复杂结构井特种钻井液及工业化应用项目简介-中国石油大学(北京)

关于提名2018年度国家科学技术奖项目的公示由中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院、中国石油化工股份有限公司西北油田分公司、中国石油大学（北京）完成的“超深水平井随钻储层探测与轨迹控制技术”项目拟由北京市提名2018年国家技术发明奖。

根据《国家科学技术奖励工作办公室关于2018年度国家科学技术奖提名工作的通知》要求，现将该项目进行公示，公示期2017年12月21日至2017年12月27日。

任何单位、个人如对公示项目有异议，可在公示期内以书面形式向科技管理部提出，并提供必要的证明文件。

异议应当签署真实姓名或加盖单位公章，并注明联系方式。

逾期或匿名异议不予受理。

联系人：邓大伟联系电话：0电子邮件2018年国家技术发明奖提名项目公示内容一、项目名称超深水平井随钻储层探测与轨迹控制技术二、提名单位意见我国超深层油气资源占油气资源总量的1/3以上，是油气勘探开发的重点领域。

超深层具有高温、高压、非均质强等特点，采用直井开发综合成本高、效率低，迫切需要利用超深水平井增大有效泄油面积，大幅提高单井产量，实现高效开发。

该项目创建了以提高储层钻遇率的近钻头地层成像探测技术、确保精准中靶的井眼轨迹随钻测量及控制技术、降低钻柱摩阻的高温高密度水基钻井液技术的超深水平井随钻储层探测与轨迹控制技术，解决了超深水平井钻井面临优质储层钻遇率低、轨迹控制难、水平段摩阻大等世界级难题，实现了水平井钻井更聪明、更精准、更高效，使我国超深水平井钻井技术走在了世界前列。

项目技术原创性显著，获授权发明专利36项，出版专著2部，发表论文80余篇。

项目成果在四川元坝和新疆塔河、顺北等油气田进行了工业化应用，取得了显著的经济和社会效益，强力支撑了超深层油气资源高效开发；创造了多项超深水平井世界工程纪录，显著提高了我国石油工程技术的核心竞争力。

