三塘湖火成岩地层牙轮钻头的开发.pdf

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1、第2O卷第3期江汉石油科技V01．20No．32010年9月JIANGHANPEIR0IUMSCIENCEANDTECHNOLOGYSep．2010三塘湖火成岩地层牙轮钻头的开发王务红陈东方(江汉石油钻头股份有限公司)摘要针对吐哈油田三塘湖火成岩地层岩石硬度高、可钻性差、机械钻速慢、跳钻严重、钻具和钻头易损坏等特点，设计了一种以椭凸顶齿为主切削齿的牙轮钻头。利用有限元分析软件ABAQUS进行了齿形和结构参数的优化，利用复合破岩实验综合评价椭凸顶齿的破岩效率，并最终确定一种试验齿形。钻头现场试验表明，以椭凸顶齿为主切削齿的牙轮钻

2、头在三塘湖火成岩硬地层能较好地发挥其攻击性强的作用。关键词火成岩牙轮钻头椭凸顶齿有限元分析复合破岩实验1前言2岩芯分析火成岩地层钻井是世界各大钻井公司共同面临在开发新牙轮钻头前，收集并测试了吐哈油田的难题。由于火成岩硬度高、可钻性差、裂缝多等原4口井的部分火成岩岩芯的力学性能参数，4段岩芯因，在钻井过程中出现机械钻速慢、跳钻、卡钻、损坏基本情况及测试结果分别如表1和表2所示。可以钻具和钻头断齿等现象，给钻井作业带来很大困难。看出，条15井的深灰色安山岩、马25井的灰色玄武在国内东部一些油田，火成岩厚度在500m左右，而岩和马3

3、3井的灰色荧光凝灰岩均属于可钻性较差、吐哈油田三塘湖区块马郎凹陷火成岩钻进段厚度达研磨性低的硬脆性地层岩石，马36井的灰色荧光凝3500m，机械钻速通常只有1～2m／h。为了帮助钻灰岩属于可钻性好、研磨性低、中软到中硬地层岩井用户提高在火成岩地层的机械钻速和进尺，缩短石。钻井周期、降低钻井成本，须针对吐哈油田三塘湖区块火成岩地层开发一种新型牙轮钻头，以满足钻井3技术方案用户钻进特殊地层的需求。通过大量分析三塘湖区块牙轮钻头失效特征发表1收集的吐哈油田4段岩芯的基本情况现，在钻进火成岩地层时，以楔形齿为主切削齿的牙新设计的牙轮钻

4、头采用下列技术方案：外排齿轮钻头，机械钻速较陕，但易出现断、碎齿现象；而以采用球齿，在钻进硬地层时可承受较高的冲击载荷；锥球齿为主切削齿的牙轮钻头，虽然较少出现断、碎齿现象，但机械钻速较慢。结合三塘湖区块的火成第一作者简介王务红，男，经济师，1995年毕业于大岩地层岩性特点及牙轮钻头失效特征，设计一种新庆石油学院机械制造设备与工艺专业，本科学历。现在江汉石油钻头股份有限公司从事技术管理工作。型牙轮钻头。·46·江汉石油科技第2O卷内排主切削齿设计一种界于楔形齿和锥球齿之间的初步设计的椭凸顶齿结构如图1和图2所示：齿形——椭凸顶

5、齿，该种齿形既有足够的结构强度，其齿冠由齿柱的圆形截面向齿顶椭圆形截面过渡形又有较强的攻击性；由于三塘湖区块火成岩地层研成，可降低齿冠部位的应力集中因子；齿冠两侧为弧磨性较低，无须金刚石保径，采用双排保径即可；牙形曲面，可减少牙齿切向应力；牙齿齿顶和两弧形楔轮钻头井底击碎线设计为弧形，增强牙轮钻头在硬面微凸，增强牙齿在钻凿硬地层时的攻击性，提高牙地层中攻击性；采用金属密封，提高钻头轴承的密封齿破碎地层岩石的效率。性能。4．1齿形优化为了评价新齿形HCY的结构强度，选用了4种4齿形设计常见齿形与新齿形进行对比分析，5种对比齿形的

6、图1椭凸顶齿的主视图图2椭凸顶齿的右视图表3五种齿形的基本结构参数基本结构参数如表3所示。构强度。牙齿和岩石的单元网格模型如图3所示，采用有限元分析软件ABAQUS分析齿形的结所有牙齿齿顶均采用二阶四面体单元网格，单元长第3期王务红等：三塘湖火成岩地层牙轮钻头的开发·47·■●图3牙齿与岩石的单元网格模型度为0．2mm。牙齿轴线垂直于岩石表面，齿顶与岩所示。以BS017号齿的节点应力作为基准1，其它4石表面接触，且牙齿仅沿轴向向下位移，其它方向全种齿形的节点应力集中因子随节点变化曲线如图5约束。岩石圆周及底部全约束，并在牙齿底

7、部施加所示。可以看出，新齿、形HCY的应力集中因子约为、10kN轴向载荷。0．8，均小于一其～它三种一E齿＼形的应力集中因子，说明新五种不同齿形的Mises的应力分布状况如图4齿形HCY～在所～比较的齿形具有最好的结构强度。。图4五种不同齿形的Misos应力分布状况表4椭凸顶齿的六种不同弧顶半径2．2冈1．81．41-oO．6节点字号图5五种齿形的应力集中因子随节点变化曲线图如图6所示。HCY一5和HCY一5号椭凸顶齿的应力4．2参数优化集中因子较小，综合考虑牙齿的结构强度和攻击性椭凸顶齿的弧顶半径是一个关键设计参数，它之间的

8、矛盾，选用HCY～5号椭凸顶齿作为钻头实直接影响着牙齿的结构强度和攻击性。为了获得最验用齿。合适的椭凸顶齿弧顶半径，对这一结构参数进行优4．3破岩评价化设计。设计了6种不同弧顶半径的椭凸顶齿(如为了评价新设计的椭凸顶齿HCY的破岩效率，表4所示)，同样利用有限元分析软件ABA