觧安青
中石化江钻石油机械有限公司 湖北武汉 430223
摘要：为了既能取芯，又能提高返屑能力、避免重复破岩、获得高机械钻速，基于前人的研究成果和现有的设计方法，结合随钻取心钻头的结构与破岩特点，设计出了一款全新的内置射流通道型混合钻头，并利用台架实验与现场实验对其破岩特性、机械钻速进行测试，将测试结果与理论计算结果进行对比分析，结果表明 ：①内置射流通道型混合钻头通过在混合钻头PDC部件内部设计一个射流专用通道，冠部中心设计吸附通道，高压钻井液在刀翼尾端产生负压作用，将混合钻头中心所取的大粒径岩屑推送到射流通道，进而回到环空；②内置射流通道型混合钻头提速增效的效果非常明显，在排量为 25 L/s 的现场实验中，其提速效果介于 5% ～ 40% ；③实验室测试与现场实验内置射流通道型混合钻头的破岩性能与理论计算结果吻合，验证了其可靠性。结论认为，新型钻头在破岩过程中具有“吸附下部岩屑、推送上部岩屑”的效果，可降低岩屑重复破碎率，提速增效效果显著。
关键词：内置射流通道、随钻取得小粒径岩屑、破岩特性。
引言
近年来，随着石油钻探领域不断扩大，钻探的地层更显复杂，因此要求钻头具有更好的地层适应性。聚晶金刚石复合片( polycrystalline diamond compact，PDC) 钻头在硬地层或者软硬交错的地层中可钻性差，难以满足高效破岩的需求。因此设计出具有牙轮钻头优势和PDC 钻头优势的混合钻头，该混合钻头具有牙轮钻头承受钻压高、岩屑粒径大、定向工具面稳点的特点，又有PDC钻头破岩效率高的特点，但是对于钻井过程中的地质分析，难以找到大粒径岩屑。因此，需要研制一款具有上述混合钻头优点的钻头，又兼有钻得大粒径岩屑特点的钻头。因此本文研究的内置射流通道型混合钻头就是基于此需求而设计新型钻头。
1. 内置射流通道型混合钻头设计
首先分析现有常规钻头的结构与破岩特点，如图 1 所示两种典型的常规钻头。实际钻井工程中，由于钻头钻进的复合运动，图 1-a 所示的常规PDC钻头，钻井过程中的岩心有可能在通道处产生拥堵，当然随着钻井破岩进一步作业，会继续增加岩心环空挤压力。优化此处的水眼设计与刀翼倾斜角度，可减轻或避免此种情况。但由于堵塞情况存在的可能性，实际钻井过程中，由于钻井液、岩心、岩屑、钻头、井壁的耦合关系，有可能产生岩心的重复破碎，难以获得大粒径岩屑，尤其是在可钻性差的地层，难以选取到可用于地质分析的岩屑。
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与此对应，图 1-b 所示的随钻取心钻头，由于在钻头内部有专用通道，在离井底较远处，岩心从通道中被挤出，进入环空，可避免第 1 种设计中所述的问题，或者在其他条件相同的情况下，对于保持岩心的完整性、避免岩屑重复破碎有积极意义，对钻井破岩提速增效有实际效果。但是，由于岩心从专用通道流出，所以设计中必须保证在钻井条件下，岩心不会在通道发生堵塞，即岩心被往上挤压的过程中，一定不能产生“卡死”现象，为避免这种现象，需要考虑岩心形状、通道结构尺寸、岩心与通道的接触、摩擦等情况。
在充分考虑现有设计方法、研究现状的基础上，本文提出一种全新的随钻取心钻头，如图 2 所示。通过在混合钻头PDC部件内部设计一个射流专用通道（以下简称专用通道），钻头流道内部的部分高压钻井液通过射流专用通道，以速度 v0 经射流喷嘴流出，同时在刀翼尾端形成负压，并在负压作用下吸附通道以流速 vs 携带较大粒径岩屑进入推送通道，然后以流速 vc 与所取大粒径岩屑回到环空。
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由于钻头内部的钻井液压力较高，根据流体动力学计算模型，当钻井液进入专用通道，直至从环空流出的过程中，在钻头刀翼尾端处由于负压效应，会对钻头下部的岩心产生吸附作用，而对位于推送通道中的岩心，又会有推送效果。在破岩过程中由于专用通道的存在，结合实际钻井工作情况，新设计的内置射流通道型混合钻头会对岩屑产生“吸附下部岩屑，推送上部岩屑”的效果。