专家鉴定，该成果达到国际领先水平。

该项目于2015年获北京市科学技术奖一等奖，对照国家技术发明奖授奖条件，提名该项目申报2018年国家技术发明奖二等奖。

2016年度国家技术发明奖项目名单二等奖47项（通用项目）序号编号项目名称主要完成人推荐单位（推荐专家）1F-301-2-01 良种牛羊高效克隆技术张涌(西北农林科技大学)，周欢敏(内蒙古农业大学)，权富生(西北农林科技大学)，李光鹏(内蒙古大学)，王勇胜(西北农林科技大学)，刘军(西北农林科技大学)陕西省2F-301-2-02 芝麻优异种质创制与新品种选育技术及应用张海洋(河南省农业科学院芝麻研究中心)，苗红梅(河南省农业科学院芝麻研究中心)，魏利斌(河南省农业科学院芝麻研究中心)，张体德(河南省农业科学院芝麻研究中心)，李春(河南省农业科学院芝麻研究中心)，刘红彦(河南省农业科学院植物保护研究所)河南省3F-301-2-03 玉米重要营养品质优良基因发掘与分子育种应用李建生(中国农业大学)，严建兵(华中农业大学)，杨小红(中国农业大学)，胡建广(广东省农业科学院作物研究所)，教育部陈绍江(中国农业大学)，王国英(中国农业科学院作物科学研究所)4F-301-2-04 动物源食品中主要兽药残留物高效检测关键技术袁宗辉(华中农业大学)，彭大鹏(华中农业大学)，王玉莲(华中农业大学)，陈冬梅(华中农业大学)，陶燕飞(华中农业大学)，潘源虎(华中农业大学)教育部5F-301-2-05 基于高塔熔体造粒关键技术的生产体系构建与新型肥料产品创制高进华(史丹利化肥股份有限公司)，陈明良(上海化工研究院)，武志杰(中国科学院沈阳应用生态研究所)，孔亦周(宝鸡秦东流体设备制造有限公司)，张英鹏(山东省农业科学院农业资源与环境研究所)，解学仕(史丹利化肥股份有限公司)山东省6F-302-2-01 骨折微创复位固定核心技术体系的创建与临床应用张英泽(河北医科大学第三医院)，侯志勇(河北医科大学第三医院)，陈伟(河北医科大学第三医院)，张柳(华北理工大学)，郑占乐(河北医科大学第三医院)，王娟(河北医科大学第三医院)中华医学会7F-302-2-02 多肽化学修饰的关键技术及其在多肽新药王锐(兰州大学)，甘肃省创制中的应用袁建成(深圳翰宇药业股份有限公司)，方泉(兰州大学)，马亚平(深圳翰宇药业股份有限公司)，刘建(深圳翰宇药业股份有限公司)，张邦治(兰州大学)8F-303-2-01 刘文汇(中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院)，金之钧(中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院)，秦建中(中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院)，徐旭辉(中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院)，郑伦举(中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院)，张志荣(中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院)中国石油化工集团公司9F-303-2-02 复杂结构井特种钻井液及工业化应用蒋官澄(中国石油大学（北京）)，孙金声(中国石油集团钻井工程技术研究院)，蒲晓林(西南石油大学)，高德利(中国石油大学（北京）)，王玺(中国石油集团钻井工程技术研究院)，王平全(西南石油大学)中国石油和化学工业联合会10F-303-2-03 陆域天然气水合物冷钻热采关键技术孙友宏(吉林大学)，郭威(吉林大学)，陈晨(吉林大学)，张永勤(中国地质科学院勘探技术吉林省研究所)，祝有海(中国地质调查局油气资源调查中心)，高科(吉林大学)11F-303-2-04 深海高精度超短基线水声定位技术与应用孙大军(哈尔滨工程大学)，郑翠娥(哈尔滨工程大学)，张殿伦(哈尔滨工程大学)，勇俊(哈尔滨工程大学)，张居成(哈尔滨工程大学)，吴永亭(国家海洋局第一海洋研究所)中国海洋工程咨询协会12F-303-2-05 深层超深层油气藏压裂酸化高效改造技术及应用赵金洲(西南石油大学)，郭建春(西南石油大学)，李勇明(西南石油大学)，卢聪(西南石油大学)，林涛(中国石油化工股份有限公司西北油田分公司)，李雪(中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司)中国石油和化学工业联合会13F-304-2-01 白敏冬(大连海事大学)，张芝涛(大连海事大学)，黄凌风(厦门大学)，白敏菂(大连海事大学)，田一平(大连海事大学)，张均东(大连海事大学)厦门市14F-304-2-02 复杂水工混凝土结构服役性态诊断技术与实践胡少伟(水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院)，顾冲时(河海大学)，苏怀智(河海大学)，水利部沈省三(基康仪器股份有限公司)，何秀凤(河海大学)，陆俊(水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院)15F-305-2-01 陈文兴(浙江理工大学)，金革(浙江古纤道新材料股份有限公司)，严旭明(扬州惠通化工技术有限公司)，刘雄(浙江古纤道新材料股份有限公司)，王建辉(浙江古纤道新材料股份有限公司)，张先明(浙江理工大学)浙江省16F-305-2-02 重要脂溶性营养素超微化制造关键技术创新及产业化陈志荣(浙江大学)，仇丹(宁波工程学院)，尹红(浙江大学)，陈建峰(北京化工大学)，石立芳(浙江新和成股份有限公司)，李建东(浙江新和成股份有限公司)中国轻工业联合会17F-305-2-03 木质纤维生物质多级资源化利用关键技术及应用孙润仓(北京林业大学)，彭万喜(中南林业科技大学)，程少博(山东龙力生物科技股份有限公司)，袁同琦(北京林业大学)，许凤(华南理工大学)，肖林(山东龙力生物科技股份有限公司)中国轻工业联合会18F-306-2-01 基于声发射监控的聚烯烃流化床反应器新技术阳永荣(浙江大学)，王靖岱(浙江大学)，教育部蒋斌波(浙江大学)，黄正梁(浙江大学)，廖祖维(浙江大学)，杨宝柱(中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司)19F-306-2-02 单晶多空心钛硅分子筛催化新材料及制备关键技术林民(中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院)，舒兴田(中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院)，史春风(中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院)，李国繁(中国石化催化剂有限公司)，朱斌(中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院)，戴泳(中国石化催化剂有限公司)闵恩泽20F-306-2-03 基团功能强化的新型反应性染料创制与应用张淑芬(大连理工大学)，唐炳涛(大连理工大学)，马威(大连理工大学)，吕荣文(大连理工大学)，朱海根(浙江舜龙化工有限公司)，毛志平(东华大学)中国石油和化学工业联合会21F-307-2-01 