基于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的PDC鉆頭布齒角度對(duì)復(fù)合片磨損規(guī)律的影響研究_

1、 第 期 田家林等 ： 鉆頭布齒角度對(duì)復(fù)合片磨損規(guī)律的影響研究 基于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的 · · （ ） 烄熿 烌 燄 烅 烍 （ ） 烆 燀 烎 燅 （ ） （ ） 過(guò)程中 ， 前傾 角 的 取 值 是 有 一 定 范 圍 的 刃傾角對(duì) 在 鉆頭 體 積 磨 損 速 度 的 影 響 是 比 較 復(fù) 雜 的 ， 之 前 刃 傾 角 的 變 化 對(duì) 鉆頭復(fù)合片 的 體 積 磨 損 速 度 是 沒(méi) 有 影 響 的， 當(dāng)刃傾角大于 小 于 時(shí)， 鉆頭的體積磨損 速度隨著刃傾角的 增 加 而 減 小 ， 但其減小的趨勢(shì)是 非線性的 因此 ， 如何選 擇 合 適 的 布 齒 角 度 ， 對(duì) 鉆

2、頭的性能以及使用壽命有著重要的影響 圖 為前傾角對(duì)復(fù)合片磨損規(guī)律的影響計(jì)算 結(jié)果圖 ： 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 對(duì)應(yīng)算例參數(shù)和計(jì)算結(jié)果 ， 以及 鉆頭設(shè)計(jì) 的各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì) 布 齒 參 數(shù) 進(jìn) 行 優(yōu) 化 ， 加工個(gè)實(shí) 驗(yàn)鉆頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn) ， 每個(gè)鉆頭采用不同的布齒角度 ， 具 其中之一的鉆頭實(shí)物及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如 體參 數(shù) 如 表 ， 圖 前傾角與復(fù)合片體積磨損速度的關(guān)系 圖 本實(shí)驗(yàn)使用的巖性地層為砂巖以及頁(yè) 所示 該巖 層 為 中 硬 、 硬 地 層， 在井段為 巖， 采用轉(zhuǎn)盤傳遞扭矩 ， 轉(zhuǎn)速 上進(jìn)行 個(gè)鉆頭的實(shí)驗(yàn) ， 為 排量 為 平均機(jī)械鉆速為 左右 ， ， 在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中 隨 時(shí)

3、 對(duì) 機(jī) 械 鉆 速 進(jìn) 行 記 錄 ， 利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備 測(cè) 振 儀 、 傳 感 器、 測(cè)速儀等對(duì) 鉆 把測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用軟件 ， 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 頭進(jìn)行測(cè)試 ， 然后對(duì) 復(fù)合片的體積磨損 處理 ， 鉆 頭 的 轉(zhuǎn) 速、 速度進(jìn)行分析 ， 其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 圖 、 所示 表 實(shí)驗(yàn)鉆頭數(shù)據(jù) 鉆頭編號(hào) ） 前傾角 （ ） 刃傾角 （ 根據(jù)前傾角與刃前角之間的關(guān)系以及在考慮扭 轉(zhuǎn)振動(dòng)的情況 下 鉆頭的復(fù)合片體積磨損速度 公式 ， 可求得刃傾角對(duì)復(fù)合片磨損規(guī)律的影響結(jié)果 ， 如圖 所示 ： 圖 刃傾角與復(fù)合片體積磨損速度的關(guān)系 對(duì)比分析 通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析可知 ： 與算例參數(shù)相同的 鉆 真實(shí) 頭在井底的轉(zhuǎn)速以 及

4、復(fù) 合 片 的 體 積 磨 損 速 度 （ 失效 ） 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合 ， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論計(jì) 算的合理性與正確性 根據(jù)圖 圖 隨著 、 的 結(jié) 果 可 得 到： 鉆 復(fù)合片體積磨損速度在顯著降低 ， 頭前傾角的增加 ， 當(dāng)前傾角達(dá)到一定 的 值 時(shí) ， 復(fù)合片的體積磨損速度 變成了 ， 在實(shí)際的鉆井中 ， 鉆頭復(fù)合片的體積 因?yàn)?磨損速度是不可能為 的 ， 鉆頭在設(shè)計(jì)的 · · 固體力學(xué)學(xué)報(bào) 年第 卷 圖 實(shí)驗(yàn) 圖 鉆頭的轉(zhuǎn)速 鉆頭在井底運(yùn)動(dòng)中的 對(duì) 實(shí) 驗(yàn) 過(guò) 程 測(cè) 得 的 轉(zhuǎn)速并不是穩(wěn)定 ， 存在一定程度上的振動(dòng)是正常的 ， 由于巖石的物理性 質(zhì) 、 化學(xué)性質(zhì)以

5、及軟硬程度的不 同， 必將會(huì)對(duì) 鉆頭復(fù)合片產(chǎn)生不同程度上的阻 力， 所以使得 鉆頭在井底運(yùn)動(dòng)中具有一定的不 穩(wěn)定性 由圖 前傾角 、 刃傾角對(duì) 可知 ： 鉆頭復(fù)合 片體積磨 損 速 度 的 影 響 其 計(jì) 算 值 和 實(shí) 驗(yàn) 值 存 在 誤 差， 其誤差范圍在百分之五以內(nèi) ， 在工程上是可以接 產(chǎn)生誤差的 原 因 是 多 方 面 的 ， 如： 在理論分析 受的 中并沒(méi)有考慮井壁 對(duì) 鉆 柱 的 摩 擦 造 成 的 影 響 ； 在扭 轉(zhuǎn)振動(dòng)分析中假定 鉆頭軸線與 鉆頭在鉆進(jìn)時(shí) ， 井眼中心線 是 重 合 的 ， 在 真 實(shí) 的 鉆 井 中， 鉆頭 的軸線是不可能與 井 眼 中 心 線 完 全 重

