PDC鉆頭混合布齒參數(shù)對(duì)破巖的影響分析

易燕 胡慶華 楊君

摘? 要：本文重點(diǎn)探究PDC鉆頭混合布齒參數(shù)對(duì)破巖的影響，從PDC鉆頭特點(diǎn)入手，分析PDC鉆頭混合布齒參數(shù)對(duì)破巖的影響情況，基于磨損速度優(yōu)化模型以及側(cè)向力優(yōu)化模型下，對(duì)PDC鉆頭混合布齒參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，希望為PDC鉆頭混合布齒參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考借鑒，不斷提升PDC鉆頭破巖效率。

關(guān)鍵詞：PDC鉆頭;混合布齒參數(shù);破巖優(yōu)化

引言

PDC鉆頭中存在較多重要的參數(shù)，如布齒密度、后傾角以及切削齒尺寸等，這些參數(shù)均會(huì)對(duì)鉆頭破巖效率產(chǎn)生一定的影響，不過(guò)在現(xiàn)階段對(duì)PDC鉆頭混合布齒參數(shù)設(shè)計(jì)中，仍然存在一定的局限性，并沒(méi)有得出有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，因?yàn)椴痪邆漭^強(qiáng)的理論依據(jù)，使得鉆頭設(shè)計(jì)仍存在一些問(wèn)題，未能很好的發(fā)揮出PDC鉆頭的作用，影響了破巖效率，本文重點(diǎn)提出布齒參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，具體如下。

一、PDC鉆頭特點(diǎn)

對(duì)于PDC鉆頭而言，其自身具備較多特點(diǎn)，如效率高、鉆速快等，在油氣開采中應(yīng)用較為廣泛，不過(guò)在油氣開發(fā)不斷發(fā)展中，會(huì)到達(dá)更深的地層，以往應(yīng)用的PDC鉆頭已經(jīng)無(wú)法很好的用于深部硬地層油氣開發(fā)中，出現(xiàn)了錐形PDC齒鉆頭，其具備更好的抗沖擊性，能夠更加適用于研磨性以及深部地層中。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷加大對(duì)于PDC鉆頭的研究，結(jié)合PDC鉆頭及錐形PDC齒鉆的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)出了混合布齒PDC鉆頭，大大延長(zhǎng)了鉆頭壽命，并且也使鉆速有效提升。而PDC鉆頭混合布齒參數(shù)會(huì)在一定程度上影響破巖效率，因此，需要對(duì)此進(jìn)行深入研究。

二、PDC鉆頭混合布齒參數(shù)對(duì)破巖的影響

通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)，分析PDC鉆頭混合布齒參數(shù)對(duì)破巖的影響，將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為55 r /min，主要步驟如下：

首先，在試驗(yàn)臺(tái)上放置白砂巖試樣，將錐形PDC齒與常規(guī)PDC齒固定好，同時(shí)將切削角度分別調(diào)至15°以及-15°，完成對(duì)刀，并將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接好。其次，將錐形PDC齒切深設(shè)置為2毫米，并將齒間距設(shè)置為8、9、10、11 及12毫米，保持兩種PDC齒的高度差分別為0. 0、0. 4、0. 8、1. 2 及 1. 6 毫米，進(jìn)行混合布齒切削試驗(yàn)，同時(shí)，將巖屑收集好。通過(guò)實(shí)際混合布齒切削試驗(yàn)，得出以下結(jié)果：第一，當(dāng)兩種PDC齒的布齒高度差一定時(shí)，錐形PDC齒布齒間距不斷增大下，相應(yīng)的，常規(guī)PDC 齒的軸向力及切削力會(huì)逐漸增加。第二，通過(guò)進(jìn)行混合布齒參數(shù)的合理制定，會(huì)明顯提升混合布齒參數(shù)的破巖效率，降低破巖難度，最終達(dá)到最高的破巖效率。同時(shí)實(shí)際試驗(yàn)中得出，當(dāng)錐形PDC齒的布齒間距為9毫米，同時(shí)布齒高度差為0.4毫米時(shí)，會(huì)獲得常規(guī) PDC 齒最小機(jī)械比功，此時(shí)，會(huì)得到最高的破巖效率。第三，利用錐形PDC齒進(jìn)行預(yù)破碎，會(huì)導(dǎo)致巖石切痕間凸脊出現(xiàn)損傷情況，與根部越接近，則出現(xiàn)的損傷就會(huì)越嚴(yán)重，同時(shí)，布齒間距減小下，損傷會(huì)越嚴(yán)重。第四，當(dāng)凸脊位置處的損傷較為嚴(yán)重時(shí)，會(huì)出現(xiàn)裂紋，若混合布齒參數(shù)更加合理，則會(huì)使裂紋的形成及拓展更順利，同時(shí)，會(huì)出現(xiàn)破碎坑，最終減小破巖環(huán)節(jié)的均值切削載荷，從而會(huì)進(jìn)一步提高破巖效率。