水泥基压电复合监测材料与器件成套制备技术及在混凝土工程应用程新(济南大学)，黄世峰(济南大学)，徐东宇(济南大学)，徐跃胜(济南大学)，王蕾(济南大学)，秦磊(济南大学)中国建筑材料联合会22F-307-2-02 李红霞(中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司)，杨彬(中钢集团洛阳耐火材料研河南省究院有限公司)，刘国齐(中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司)，张厚兴(濮阳濮耐高温材料（集团）股份有限公司)，李亚伟(武汉科技大学)，徐跃庆(河南熔金高温材料股份有限公司)23F-307-2-03 低功耗高性能软磁复合材料及关键制备技术严密(浙江大学)，吴琛(浙江大学)，王新华(浙江大学)，何时金(横店集团东磁股份有限公司)，柯昕(浙江东睦科达磁电有限公司)，张瑞标(天通控股股份有限公司)浙江省24F-307-2-04 强韧与润滑一体化碳基薄膜关键技术与工程应用王立平(中国科学院兰州化学物理研究所)，张俊彦(中国科学院兰州化学物理研究所)，蒲吉斌(中国科学院兰州化学物理研究所)，薛群基(中国科学院兰州化学物理研究所)，张斌(中国科学院兰州化学物理研究所)，阎兴斌(中国科学院兰州化学物理研究所)甘肃省25F-307-2-05 新型合金材料受控非平衡凝固技术及应用陈光(南京理工大学)，徐锋(南京理工大学)，孙国元(南京理工大学)，傅恒志(西北工业大学)，工业和信息化部王志华(南京理工大学)，陈栋(江苏晨朗电子集团有限公司)26F-30801-2-01王树新(天津大学)，王延辉(天津大学)，张宏伟(天津大学)，刘玉红(天津大学)，孙秀军(天津大学)，吴芝亮(天津大学)天津市27F-30801-2-02 复现高超声速飞行条件激波风洞实验技术姜宗林(中国科学院力学研究所)，赵伟(中国科学院力学研究所)，刘云峰(中国科学院力学研究所)，王春(中国科学院力学研究所)，李进平(中国科学院力学研究所)，俞鸿儒(中国科学院力学研究所)中国科学院28F-30801-2-03 高性能轻量化构件局部加载精确塑性成形成性一体化制造技术杨合(西北工业大学)，孙志超(西北工业大学)，詹梅(西北工业大学)，李恒(西北工业大学)，樊晓光(西北工业大学)，李光俊(成都飞机工业（集团）有限责任公司)陕西省29F-30801-2-04 多工位精锻净成形关键技术与装备王新云(华中科技大学)，夏巨谌(华中科技大学)，夏汉关(江苏太平洋精锻科技股份有限公司)，周红祥(湖北三环锻压设备有限公司)，金俊松(华中科技大学)，中国机械工业联合会黄廷波(江苏飞船股份有限公司)30F-30801-2-05 灵巧假肢及其神经信息通道重建技术朱向阳(上海交通大学)，姜力(哈尔滨工业大学)，熊蔡华(华中科技大学)，傅丹琦(丹阳假肢厂有限公司)，盛鑫军(上海交通大学)，刘宏(哈尔滨工业大学)上海市31F-30801-2-06 飞机复杂结构件数控加工动态特征技术及应用李迎光(南京航空航天大学)，牟文平(成都飞机工业（集团）有限责任公司)，刘长青(南京航空航天大学)，楚王伟(成都飞机工业（集团）有限责任公司)，隋少春(成都飞机工业（集团）有限责任公司)，刘旭(南京航空航天大学)中国机械工业联合会32F-30802-2-01荣命哲(西安交通大学)，吴翊(西安交通大学)，杨飞(西安交通大学)，纽春萍(西安交通大学)，王小华(西安交通大学)，朱忠建(大全集团有限公司)陕西省33F-30802-2-02 强容错宽调速永磁无刷电机关键技术及应用程明(东南大学)，朱孝勇(江苏大学)，花为(东南大学)，全力(江苏大学)，鲍文光(新大洋机电集团有限公司)，曹瑞武(东南大学)中国机械工业联合会34F-30802-2-03 ±800kV特高压直流输电换流阀关键技术及应用汤广福(国网智能电网研究院)，查鲲鹏(中电普瑞电力工程有限公司)，邱宇峰(国网智能电网研究院)，崔翔(华北电力大学)，贺之渊(国网智能电网研究院)，魏晓光(国网智能电网研究院)北京市35F-30802-2-04 基于燃料多样化的压燃发动机关键技术及应用黄震(上海交通大学)，乔信起(上海交通大学)，缪雪龙(中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所)，张武高(上海交通大学)，俞建达(中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所)，朱磊(上海交通大学)上海市36F-30901-2-01 先进日盲紫外探测与应用技术张荣(南京大学)，闫锋(南京大学)，陈敦军(南京大学)，陆海(南京大学)，唐光华(中国电子科技集团公司第五十五研究所)，郑有炓(南京大学)教育部37F-30901-2-02 超大型精密仪器装备气/磁阵列隔微振技术与装置谭久彬(哈尔滨工业大学)，王雷(哈尔滨工业大学)，崔俊宁(哈尔滨工业大学)，赵勃(哈尔滨工业大学)，杨文国(哈尔滨工业大学)，闻荣伟(哈尔滨工业大学)教育部38F-30901-2-03 混合式光纤传感技术及其在工程安全监测刘铁根(天津大学)，天津市领域中的应用江俊峰(天津大学)，刘琨(天津大学)，孟凡勇(北京品傲光电科技有限公司)，张红霞(天津大学)，张以谟(天津大学)39F-30901-2-04 广域宽带协同通信技术与应用陆建华(清华大学)，朱洪波(南京邮电大学)，陶晓明(清华大学)，杨龙祥(南京邮电大学)，冯伟(清华大学)，汪园丽(上海文络电子科技有限公司)工业和信息化部40F-30901-2-05 多界面光-热耦合白光LED封装优化技术刘胜(华中科技大学)，罗小兵(华中科技大学)，陈明祥(华中科技大学)，裴小明(深圳市瑞丰光电子股份有限公司)，王恺(广东昭信企业集团有限公司)，郑怀(武汉大学)工业和信息化部41F-30902-2-01 支持服务创新的可扩展路由交换关键技术、系统及产业化应用徐恪(清华大学)，尹霞(清华大学)，甘玉玺(中兴通讯股份有限公司)，何均宏(华为技术有限公司)，吴建平(清华大学)，赵有健(清华大学)工业和信息化部42F-30902-2-02吕卫锋(北京航空航天大学)，诸彤宇(北京航空航天大学)，工业和信息化部杜博文(北京航空航天大学)，李建军(北京世纪高通科技有限公司)，郭胜敏(北京掌行通信息技术有限公司)，于海涛(北京市交通信息中心)43F-30902-2-03谢少荣(上海大学)，罗均(上海大学)，彭艳(上海大学)，蒲华燕(上海大学)，狄伟(交通运输部东海航海保障中心上海海事测绘中心)，赵建国(青岛北海船舶重工有限责任公司)上海市44F-30902-2-04 钢铁生产与物流调度关键技术及应用唐立新(东北大学)，孟盈(东北大学)，汪恭书(东北大学)，杨阳(东北大学)，郭庆新(东北大学)，赵任(东北大学)教育部45F-310-2-01 王平(西南交通大学)，朱颖(中铁二院工程集团有限责任公司)，刘成龙(西南交通大学)，陶捷(江西日月明测控科技股份有限公司)，苏谦(西南交通大学)，陈嵘(西南交通大学)四川省46F-310-2-02 软土地基沉降控制刚性桩复合地基新技术与应用刘汉龙(河海大学)，陈永辉(河海大学)，中国科协丁选明(河海大学)，孔纲强(河海大学)，陈育民(河海大学)，陈龙(河海大学)47F-310-2-03 地铁环境保障与高效节能关键技术创新及应用李安桂(西安建筑科技大学)，李国庆(北京城建设计发展集团股份有限公司)，潘展华(广东申菱环境系统股份有限公司)，耿世彬(中国人民解放军理工大学)，尹海国(西安建筑科技大学)，孟鑫(北京城建设计发展集团股份有限公司)住房和城乡建设部。

