交变轨迹切削破岩机理与配套工具的设计理论研究

The cutting principle of conventional PDC bit results in bad drilling ability when it is working on hard formation which has lead to the the poor efficiency.Mandatory alternating tracks PDC drill bit is a combination with compulsive transverse tool and PDC bit ,which can achieve the accelerate thought of cutting rock in accordance with the scheduled alternative trail. First of all, the theory of kinematics of the new-type rock breaking tool should be set up and alternate motion rule should be researched .secondly, we should carry out single alternating path of cutting process numerical simulation and experiments for measuring cutting force,then research the rock disintegration mechanism of Alternative cutting and then master the Mechanical and energy consumption of the tooth to build computational model.Thirdly,experimental installation is prepared to launch the indoor imitate tests and get the The kinematics and cutting force parameters.with these previous data, the influence on cutting path、load on tooth、load on bit and drilling efficiency can be summarized.Fourthly, digital simulation technology of the new type of bit should be study to set up analysis methods of cutting mechanics performance .finally, we will research and build the design theory on cutting structure of the compulsive transverse tool and bit. The results of the research will supply the basic theory support for engineering application of new rock-cutting tools which will have a great significance on improving the rock breaking efficiency of hard ground.

常规PDC钻头的同轨切削原理使其在难钻地层钻进时的吃入能力不足，严重制约了破岩效率的提升。强制交变轨迹切削破岩工具是一种将强制横向驱动工具与PDC钻头相结合，从而实现按预定交变轨迹规律切削岩石的钻井提速新思想。首先，建立新型破岩工具的运动学理论，研究牙齿在井底的交变运动轨迹规律；其次，开展交变轨迹切削岩石过程的单齿切削力实验测试和有限元数值模拟，研究交变轨迹切削过程的岩石破碎机理，掌握钻头牙齿的切削力学特性和能耗特性，建立牙齿切削力计算模型；第三，研制实验装置，开展新型钻头的室内模拟钻进实验，测试钻头运动参数和切削力参数，掌握各种因素对交变切削轨迹、牙齿载荷、钻头载荷以及钻进效率的影响规律；第四，研究新型钻头钻岩数字仿真技术，建立钻头切削力学性能分析手段；第五，研究、建立破岩工具与钻头切削结构的设计理论。该研究能为新型钻头的工程化应用提供基础理论支持，对提高难钻地层的破岩效率具有重要意义。

油气钻井工程是一项高投入、高风险、高效益行业技术，钻头是钻井工程中的消耗性产品，对钻井成本的影响高达30%至70%。PDC钻头在深部难钻地层条件下，切削齿侵入岩石能力不足，钻头异常失效严重，是制约油气钻井提速增效的瓶颈性问题。在研究五因素（岩石强度、吃入深度、齿形直径、前倾角度、磨损高度）对单齿切岩破碎比功和主切削力的敏感性影响规律基础上，针对不同交叉角度和轨迹间距对切削载荷的相对影响趋势，形成了计算交变轨迹状态下的切削力学模型。建立了新型轴倾式钻井破岩工具关键几何参数关系方程、切削齿特征点位置方程，编制了运动学分析计算程序并进行了运动轨迹和井底覆盖情况分析，进而获得了对该工具设计理论的指导思想。研制了实验装置，开展了变参数（轴倾角、传动比、岩石类型）破岩对比实验，开发了数字化仿真分析系统软件。对比了不同组合的钻进速度、工作载荷与岩屑形态，并针对三种岩石获得了轴倾角与传动比组合下的最优钻进速度指标参数，据此建立了基于岩石强度分级的切削结构设计机理和方法。研究认为在交变轨迹切削所形成的凹凸不平的井底形貌改变了岩石表面的应力状态，使岩石单元体积强度降低，岩屑尺寸增加。这就自然降低了切削齿破岩的破碎比能，相较于单向切削状态所需的塑性能耗小12%至35%。岩石强度对机械钻速的影响十分显著，随着岩石强度增加下降趋势明显；在较高强度岩石钻进条件下，不同传动比对钻速影响较大，在传动比为中间值时出现极大值；采用交变轨迹切削破岩方式提高钻进效率的技术途径，在以灰岩为代表的中高硬度岩石条件下，能够取得良好的提速效果。研制了Φ127mm型轴倾式PDC钻头工具样机，机械强度满足功能性要求，钻头工作力学稳定性较好，机械钻速提高明显。本项目研究成果在今后的产品化及现场应用中，将会为钻井行业提速、增效、降本提供有益的支撑，也将会为我国钻头技术水平的进步作出贡献。