1、收稿日期：；改回日期：基金项目：国家自然科学基金“万米深井 钻头冲击破岩机理及提速方法研究”（）作者简介：盖京明（），男，年毕业于东北石油大学石油工程专业，现为该校石油与天然气工程专业在读博士研究生，主要从事油气井岩石力学方面的研究工作。通讯作者：李玮（），男，教授，博士生导师，年毕业于大庆石油学院石油工程专业，年毕业于东北石油大学油气井工程专业，获博士学位，现从事高效钻井破岩、水力压裂、钻井优化等方面的研究工作。：定向双齿结构对 钻头破岩效率及侧向力的影响盖京明，李玮，刘刚军，郑瑞强，李兵，陈子贺（东北石油大学，黑龙江大庆 ；油气钻完井技术国家工程研究中心，北京 ；中国石油集团西部钻探工程有
2、限公司，新疆克拉玛依 ；中国石油大庆钻探工程公司，黑龙江大庆 ）摘要：针对钻头在软硬夹层中钻进时，由于 钻头破岩效率低以及侧向力激增引发钻柱横向振动和涡动，导致钻头过早失效的问题，设计了一种具有定向双齿结构的 钻头，并通过双齿切削有限元模拟，研究了不同布齿参数的定向双齿结构对破岩效率和局部侧向力平衡的影响。结果表明：定向双齿结构能够有效提高破岩效率，双齿间距对机械比功的影响较小，相比单齿切削机械比功减小约 ；双齿夹角能够显著影响机械比功，当双齿夹角为 时，相比单齿切削，机械比功减小约 ；相同侧转角情况下，双齿夹角布齿的侧向力比单齿切削减小约 ，能够有效提高钻头在过渡地层和定向钻井时的局部侧向力
3、平衡，从而提高钻头整体力平衡效果。该研究可为 钻头布齿优化设计提供参考和依据。关键词：定向双齿；钻头；机械比功；侧向力平衡；软硬夹层；深层；超深层中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，；，）：，；，；，第 期盖京明等：定向双齿结构对 钻头破岩效率及侧向力的影响 ，：；引言随着油气勘探开发目标向深层、超深层和非常规储层发展 ，油气勘探面临储层埋藏深、井身结构复杂、地层软硬度差异大、砂泥岩页岩交互剧烈等难题，导致 钻头在定向钻进时频繁出现缩径、工具面不稳定、扭矩变化大、托压严重等工况 ，对 钻头的个性化设计提出了新的要求。目前，为了提高 钻头在软硬夹层及定向钻进时的稳定性，主要通过调
4、整布齿参数，将侧向力转移至钻头一侧的低摩擦保径块，形成抗涡钻头 ，或将钻头侧向力内部抵消，使钻头整体侧向力接近于零 。但由于侧向力计算模型精度低、钻井破岩非线性过程难以描述等因素影响，钻头侧向力激增引发的横向振动仍不可避免 。通过设计特殊的钻头结构，从而提高 钻头破岩效率和稳定性成为相对有效和实用的方法 。为综合提高 钻头在软硬夹层中钻进的效率和稳定性，设计了一种定向双齿结构的 钻头，并分析了定向双齿结构对钻头破岩效率和局部侧向力平衡效果的影响，进而为适用于软硬夹层和定向钻井的 钻头个性化设计提供参考。定向双齿钻头的结构特点定向双齿 钻头结构如图 （为布齿间距，；为双齿夹角，）所示，为五刀翼钻
5、头，采用15342?da?b?c?12345?图 定向双齿 钻头结构示意图 直线 圆弧形冠部设计，便于双齿结构的布置。与常规 钻头的区别在于，在钻头、号刀翼的圆弧区上，采用了双齿结构，而、号刀翼则采用了常规的单齿结构，这种布齿方法的优点在于，双齿分别布置于钻头的对称位置，且位于钻头鼻部及肩部，能够充分发挥双齿破岩作用并有效提高钻头局部和整体稳定性。基于应力叠加原理，定向双齿结构可通过调整同刀翼上的相邻 颗切削齿的布齿间距和夹角（图 ），提高切削齿前方岩石的应力水平，有效破碎岩石，提高切削效率。同时可将切削齿的侧向力导向双齿中心，使侧向力相互抵消，降低钻头的局部侧向力，提高钻头的整体平衡效果。定