钻井液类型对井壁稳定的影响实例与防塌机理分析李劲松; 翁昊阳; 段飞飞; 严维锋; 谭强【期刊名称】《《科学技术与工程》》【年(卷),期】2019(019)026【总页数】7页(P161-167)【关键词】泥页岩; 井壁稳定; 钻井液; 防塌机理【作者】李劲松; 翁昊阳; 段飞飞; 严维锋; 谭强【作者单位】中海石油(中国)有限公司上海分公司上海 200050; 中国石油大学(北京)石油工程学院北京 102249【正文语种】中文【中图分类】TE28井壁失稳问题一直是钻井工程中备受关注的难题。

泥页岩地层的井壁失稳会造成井下掉块、引发起下钻阻卡等复杂情况，增加钻井成本，严重时甚至使井眼报废[1]。

中国东海N区块在钻井过程中，多口井均受到井壁失稳问题的困扰，出现返出掉块、起下钻划眼，甚至卡钻等复杂情况。

国内外研究表明，影响井壁稳定的主要因素有以下三个方面。

(1) 地层的强度及物理化学特性。

例如活性软泥岩，与钻井液接触后水化膨胀、强度降低，井壁周围孔隙压力场和应力场改变[2—4]，极易发生坍塌。

(2) 地应力的大小和方向。

地应力大小是进行井壁稳定计算的主要边界条件，高构造应力区一般井眼更容易坍塌[5, 6]。

另外，地应力的非均匀性对不同井斜角和方位角钻进的定向井、水平井的坍塌压力有重要影响，尤其对含有层理、弱面的地层影响更为显著[7—9]。

(3) 钻井液性能。

钻井液性能是影响井壁稳定的重要因素，在复杂结构井、大位移井中优良的钻井液性能作用更为关键[10—12]。

目前，防塌钻井液研究的重点在提高抑制性和封堵性方面，抑制泥岩水化和封堵地层中存在的微裂隙[13—15]。

近几年，在东海N5区块及周边构造上先后钻探N3-1、N5-1和N7-1井。

钻井实践表明，钻井液对井壁稳定的影响不可忽视，相比于水基钻井液，油基钻井液对防止泥岩坍塌、减少起下钻阻卡等复杂问题效果显著。

本文从N5区块附近3口探井的钻井工程现象出发，分析了油基钻井液在稳定井壁中的作用，进而探讨了水基钻井液和油基钻井液防塌机理，可以为该区块后续钻井工作提供参考。

中国石油大学(北京)国家重点学科:油气井工程本学科点是我国最早（1953）创建的油气井工程学科，1961年开始招收研究生，1986年获工学博士学位授予权，1991年开始招收博士后，1993年被评为部级重点学科，“九五”是国内同类学科中唯一的国家“211工程”重点建设学科。

油气井工程主要包括钻井、完井、测试及测井等内容。

在世界范围内，探井费用占油气勘探总成本的55%～80%，开发井费用占开发总成本的比例也很高。

油气井工程不仅是贯穿于油气勘探与开发全过程的关键环节，而且还对地热、煤层气等地下资源的勘探开发及地球科学钻探等具有重要意义。

经过多年的建设与发展，本学科点已形成五个稳定的研究方向，拥有一支学历层次高、知识结构合理及比较年轻化的学术队伍（教授级29人，副教授级30人，博士24人），迄今已授予博士学位38人、硕士学位194人，出站博士后6人。

