,将使阶梯钻头的破岩效率高于其它类型的钻头. 2.阶梯钻头的合理结构,特别是阶梯的宽和高及其合理比值对提高钻头破岩效率有很 大影响.针对地层岩性选择合理钻头结构是提高钻速和钻头寿命的重要措施. 3.阶梯钻头各切削刃上的载荷分布是不均匀的,钻头冠部处的载荷最大,各阶梯上切 削刃的载荷,随阶梯的直径增大而减小. (本文收到日期1988年e月27日) 符号说明 F——压头上的载荷(N)F——轴向力(N) F——永平力(N)s——压头中心离自由面的距离(mm) L一模型顶面离任一截面的距离(mm)d-——第一主应力(Pa) I——第三主应力(Pa)K——d}】 —— 第一主应力与破裂面之间的夹角R——岩石抗拉强度(Pa) B--阶梯宽(mm)H--阶梯高(mm) ?考文? (1]CM.Ktl~lqes.OCBOB~0?HmB~peHaaCm?ednm~M1JI?o?0maH. 【2)徐小荷,采静.岩石破碎力学,煤最工业出皈社.1984年 (3)大连工学院数理力学系光测组.光弹性实验.国防工业出版牡,1979年. (4)N.GUYENMINHDUG,H.CHOLETP.TRICOT.Stressconcentrationin ducedinelasticrock* uaderadlamondbittoothSPE聃871972 (5)华东石油学院钻井教研室,岩石破碎力学基础,1979年 (e)华东水利学院,岩石力学,水利出暇社.1981年 ?抄贞银,阶梯盍刚石钻头切削刃载荷分布规律的研充 106石油第l2卷 RATIONALSTRUCTUREOFASTEPPEDDIAMONDBIT ANDITSROCKCUTTINGPROCESS CaijinglunXuGuoxian (UniversityofpetroleumBeiji~g) Abstract Rockcuttinghyasteppedhithasheenstudiedwithexperimentalstress analysisandistestedunderatmosphericpressure.Theresultsshowthat steppedbitcutrockswithtensionandshearing,SOthisbitismoreefficient thanothers.Theforceonthecutterisnotwell—distributedThewidthandhe— ightofeachstepandthewidth—heightratioarethemajorfactorsinfluencing dri11ingrate.