6、向双齿结构破岩模型 定向双齿结构破岩机理通常情况下，钻头的切削齿是从钻头中心向保径端沿螺旋线依次布置在各刀翼上，各切削齿分别独立破碎岩石，可采用单齿切削实验分析布齿参数对破岩效率的影响 。但随着 钻头结构和功能的更新，切削齿的研究不再局限 特 种 油 气 藏第 卷于常规形态的单齿切削，而是需要考虑多种形态、多种布置方式的最佳布齿方法。刀具切削岩石时，刀具对岩石造成挤压，在岩石内部形成轴对称的椭圆形应力场，当 颗刀具足够近时，应力场会干涉叠加。由应力线性叠加原理可知，刀具中心部分的岩石应力会提高，更易达到失效判据，即更易破碎（图 ）。等 建立了一个考虑孔隙压力的切削模型，使用解析方法研究了双齿布
7、齿间距和布齿高度差对机械比功的影响。研究表明，双齿的综合作用能有效降低机械比功。为了更深入了解双齿效应对机械比功的影响，采用有限元模拟方法研究双齿布齿间距和布齿夹角对机械比功的影响。图 双齿综合破岩效果示意图 基本假设 切削齿的破岩过程是一个十分复杂的非线性过程，岩石塑性变形、岩屑流动、裂纹萌生、孔隙压力变化等导致切削过程表现出强烈的非线性特征 。由于仅研究双齿切削下岩石的应力分布和切削力的动态变化，为了便于分析，在确保模型准确性的情况下作如下假设：不考虑 切削齿的变形和磨损，将 切削齿假设为刚体；假设岩石为各向同性的连续介质，忽略岩石初始裂纹对切削产生的影响；岩石达到损伤判据后会被移除，不产
8、生岩屑流动；忽略岩石的孔隙压力和静水压力。有限元模型对于岩石模型，基于圣维南原理，为防止远端约束对岩石应力分布产生影响，岩石体积应为切削齿体积的 倍 。因此，设计岩石尺寸为 ，切削区域采用网格加密以提高计算精度。切削齿采用直径为 、长度为 的标准切削齿，分别设置不同的后倾角、切削深度、双齿间距、双齿夹角。齿和岩石均采用 六面体 节点线性单元，单元类型为三维应力，分析方法为显示动力学分析。材料设置和边界条件 齿的强度和硬度远高于岩石，在切削时不发生塑性变形，故将其视为刚体。岩石的失效判据采用线性 准则 ，该破坏准则是一种三维压力模型，用于估算岩石达到极限强度时的应力状态。岩石物性参数如下：石灰岩
9、密度为 ，弹性模量为 ，泊松比为 ，屈服强度为 ，内摩擦角为 ，断裂应变为 。由于研究点在于双齿应力叠加对破岩效率和侧向力的影响，故应尽可能简化或忽略其他无关因素，同时考虑实际钻井时的岩石边界条件，设置岩石前面、侧面和底面为固定约束，如图 （红色三叉符号表示固定约束）所示。岩石与刀具为通用接触，刀具与岩石的切向行为定义为罚函数，摩擦系数为 。为减小刀具高速撞击产生的切削力误差，获得更为平稳的切削力曲线，采用低速切削，设置刀具速度为 。由于研究的尺度很小，影响范围通常在几个毫米的尺度内，为了获取精确的切削力值，对数据采集点进行加密，设置数据采集间隔为 。?图 边界条件和载荷设置示意图 第 期盖京