所属“油气井工程实验室”是省部级重点实验室，同时中国石油天然气集团公司（CNPC）在本学科点设立了“管柱力学”、“井壁稳定”、“高压水射流”、“水力压裂模拟”及“多井地球物理场测井”等五个重点研究室。

近五年来，本学科点承担国家自然基金、国家“863计划”及国家重点攻关等课题15项，部级重大研究课题48项，国际合作项目7项，科研经费4486万元，获国家科技进步一等奖1项、发明三等奖1项、普通高校国家级教学成果奖二等奖1项及省部级科技与教学奖励19项，获国家专利10项，发表论文418篇（被SCI收录15篇、EI收录103篇、ISTP收录4篇），出版专著和教材16本。

“油气井信息与控制工程”研究方向在管柱力学、水平井设计与定向控制、地层压力预测等方面具有特色；“油气井工程岩石力学”研究方向在提高机械钻速、井壁力学稳定及水力压裂力学等方面具有特色；“油气井流体力学及高压射流技术”研究方向在高压射流钻井、射流解堵增产及环空多相流理论等方面具有特色；“钻井液完井液化学与技术”研究方向在复杂地层井壁化学稳定、储层保护及抗高温钻井液体系等方面具有特色；“油气井录井和测井”研究方向在综合录井及工程测井等方面形成特色。

现 代 试 井 分 析014一、试井概念¾试井是对油、气、水井进行测试和分析的总称。

在不同工作制度下测量井底压力和温度等信号的工艺。

测试内容包括：产量、压力、温度、取样等。

分析（试井解释）：应用渗流力学理论，分析测试数据，反求油层和井的动态参数。

¾试井是一种以渗流力学为基础，以各种测试仪表为手段，通过对油井、气井或水井生产动态的测试来研究和确定油、气、水层和测试井的生产能力、物性参数、生产动态，判断测试井附近的边界情况，以及油、气、水层之间的连通关系的方法。

举例：不稳定试井压力和产量对应关系图二、试井的分类就研究的目的来说⎧⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎧⎧⎨⎨⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎩⎩系统试井等时试井产能试井修正等时试井一点法试井试井压力降落试井单井不稳定试井压力恢复试井不稳定试井干扰试井多井不稳定试井脉冲试井按地层类型分类均质油藏试井非均质油藏试井双孔介质油藏试井双渗介质油藏试井复合油藏油藏试井¾按井类别分类，可分为垂直井、水平井、压裂井、定向井和分支井等试井方法。

¾按流动形态分类，可分为线性流、非线性流的试井。

二、试井的分类常规试井分析按分析方法分现代试井分析数值试井分析压降试井分析压恢试井分析变产量叠加试井分析典型图版手动拟合分析典型图版自动拟合分析针对油气藏和油气井研究的严密的测试设计；应用高精度的仪器设备进行现场测试；压力计精度， 分辨率，在井下高温高压条件下连续记录、存储压力数据量测试过程中要求产油气井配合测试进程反复的开关井，准确计量产气量，并处理好产出的气体；以复杂油气藏为背景的渗流力学理论和方法的研究；以解数理方程中的反问题为基础的试井解释方法及软件；结合地质、物探、测井、油藏及工艺措施的油藏动静态描述。

四、试井的作用2014姚约东2014试井研究贯穿于油气田勘探开发全过程2014四、试井的作用试井的作用总结为以下几点：（1）估算测试井的井底污染情况，判断是否需要采取增产措施（如酸化、 压裂），分析增产措施的效果；（2）估算测试井的地层参数、产能；（3）平均地层压力计算、压力分布；（4）判断和预测油气藏类型，均质、非均质油气藏，边底水等；（5）判断和预测油气藏范围，河道油藏，断层距离，透镜体，油（气）层边界，估算控制储量；（6）判断和评价断层的性质，包括密封性等；（7）判断井间连通性；（8）描述井筒周围油藏特性，包括渗透率、孔隙度、厚度、饱和度分布等。