该钻头设计时充分考虑了在不影响钻头机械钻速的前提条件，在钻头中心位置设计小口径吸附通道的孔，钻井时吸附通道孔形成的岩芯柱，通过钻压和横向振动断芯，从取得用于地质分析的随钻岩芯。
2.钻头与岩石相互作用有限元模型
混合钻头与岩石的相互作用，以预先与地层接触的牙轮钻头部分开展有限元模型分析。
2.1基本假设
在做有限元分析时，根据混合单牙轮结构设计特点以及合理的数据要求对模型进行简化，并作出如下假设: 1) PDC 齿和岩石均为连续、各向同性材料; 2) 在切削过程中不考虑温度场的变化; 3) 钻头不重复破岩; 4) 井眼轴线和钻头旋转中心不发生偏移。
2.2钻头与岩石相互作用有限元模型的建立
数值仿真只研究钻头在钻进过程中不同齿圈牙齿的载荷大小和分布规律。在不考虑牙掌、牙轮形变的情况下，将它们设置为刚体。根据上述假设，在牙掌肩部施加钻压，同时设置牙掌的转速，并给牙掌添加关键字“* PART_INERTIA”，人为指定牙掌的质心在旋转中心线上。牙轮和牙掌通过铰链约束连接，锥形WC硬质合金牙齿和PDC齿分别绑定在牙轮和牙掌上。利用 ANSYS /LS-DYNA 软件进行模拟分析。首先设置几何模型各个部分的材料参数，然后进行网格划分。由于牙掌和牙轮不是直接参与破岩的部分，同时也不是本文研究的重点，所以采用较粗的网格进行划分。而直接与岩石接触的牙齿则用能描述牙齿几何形状的小尺寸网格进行划分。对于形状规则的岩石，通过映射网格划分方法来提高计算精度。要求对岩石的网格划分尽可能细，但由于网格的减小会引起计算时长呈几何级数增加，所以根据经验将岩石的网格尺寸设置为1． 5 ～ 2 mm。钻头与岩石相互作用有限元模型如图 3 所示。
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图3 内置射流通道型混合钻头牙轮部件与岩石相互作用有限元模型
为了分析牙齿上的载荷，在每一齿圈上选择一个牙齿作为研究对象，在硬质合金牙齿底面和 PDC 齿端面建立局部坐标系，并使得该坐标系能随牙齿一起运动。根据岩石基本力学参数，结合砂岩三轴围压实验和Hopkinson压杆实验，给出了砂岩和灰岩的 H-J-C本构模型参数。
3.实验与分析
为验证理论模型，利用台架实验与现场实验对新钻头进行测试分析，将测试结果与理论结果进行对比分析，深化对新设计的随钻取心钻头破岩性能的理解。首先根据理论分析结果，进行与算例参数对应的实验钻头的加工，然后利用台架进行新钻头的实验，分析测试得到的岩心现状、破岩行为等特性。实验用的钻头参数与算例中的输入值相同，台架实验采用清水做钻井液，基础参数如表1所示。台架实验过程与井底模型如图4所示，为对比破岩性能，将同尺寸的其他类型随钻取心钻头进行相同条件实验，对破岩结果进行对比分析。
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4.结束语
内置射流通道型混合钻头与现有破岩取心钻头不同，通过在钻头内部建立一个专用通道，钻头内部的高压钻井液流经专用通道至推送通道，然后至环空。通过结合井下情况，利用流体动力学、破岩力学，建立随钻取心钻头工作机理研究的理论模型，为进行新钻头破岩过程的“吸附下部岩屑、推送上部岩屑”，以及提速增效的特性，提供了理论支撑。破岩性能与理论计算结果吻合，验证了理论模型的准确性与精度。同时，实验表明内置射流通道型混合钻头的设计对于随钻取心技术发展，以及钻井过程提速增效，特别是对于大排量的钻井工程，进行提速技术研究具有重要的参考意义。
参考文献
1.田家林 , 庞小林 , 梁政 , 杨琳 , 张亮 . 旋风状井底模型的新型钻头运动特性 [J]. 石油学报 , 2013, 34(6): 1163-1167.
2.郑德帅 , 高德利 , 冯江鹏 . 实钻条件下井底岩石可钻性预测模型研究 [J]. 岩土力学 , 2012, 33(3): 859-863.