10、明等：定向双齿结构对 钻头破岩效率及侧向力的影响 机械比功估算方法 切削面积估算刀具与岩石的接触面在切削方向上的投影即为刀具的切削面积，切削面积与切削深度和切削齿半径有关，其几何关系如图 所示。图 单齿切削面积示意图 由图 可知：（）（）（）槡（）则双齿切削面积为：（）式中：为单齿切削面积，；为切削齿半径，；为切削深度，；为双齿切削面积，。机械比功估算机械比功可用于量化切削效率，定义为破碎单位体积岩石所需的能量。机械比功越小表示破岩效率越高。双齿切削过程的机械比功估算公式为 ：（）式中：为双齿切削的机械比功，；、分别为 颗切削齿在切削方向上的切削力分量，。根据数值模拟得到的切削力与计算得到的双
11、齿切削面积可估算 。结果分析和讨论 双齿结构对 的影响 双齿间距对 的影响综合分析在不同切削深度和后倾角（）情况下，双齿间距对 的影响。图 为 、时不同双齿间距下岩石表面的 应力分布情况。由图 可知：刀具切削产生的应力场主要集中在刀具前方和刀具两侧，当 颗切削齿距离足够近时，刀具前方的双齿中心区域会产生应力干涉叠加，形成相连的应力集中区。由应力线性叠加原理可知，双齿前方的中心部分的应力更高，更易达到岩石破碎判据。图 为不同切削深度下 与双齿间距的关105.8489.6497.0282.1788.2074.7079.3867.2370.5659.7661.7452.2952.9244.8244.
12、1037.3535.2829.8826.4622.4117.6414.948.827.470.000.00Mises/MPa?Mises/MPa?a=0mmb=3mm?dd图 双齿间距对岩石表面 应力的影响 系，作为对比，图中绘制了对应切削深度下单齿切削的 曲线。由图 可知：对于单齿切削，随着切削深度的增加而减小，且减小幅度逐渐降低；对于双齿切削，随着双齿间距的增加，整体呈正弦函数变化。随着切削深度增大，双齿切削的 整体变化趋势与单齿切削相同，整体呈现减小趋势。但当切削深度为 和 时，双齿切削的 整体大于或等于单齿切削的 ；当切削深度为 时，双齿切削的 在单齿切削的 值附近波动；当切削深度为
13、时，双 特 种 油 气 藏第 卷齿切削的 整体小于或等于单齿切削的 ，最大减小约 。表明双齿综合效果仅在切削深度较大时产生，且双齿间距对 的影响较小。图 不同切削深度下 与双齿间距关系曲线 上述现象与 等 的解析结果有所不同，在解析解下，双齿切削的 值随双齿间距的增大而不断增大，直至逼近于单齿切削的 ，而图 则呈现正弦曲线形态，且仅在切削深度较大（）时，双齿切削的 才小于或等于单齿切削的 。产生这种差异的主要原因在于，影响双齿机械比功的主要因素是双齿中心的岩石是否易于破碎。当双齿中心的岩石易于破碎时，双齿综合效果会增强，较小；反之，会较大。在双齿切削时，当双齿间距较小时，双齿中心岩石会受到两齿
14、的挤压，从而更难破碎，导致 增大。为证实该观点，绘制切削深度为 ，双齿间距分别为 和 时对应的 方向的应力云图（图）。由图 可知：双齿中心的岩石在 方向的应力为负值，表明岩石受压。当双齿间距为 时，双齿中心的岩石在 方向的应力绝对值要高于双齿间距为 时的应力绝对值，表明在双齿间距为 时，双齿中心的岩石单元受到更大的压应力，从而更难以破碎。因此，在双齿切削的 曲线中，双齿的 并不总是小于单齿的 ，且双Mises/MPaMises/MPa43.2943.2833.7631.9424.2320.6014.709.265.17-2.08-4.36-13.42-13.89-24.76-23.42-36.
