基于单齿侵入理论的牙轮钻头钻速方程.pdf

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1、东北石油大学学报第37卷第1期2013年2月JOuRNALOFNORTHEASTPETROLEUMUNIVERSITYV01．37No．1Feb．2013基于单齿侵入理论的牙轮钻头钻速方程李玮，郑浩然，开月，张红卫。，王茂盛。，马旭，赵敏含(1．东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318；2．中国石油大学(北京)石油工程学院，北京102249；3．大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆163712；4．川庆钻探工程有限公司井下作业公司，四川成都610051；5．川庆钻探工程有限公司国际工程公司，四川成都610000)摘要：考虑井底水平地应力、钻井流体压力及地层孔隙压

2、力，基于单齿侵入理论推导单齿侵入井底岩石的侵深公式，建立纯滚动锥形齿、楔形齿和滚动、剪切复合运动锥形齿等牙轮钻头的钻速方程．通过实验分析刃尖角、井底液柱压力对单齿侵入深度的影响，以及转速、轴向载荷对微钻头、牙轮钻头机械钻速的影响．结果表明：随着牙齿刃尖角的增大，锥形齿和楔形齿的侵深呈指数递减趋势；随着井底液柱压力的增大，牙齿侵入深度呈指数递减趋势，其中锥形齿降低速率大．在软到中硬地层中，牙齿侵入深度大，冲击侵入、回转剪切复合破岩方式的破岩效率高；在硬度地层中，牙齿侵入深度小，纯滚动冲击侵入破岩效率高．为分析实钻时牙轮钻头的机械钻速提供计算方法．关键词：单齿侵入理论；牙轮钻头；钻速

3、方程；钻井工程中图分类号：TE21文献标识码：A文章编号：2095—4107(2013)01—0085—060引言牙轮钻头是石油天然气钻井中主要的机械破岩工具之一，其工作性能直接影响钻进速度和钻井成本l_1]．因此，开展机械钻速研究对于丰富机械破岩理论、推动深部地层复杂钻进条件下牙轮钻头破岩机理研究具有指导意义．牙轮钻头通过牙齿冲击侵入岩石，再辅以回转剪切实现高速破碎地层岩石[3]．由于受到井底液柱压力影响，牙轮钻头在井底的破岩过程十分复杂．杨进根据实验和现场实钻数据，分析地层孔隙压力对岩石抗钻强度的影响[5]．刘永贵等分析气体钻井时井底液柱压力对破岩机理的影响，揭示岩石破碎的内

4、能释放机理6]．郑德帅等研究井底液柱压力对岩石破碎的影响机制，较好地解释欠平衡、气体钻井提高钻速的原因．当前，主要理论研究和破岩实验分为2个方面：一方面是实验条件下单齿、多齿的侵入过程及机理分析[8；另一方面是通过机械参数和岩石可钻性系数建立牙轮钻头的钻速方程引．这些研究缺少地层条件下牙轮钻头破岩过程的复合钻进模型，以及能够详细描述地层状态的地层参数和牙轮钻头的结构参数的综合性实钻钻速方程．笔者分析地层的压力环境和牙轮钻头牙齿破岩的特点，基于单齿侵入理论，建立井底条件下牙轮钻头的钻速方程，为分析实钻时牙轮钻头的机械钻速提供计算方法．1岩石力学分析1．1受力分析钻井工程中常用牙轮钻

5、头见图1．牙轮钻头的牙齿在钻压w作用下侵入岩石的过程可以简化为单齿侵入岩石的过程(见图2)．井底地层岩石在水平地应力、钻井流体压力P及地层孔隙压力P作用下，尖角为2的牙齿在载荷P作用下侵入岩石，载荷P在牙齿刃面上形成剪切力r和法向力．当载荷增大到某临界值时，刃面侧收稿日期：2012—06—21；编辑：任志平基金项目：国家科技重大专项(201lzx05021—002)；国家自然科学基金项目(51274072)作者简介：李玮(1979一)，男，博士，副教授，主要从事油气井工程力学及岩石力学方面的研究第1期李玮等：基于单齿侵入理论的牙轮钻头钻速方程2破岩钻速分析牙轮钻头的齿形和运动形式

6、不同，牙齿侵入岩石的破碎坑形状也不同．在纯滚动时，锥形牙齿侵入岩石的破碎坑形状为圆锥形，楔形牙齿侵入岩石形成的破碎坑形状为三棱柱形；在滚动和滑动联合作用时，锥形牙齿侵入岩石形成的破碎坑形状为三棱柱形．2．1微牙轮钻头实验微牙轮钻头的齿形为楔形，形成的破碎坑形状为三棱柱形．在破碎过程中，受到井底工作面不平的影响，引入多齿联合破岩影响系数C，则单位时间内微牙轮钻头的钻速为一7cd(I乞2sinO吐cos)，(12)式中：m为某一时刻每个牙轮与井底接触的牙齿个数；‰为钻头的旋转速度；L为楔形齿宽；d为微牙轮钻头的直径．2．2井底条件下牙轮钻头钻进在纯滚动时，锥形齿侵入岩石形成的破碎坑形

7、状为圆锥形．考虑实际钻井条件下水力净化系数c、压差影响系数C。，则单位时间内锥形齿牙轮钻头的机械钻速7J为一45dbd(＼黜2sin2tan+C一r2)J。，’(13式中：d为牙轮直径；Z为钻头牙轮外排齿圈齿数．同理，得到纯滚动时楔形齿牙轮钻头的机械钻速为一一lOnd鲁bd(I2sin02ta高n+C一)J．‘(14对于适合滚动和滑动联合运动地层，锥形齿侵入岩石产生的破碎坑形状为三棱柱形，可得滚动和滑动联合运动下锥形齿牙轮钻头的机械钻速为7，一==————————————————