6、 合 的 ； 本文以 打豎直井為例進(jìn)行 分 析 ， 并且認(rèn)為在鉆進(jìn)的過(guò)程中 沒(méi)有任何的偏斜角度等眾多因素都是導(dǎo)致誤差存在 的原因 圖 計(jì)算值與測(cè)試值對(duì)比圖 第 期 田家林等 ： 鉆頭布齒角度對(duì)復(fù)合片磨損規(guī)律的影響研究 基于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的 · · ， 結(jié)論 （ ）隨著 復(fù)合片體積 鉆頭前傾角的增加 ， 前傾角的變化嚴(yán)重影響 磨損速度顯著降低 ， 鉆 頭復(fù)合片的磨損規(guī)律 ， 而刃傾角對(duì) 鉆頭體積磨 損速 度 的 影 響 非 常 復(fù) 雜 ，當(dāng) 刃 傾 角 為 ， 時(shí) 鉆頭復(fù)合片的體積磨損速度隨 減小的趨勢(shì)具有明顯的非 著刃傾角的增加而 減 小 ， 線性 該結(jié)論對(duì)于如何降低 鉆頭復(fù)合片

7、的失效 具有一定的參考意義 （ ）基于 扭 轉(zhuǎn) 振 動(dòng) 對(duì) 鉆頭復(fù)合片磨損規(guī) 律進(jìn)行分析 ， 與現(xiàn)有的 鉆頭復(fù)合片磨損失效的 分析相比 ， 更能準(zhǔn)確的反映復(fù)合片失效過(guò)程 （ ）通過(guò)對(duì)前傾角 、 刃傾角對(duì) 鉆頭復(fù)合片 磨損規(guī)律的分 析 可 為 鉆頭布齒提供一定的理 同時(shí) 本 文 結(jié) 合 鉆 壓 、 巖 石 參 數(shù)、 刀翼數(shù) 論參考價(jià)值 ， 等， 為布齒優(yōu)化又提供了計(jì)算依據(jù) 參考文獻(xiàn) 龐小林 ， 梁政 ， 楊琳 ， 張亮 ， 魏秦 文 ， 李友， 朱永 田家林 ， 旋風(fēng)狀井底模型的新型鉆頭運(yùn) 動(dòng) 特 性 石油學(xué) 豪 （ ） ： （ 報(bào)， ， ， ， ， ， ， ， ， ， （ ） ： （ ） ）

8、， 李 子 豐， 鄒 德 永 鉆頭綜合受力模型的 梁爾 國(guó) ， ： （ 試驗(yàn)研究 巖 土 力 學(xué)， ， （ ） ， ， ， （ ） ： （ ） ） ， ， ， ， ， ， ， ， ： ， ， 金剛石 、 地 球 科 學(xué) 中 鉆頭與工 藝 學(xué) 劉廣志 （ ） ： （ 國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào) ， ， ， ， （ ） ： （ ） ） ， ， ， ， ， ， 王文 昌， 姚 永 漢， 朱 衛(wèi) 平， 姚 建 林， 胡 以 寶 底 狄勤豐 ， 部鉆具組合動(dòng)力 學(xué) 模 型 及 渦 動(dòng) 特 性 仿 真 中國(guó)石 ， ： （ 自然科 學(xué) 版 ） 油大學(xué)學(xué)報(bào) （ ， （ ） ， ， ， ， ， （ ） ： （ ） ） ，

9、， ， 任福深 姚志 剛 受 壓 旋 轉(zhuǎn) 鉆 柱 非 線 性 動(dòng) 力 學(xué) 與 分 叉 （ ） ： （ 工程力學(xué) ， 研究 ， ， ， ： （ ， （ ） ） ） ， ， ， （ ， ） ， ， ： 狄勤豐 ， 王文昌 ， 姚建林 ， 姚永漢 斜直井中轉(zhuǎn) 胡以寶 ， 速對(duì)鉆柱動(dòng)力 學(xué) 特 性 的 影 響 工 程 力 學(xué)， ， （ ） ： （ ， ， ， ， ， ： ， （ ） （ ） ） ， ， ， ， ： ， ， （ ） ： 謝曉紅 ， 王佳亮 復(fù)合片斜鑲角對(duì)鉆 頭 鉆 進(jìn) 性 張昭和 ， ， 能的影 響 西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（ 自 然 科 學(xué) 版） （ ） ： （ ， ， ， （ ） ， （ ）

10、 ： （ ） ） ， 謝曉紅 ， 方 海 江， 李 智 峰 鉆頭出露量和 張昭和 ， 中南大學(xué)學(xué)報(bào) 線速度對(duì)復(fù)合片 磨 損 規(guī) 律 的 影 響 （ ， ： （ 自然 科 學(xué) 版 ） ， （ ） ， ， ， · · 固體力學(xué)學(xué)報(bào) 年第 卷 ： ， （ ） ： ， ， ， ， 羅德 黎明 發(fā) 吳 波 范 瑞 聚 晶 金 剛 石 復(fù) 合 片 鉆頭鉆 進(jìn)巖層的仿真 研 究 武 漢 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)， ， （ ） ： （ ， ， ， ， （ ） ： （ ） ） ， ， ， ， （ ） ， （ ） ， （ ） ： （ ） ） ， ， ， ， ， ， ： ， （ ） ： ， ， ， ， ， 曲