15、10-32.95-47.44-42.48-58.78-52.01-70.12-61.54-81.46-71.07-92.80a=2mmb=3mm?：?dd图 岩石在 方向上的应力云图 齿切削的 曲线呈现波动趋势。图 为 时，不同后倾角时 与双齿间距的关系曲线。由图 可知：随着后倾角增大，图 不同后倾角下 与双齿间距关系 不同双齿间距下的 几乎呈线性增大；随着双齿间距的增加，双齿切削的 呈正弦函数变化，且在单齿切削的 值附近波动；当后倾角较大时，双齿切削的 曲线整体在单齿 曲线上方，而当后倾角较小（）时，双齿 曲线整体在单齿 曲线下方，最大减小幅度约为 ；图中也有双齿 略大于单齿 的情况，这与前
16、文所述的双齿中心岩石受挤压力有关。由于仅在较大的切削深度下才能产生双齿效应，说明必须采用攻击性较强的切削齿，即必须使用较大尺寸的切削齿，且需要保障足够的切削面积，才能充分发挥双齿破岩的综合效果。双齿夹角对 的影响在模拟不同双齿间距的切削时，双齿夹角为 ，由图 的应力云图可以看出，在该布齿方式第 期盖京明等：定向双齿结构对 钻头破岩效率及侧向力的影响 下形成的有效应力叠加区很小。考虑切削齿破岩机理和应力叠加原理，对双齿夹角与 的关系进行了模拟分析。图 为 、时，双齿夹角对岩石剪应力的影响云图。由图 可知：剪应力主要分布在切削方向上刀具与岩石的接触部分。当双齿夹角较小时，以刀具边缘为中心，刀具左侧
17、的岩石受到的剪应力为正，右侧为负；当 时，刀具前方岩石所受剪应力较为平衡，正负剪应力呈现间隔分布；当 时，剪应力主要分布在刀具边缘，而不是分布在刀具前方。由于 切削齿的破岩机理主要为剪切和拉伸破坏，故 时，切削齿能够高效利用剪应力破碎刀具前方的岩石，从而提高破岩效率。图 为 、时，不同布齿间距下，随双齿夹角的变化规律。由图 可知：随双41.6243.7427.4455.1830.8636.9121.4046.0220.1030.0815.3636.869.3423.259.3227.70-1.4216.423.2818.54-12.189.59-2.769.38-22.942.76-8.800
18、.22-33.70-4.07-14.84-8.94-44.43-10.90-20.88-18.10-51.19-17.73-26.92-27.26-65.95-24.56-32.96-36.42-76.71-31.39-39.00-45.58-87.47-38.22-45.04-54.74Mises/MPa?Mises/MPa?Mises/MPa?Mises/MPa?a=120b=140?c=160d =180图 不同双齿夹角下的剪应力云图 图 不同双齿间距下 与双齿夹角关系曲线 齿夹角增大，呈现先减小后增大的趋势，并且在双齿夹角为 时，达到极小值，这与剪应力分布情况一致，与双齿夹角为 时相比
19、，减小约 。当其他布齿条件相同，仅布齿间距不同时，的差值不大，这与上一节得到的结论相同。图 为 、时，不同切削深度下，图 不同切削深度下 与双齿夹角关系图 随双齿夹角的变化曲线。由图 可知：随着切削深度的增大，显著降低，当切削深度较小时（、）时，随双齿夹角的增大逐渐减小，当切削深度较大时（、）时，随双齿夹角增大先减小后增大，在 时 达到最小值，与 时相比，减小约 。相比双齿布齿间距，双齿夹角对 特 种 油 气 藏第 卷的影响更大且更加稳定。当切削齿能够获得足够大的切削面积时，双齿产生的应力叠加效应能够有效破坏双齿中心部分的岩石，从而大幅降低 。双齿结构对侧向力的影响图 、为不同切削深度下，双齿