三、PDC鉆頭混合布齒參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)，PDC鉆頭混合布齒參數(shù)能夠直接影響鉆頭的破巖效率，因此，若想獲得良好的破巖效果，需要進(jìn)行布齒參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文將重點(diǎn)放在磨損速度及側(cè)向力優(yōu)化上，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

1. 磨損速度優(yōu)化模型

設(shè)鉆頭存在n顆切削齒，根據(jù)切削距離進(jìn)行升序排列，同時(shí)分別進(jìn)行編號(hào)，鉆頭冠部曲線不變，軸向高度最大齒為鼻部齒，編號(hào)為h，定位半徑最大齒及最小齒的編號(hào)分別為n、1，這三個(gè)的位置參數(shù)也不變，同時(shí)相鄰兩齒不會(huì)出現(xiàn)干涉情況，各切削齒后傾角與定位半徑為決策變量。相鄰兩齒間存在的磨損速度差的平方和的公式如下：

公式中，L表示的是切削齒的位置函數(shù);R表示的是切削齒定位半徑;表示的是巖始鉆頭切削齒定位半徑;表示的是優(yōu)選后后傾角;表示的是后傾角變化值;d表示的是相鄰兩齒的距離;D表示的是k號(hào)刀翼上號(hào)切削齒直徑;表示的是刀翼數(shù);為刀翼號(hào)，為齒號(hào)。通過(guò)該模型，會(huì)得到優(yōu)化后的軸向高度、定位半徑以及后傾角。

2.側(cè)向力優(yōu)化模型

設(shè)鉆頭存在n顆切削齒，存在于m個(gè)刀翼上，所有刀翼首顆切削齒周向方位角，均表示各個(gè)刀翼的方位角，進(jìn)行升序排列，同時(shí)做好編號(hào)。φ為第號(hào)刀翼周向方位角，θ為號(hào)刀翼第j顆齒的周向方位角，n為號(hào)刀翼切削齒數(shù)量，則

設(shè)為優(yōu)化前每個(gè)切削齒的周向方位角，為優(yōu)化前每個(gè)刀翼的周向方位角，得出側(cè)向力優(yōu)化模型為：

表示的是刀翼周向方位角優(yōu)化調(diào)整值，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)與刀翼數(shù)目確定，提升計(jì)算效率的同時(shí)，刀翼之間不會(huì)出現(xiàn)干涉情況。使側(cè)向不平衡力與鉆壓比值不超過(guò)5%，會(huì)獲得良好的平衡效果。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，PDC鉆頭混合布齒參數(shù)會(huì)對(duì)破巖效率產(chǎn)生直接的影響，因此，若想提升PDC鉆頭的破顏效率，需要將重點(diǎn)放在PDC鉆頭混合布齒參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上，本文提出磨損速度優(yōu)化模型以及側(cè)向力優(yōu)化模型，重點(diǎn)對(duì)布齒參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)兩個(gè)優(yōu)化模型的應(yīng)用，能夠有效提升PDC鉆頭破巖效率。

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