不同冲击钻井方式PDC切削齿侵彻深度及破岩机制研究

摘要

基于常规钻井和冲击钻井工程应用实际，考虑岩石动力学材料参数及本构模型，建立了聚晶金刚石复合片（PDC）钻头切削齿破岩数值模型，对比分析了不同冲击钻井方式下PDC切削齿侵彻深度、损伤区域、岩屑颗粒大小以及破岩体积。研究结果表明：数值模拟结果与室内单齿切削物理实验模型相比，岩石切削形态上具有较好的一致性。旋冲钻井、扭冲钻井和复合冲击钻井相比常规钻井的单齿侵彻深度分别提升了19.8%、6.6%、26.9%，复合冲击钻井在机械钻速提升方面效果最明显。冲击钻井过程中存在轴向冲击载荷时（如复合冲击钻井或旋冲钻井）会导致切削面以下岩石产生较为明显破损，有利于钻齿转过360°后的“二次切削”，但容易产生较大尺寸的岩屑颗粒，需要优化钻井液参数以保持井眼清洁。扭冲钻井钻齿侵彻深度的波动幅度较小，表明该方式有利于降低钻头粘滑风险，且产生的岩屑颗粒较小、利于井筒清洁。研究结果对于选择不同冲击类型钻具和优化钻具参数具有重要的借鉴意义。

关键词

岩石动力学 / 数值模拟 / 破岩机制 / 复合冲击

基金资助

中国石油天然气集团有限公司科学研究与技术开发项目“深井超深井优快钻井技术研究”（2021DJ41）;; 中国石油工程技术研究院院级课题“井下多向振荡动力钻具研制”（CPET202015）;; 国家自然科学基金青年项目“复合冲击钻井技术的破岩机理及优化设计方法研究”（51804013）