20、夹角与侧向力以及侧向力标准差的关系曲线。由图 、可知：侧向力及其标准差随双齿夹角增大呈现先增大后减小的趋势，在不同的切削深度下，侧向力及其标准差峰值出现在不同的双齿夹角处；当切削深度为 时，侧向力及其标准差在双齿夹角约为 时达到极值，而当切削深度为 时，侧向力及其标准差在双齿夹角约为 时达到极值。图 不同切削深度下，双齿夹角与侧向力关系 图 不同切削深度下双齿夹角与侧向力标准差关系 当双齿呈一定夹角布置时，相比单齿相同侧转角，侧向力减小约 ，这表明双齿夹角布齿将部分侧向力导向双齿中心，从而相互抵消，能够显著降低钻头在局部的侧向力，从而更利于钻头整体的侧向力优化。当 、时，相比单齿相同侧转角，侧
21、向力标准差减小约 ，这表明在该布齿参数下，侧向力的波动有明显的降低，而当 时，双齿夹角布齿的侧向力标准差始终大于单齿相同侧转角时的侧向力，增大幅度约为 ，这表明在当前布齿参数下，侧向力波动明显增大。综合考量破岩效率和侧向力减小的效果，切削深度不宜过大，以 最佳。同时，钻头的整体侧向力平衡是由所有切削齿的布齿情况共同决定的，若想提高钻头的整体侧向力平衡效果，应当对钻头的所有布齿参数进行优化，而定向双齿 钻头的布齿方式决定了钻头在局部位置侧向力平衡的优越性，这使得钻头在过渡地层当中总能保持局部稳定，从而提高了钻头的整体侧向力平衡。结论（）当双齿平行间距布置时，随双齿间距增大，呈正弦函数变化。仅当切
22、削深度足够大（），后倾角较小（）时，破岩效率才会有明显降低，减小幅度约为 。（）当切削深度足够大，随着双齿夹角增大，呈先减小后增大趋势，相比双齿平行布置，显著减小，当双齿夹角为 时，最大减小约 。（）当切削深度足够大，随着双齿夹角增大，侧向力先增大后减小，在不同深度下侧向力峰值出现在不同的双齿夹角处。相比单齿相同侧转角情况下，双齿夹角布齿的侧向力减小约 。（）当切削深度过大（）时，尽管双齿夹角布齿能够减小侧向力，但侧向力标准差增大约 ，侧向力波动明显提高。综合考量破岩效率和侧向力减小的效果，切削深度不宜过大，以切削深度为 最为合适。（）双齿夹角布齿能够有效提高破岩效率并减小钻头局部侧向力，这使
23、得钻头在过渡地层和定向钻进中总能保证局部侧向力平衡，从而提高钻头整体的平衡性。参考文献：曾义金 深层页岩气开发工程技术进展 石油科学通报，（）：第 期盖京明等：定向双齿结构对 钻头破岩效率及侧向力的影响 ，（）：汪海阁，葛云华，石林 深井超深井钻完井技术现状、挑战和“十三五”发展方向 天然气工业，（）：，：，（），（）：张晴，任重阳，张然舜，等 基于文献计量特征的我国深层页岩研究进展及趋势（）非常规油气，（）：，（），（）：王晓彦，樊思成，田东彬，等 复杂地层定向井聚晶金刚石复合片钻头设计 设备管理与维修，（）：，（）：孙明光，张云连，马德坤 适合多夹层地层 钻头设计及应用 石油学报，（）：，（）：贾佳，冯雷，夏忠跃 临兴区块小井眼井钻头优化设计 非常规油气，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：杨迎新，胡浩然，黄奎林，等 环脊式 钻头破岩机理实验研究 地下空间与工程学报，（）：，（）：，：，：（），（）：，：，：，：赵润琦，陈振良，史怀忠，等 斧形 齿破碎致密硬质砂岩特性数值模拟研究 石油机械，（）：，（）：邹德永，陈雅辉，赵方圆，等 斧形 齿破岩规律数值模拟研究 特种油气藏，（）：，（）：刘笑傲，邹德永，王庆，等 基于离散元法的砾岩地层三棱齿切削破岩数值模拟 特种油气藏，（）：，（）：编辑孟凡勤