◀钻井技术与装备▶ＰＤＣ切削齿直径对切削力的影响规律研究∗未九森㊀邵方源㊀谭紫阳㊀刘维㊀高德利(中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室)未九森ꎬ邵方源ꎬ谭紫阳ꎬ等.ＰＤＣ切削齿直径对切削力的影响规律研究[Ｊ].石油机械ꎬ２０２３ꎬ５１(４):８－１５.ＷｅｉＪｉｕｓｅｎꎬＳｈａｏＦａｎｇｙｕａｎꎬＴａｎＺｉｙａｎｇꎬｅｔａｌ.ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＰＤＣｃｕｔｔｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｏｎｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏ￣ｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２３ꎬ５１(４):８－１５.摘要:针对不同地层岩性特点ꎬ需进行个性化ＰＤＣ钻头设计ꎬ其中ＰＤＣ切削齿的直径是重要的钻头优化设计参数之一ꎮ为了探究不同ＰＤＣ切削齿直径对破岩切削力的影响ꎬ通过室内模拟试验方法进行研究ꎮ试验所用岩样为石灰岩ꎮ单齿破岩试验选取了ø１３ ４４㊁ø１５ ８８㊁ø１９ ０５㊁ø２１ ９５ｍｍ的常规圆柱状ＰＤＣ切削齿和３个不同的切削深度作为试验变量ꎬ使用三轴力传感器记录了切削力数据并收集了岩屑ꎬ对比了不同试验条件下单齿破岩过程的机械比能和不同直径切削齿的攻击性ꎻ使用水平钻机进行了全尺寸钻头破岩试验ꎬ对比了３种不同ＰＤＣ切削齿直径的钻头在３ｍｍ左右吃入深度下的破岩机械比能ꎮ试验结果显示:ＰＤＣ切削齿的破岩切削力并不随着直径的增大而增大ꎻ在相同吃入深度下ꎬø１９ ０５ｍｍ齿的破岩效果最好ꎻ随着吃入深度的增加ꎬ切削岩石所需要的力变大ꎮ全尺寸钻头破岩试验结果表明ꎬø１９ ０５ｍｍ齿的全尺寸钻头机械比能最低ꎮ分析认为ꎬ在破岩过程中ꎬＰＤＣ切削齿直径会改变岩石内部产生的应力区域ꎬ影响ＰＤＣ切削齿的破岩效果ꎮ选取与岩性匹配的ＰＤＣ切削齿直径能够取得最优的破岩钻进效果ꎮ研究结果可为ＰＤＣ钻头优化设计提供部分理论指导ꎮ关键词:ＰＤＣ钻头ꎻ破岩效率ꎻ切削力ꎻ机械比能ꎻ单齿破岩ꎻ全尺寸钻头破岩中图分类号:ＴＥ９２１㊀文献标识码:Ａ㊀ＤＯＩ:１０ １６０８２/ｊ ｃｎｋｉ ｉｓｓｎ １００１－４５７８ ２０２３ ０４ ００２ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＰＤＣＣｕｔｔｅｒＤｉａｍｅｔｅｒｏｎＣｕｔｔｉｎｇＦｏｒｃｅＷｅｉＪｉｕｓｅｎ㊀ＳｈａｏＦａｎｇｙｕａｎ㊀ＴａｎＺｉｙａｎｇ㊀ＬｉｕＷｅｉ㊀ＧａｏＤｅｌｉ(ＭＯＥＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ(Ｂｅｉｊｉｎｇ))Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＰＤＣｂｉｔｄｅｓｉｇｎｎｅｅｄｓｔｏｂｅｃｕｓｔｏｍｉｚｅｄｄｅｐｅｎｄｉｎｇｕｐｏｎｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｌｉｔｈｏｌｏｇｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓꎬａｎｄｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆＰＤＣｃｕｔｔｅｒｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｉｎｂｉｔｄｅｓｉｇｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ.ＡｓｅｒｉｅｓｏｆｌａｂｏｒａｔｏｒｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＰＤＣｃｕｔｔｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｏｎｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅ.Ｔｈｅｒｏｃｋｓａｍｐｌｅｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｔｅｓｔｓｗｅｒｅｌｉｍｅｓｔｏｎｅ.Ｉｎｔｈｅｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｔｅｓｔｏｆｓｉｎｇｌｅｃｕｔｔｅｒꎬｔｈｅø１３ ４４ꎬø１５ ８８ꎬø１９ ０５ａｎｄø２１ ９５ｍｍｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＰＤＣｃｕｔｔｅｒｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄａｔｔｈｒｅｅｃｕｔｔｉｎｇｄｅｐｔｈｓꎬｔｈｅｔｒｉａｘｉａｌｆｏｒｃｅｓｅｎｓｏｒｗａｓｕｓｅｄｔｏｒｅｃｏｒｄｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｄａｔａꎬｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｓｗｅｒｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄꎬａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｐｅｃｉｆｉｃｅｎｅｒｇｙｏｆｓｉｎｇｌｅｃｕｔｔｅｒｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｓｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅａｇｇｒｅｓｓｉｖｅｎｅｓｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｕｔｔｅｒｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ.Ｍｏｒｅｏｖｅｒꎬｆｕｌｌ￣ｓｃａｌｅｂｉｔｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｔｅｓｔｗａｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｒｉｇꎬ８ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ㊀２０２３年㊀第５１卷㊀第４期∗基金项目:国家自然科学基金创新研究群体项目 复杂油气井钻井与完井基础研究 (５１８２１０９２)ꎻ国家自然科学基金重点项目 复杂结构 井工厂 立体设计建设基础研究 (５２２３４００２)ꎻ国家自然科学基金石油化工联合基金项目 页岩和致密油气田高效开发建井基础研究 (Ｕ１７６２２１４)ꎻ中国石油大学(北京)科研启动基金项目 高效钻头的研究 (ＺＸ２０１９００６５)ꎻ中石油战略合作科技专项专题 陆相页岩油深部地层钻井提速技术研究 (ＺＬＺＸ２０２０－０１－０７－０１)ꎮａｎｄｔｈｅｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｐｅｃｉｆｉｃｅｎｅｒｇｉｅｓｏｆｂｉｔｓｗｉｔｈｔｈｒｅｅＰＤＣｃｕｔｔｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｓａｔａｂｏｕｔ３ｍｍｐｅｎｅｔｒａ￣ｔｉｏｎｄｅｐｔｈｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ.Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆＰＤＣｃｕｔｔｅｒｄｏｅｓｎｏｔｉｎｃｒｅａｓｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｄｉａｍｅｔｅｒ.Ａｔｔｈｅｓａｍｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｄｅｐｔｈꎬｔｈｅｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆø１９ ０５ｍｍｃｕｔｔｅｒｉｓｔｈｅｂｅｓｔ.Ａｓｔｈｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｄｅｐｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｓꎬｔｈｅｆｏｒｃｅｒｅｑｕｉｒｅｄｔｏｃｕｔｔｈｅｒｏｃｋｂｅｃｏｍｅｓｌａｒｇｅｒ.Ｔｈｅｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｆｕｌｌ￣ｓｃａｌｅｂｉｔｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｐｅｃｉｆｉｃｅｎｅｒｇｙｏｆø１９ ０５ｍｍｃｕｔｔｅｒｆｕｌｌ￣ｓｃａｌｅｂｉｔｉｓｔｈｅｌｏｗｅｓｔ.Ｉｔｉｓｂｅｌｉｅｖｅｄｔｈａｔｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇꎬｔｈｅＰＤＣｃｕｔｔｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｃｈａｎｇｅｓｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｒｅａｇｅｎｅｒａｔｅｄｉｎｓｉｄｅｔｈｅｒｏｃｋꎬｔｈｅｒｅｂｙａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆＰＤＣｃｕｔｔｅｒ.ＵｓｅｏｆａＰＤＣｃｕｔｔｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｍａｔｃｈｉｎｇｔｈｅｌｉ￣ｔｈｏｌｏｇｙｃａｎａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｅｆｆｅｃｔ.ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅｓｏｍｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｇｕｉｄａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆＰＤＣｂｉｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＰＤＣｂｉｔꎻｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎻｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅꎻｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｐｅｃｉｆｉｃｅｎｅｒｇｙꎻｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｏｆｓｉｎｇｌｅｃｕｔｔｅｒꎻｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｏｆｆｕｌｌ￣ｓｃａｌｅｂｉｔ０㊀引㊀言ＰＤＣ钻头具有切削破岩效率高㊁使用寿命长的优势ꎬ在油气钻探行业广泛使用ꎮ随着当前油气勘探开发朝着深层㊁深水㊁非常规方向迈进ꎬ地下钻井条件越来越复杂ꎬ对聚晶金刚石复合片(ＰｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＤｉａｍｏｎｄＣｏｍｐａｃｔꎬＰＤＣ)钻头性能提出了更高的要求ꎮ过去有很多研究人员针对ＰＤＣ钻头的破岩问题进行了深入而广泛的研究ꎬ提出了多种ＰＤＣ切削齿切削力计算模型[１－１１]ꎮ部分学者使用无倒角圆柱状ＰＤＣ切削齿ꎬ通过室内试验研究了单齿切削岩石过程ꎬ结果发现ꎬ影响单齿切削力的主要因素包括齿与岩石接触面积㊁齿刃部接触弧长㊁吃入深度以及接触面形状等[１２－１４]ꎮ尽管基于这些参数建立的切削力模型能够很好预测单齿切削力ꎬ但这些模型只针对相同直径的ＰＤＣ切削齿ꎬ无法适用于不同直径之间的切削力对比ꎮ通常使用的ＰＤＣ切削齿刃部存在倒角ꎬ一些研究人员[１５－１８]基于这一认识ꎬ将齿切削接触面分为２部分ꎬ给出了表面分离的切削力计算模型ꎬ在计算单齿切削力的时候将倒角和平面接触部分分别进行考虑ꎬ预测结果与试验结果能够相符ꎮ邹德永等[１５－１６]基于室内全尺寸钻头试验ꎬ研究了包括钻头齿直径㊁后倾角㊁布齿密度等不同设计参数对ＰＤＣ钻头整体破岩效率的影响规律ꎬ研究过程中注意到切削齿直径对ＰＤＣ钻头整体切削力及破岩效率的影响ꎮ尽管已有较多ＰＤＣ钻头破岩效率和单齿切削力的相关研究ꎬ但其内容多着眼于ＰＤＣ切削齿的空间位置参数对力的影响ꎬ如后倾角等[２１－２３]ꎬ很少有人研究ＰＤＣ切削齿直径对单齿破岩过程切削力的影响ꎮ为此ꎬ笔者通过开展室内单齿切削试验ꎬ研究分析ＰＤＣ切削齿直径对破岩的影响ꎬ以给出在脆性岩石条件下几种不同直径ＰＤＣ切削齿的破岩效果ꎬ揭示直径对破岩过程的影响规律ꎬ并通过室内全尺寸钻头模拟钻进试验对单齿破岩试验结果进行验证ꎮ研究结果可为ＰＤＣ钻头优化设计提供部分理论指导ꎮ１㊀单齿破岩试验图１㊀立式转塔车床测试系统Ｆｉｇ １㊀Ｖｅｒｔｉｃａｌｔｕｒｒｅｔｌａｔｈｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ１ １㊀试验装置立式转塔车床(ＶＴＬ)测试系统被广泛应用于ＰＤＣ切削齿的切削磨损测试ꎬ由于其工作方式为旋转车削运动ꎬ所以本次研究将利用这一装置开展单齿破岩试验研究[１７ꎬ２４]ꎮ图１展示了ＶＴＬ测试系统的主要构成部分ꎬ包括旋转工作台㊁数控系统㊁ＰＤＣ切削齿夹具㊁三轴力传感器以及数据采集系统等ꎮ其中ＰＤＣ切削齿夹具与试验变量设置相对应ꎬ包括ø１３ ４４㊁ø１５ ８８㊁ø１９ ０５以及ø２１ ９５ｍｍ共４种夹具尺寸ꎮ被切削的岩石样品为圆柱状石灰岩ꎬ直径１１００ｍｍꎬ密度２ ５１ｇ/ｃｍ３ꎬ弹性模量１４ ９４ＧＰａꎬ泊松比０ ２８ꎬ单轴抗压强度９２０２３年㊀第５１卷㊀第４期未九森ꎬ等:ＰＤＣ切削齿直径对切削力的影响规律研究㊀㊀㊀９６ ０６ＭＰａꎬ岩石内部黏聚力２３ ８５ＭＰａꎬ内摩擦角４１ ７ʎꎮ１ ２㊀试验原理及方法单齿破岩试验装置的夹具夹持ＰＤＣ切削齿在岩石上端面进行圆弧轨迹切削ꎮＰＤＣ切削齿静止ꎬ岩石在旋转工作台带动下ꎬ相对ＰＤＣ切削齿做恒定线速度的旋转运动ꎬ相对线速度１５ｍ/ｍｉｎꎬ吃入深度恒定ꎮ在ＰＤＣ切削齿切削岩石过程中ꎬ三轴力传感器以固定频率(４００Ｈｚ)记录ＰＤＣ切削齿所受的三轴正交切削力ＦＸ/ＦＹ/ＦＺꎬ传感器测量力的方向如图２所示ꎮ为了分析不同ＰＤＣ切削齿直径对切削力的影响规律ꎬ选择了４种常规圆柱带倒角ＰＤＣ切削齿(ø１３ ４４㊁ø１５ ８８㊁ø１９ ０５和ø２１ ９５ｍｍ)和３个不同的吃入深度(１㊁２和３ｍｍ)进行试验ꎮ所有的切削后倾角均设置为２０ʎꎬ无侧转角ꎮ前期试验表明ꎬ切削旋转半径和切削速度对切削力基本无影响ꎮ选取的４个ＰＤＣ切削齿如图３所示ꎮ为了减少试验误差ꎬ将每组试验设置重复测试３次ꎬ具体试验方案如表１所示ꎮ图２㊀试验结果中的三轴力方向Ｆｉｇ ２㊀Ｔｒｉａｘｉａｌｆｏｒｃｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｎｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ图３㊀试验用的４种直径ＰＤＣ切削齿Ｆｉｇ ３㊀ＰＤＣｃｕｔｔｅｒｓｗｉｔｈ４ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｔｅｓｔ表１㊀单齿切削试验设置方案１ ３㊀试验步骤(１)首先将岩石样品上端面磨平ꎮ在上端面相应位置使用工具预置沟槽ꎬ以能够下降ＰＤＣ切削齿到预设的吃入深度为宜ꎮ(２)将试验用ＰＤＣ切削齿夹持于ＶＴＬ测试系统上ꎬ并将齿刃部最低点与岩石上端面对齐ꎬ手动调整到岩石端面预置沟槽中ꎬ降落到相应吃入深度ꎮ(３)打开三轴力传感器以接收切削力信号ꎬ设定ＶＴＬ测试系统的切削速度为１５ｍ/ｍｉｎꎬ开始切削试验ꎮ(４)切削１道后主轴自动停止ꎬ关闭三轴力传感器ꎬ抬升ＰＤＣ切削齿观察是否损坏ꎬ同时收集产生的岩屑ꎬ测量切削轨迹长度ꎮ(５)调整试验参数ꎬ重复进行试验直至结束ꎮ２㊀试验结果分析２ １㊀试验结果为了方便控制切削过程ꎬ在ＰＤＣ切削齿的Ｘ轴方向设置了相对于轨迹长度微小的每转进给量(１~２ｍｍ/ｒ)ꎬ因此Ｘ轴方向的力非０ꎬ但相比于Ｙ轴和Ｚ轴２方向的力很小ꎬ在试验结果分析过程中可忽略不计ꎮ最终试验结果仅考虑水平切向力和垂直法向力ꎬ如图４所示ꎮ图５给出了通过计算岩屑体积得到的不同试验条件下的机械比能值和攻击性值ꎮ计算机械比能和攻击性的公式为[２５]:ＥＭＳ＝ＦｓＬρｍ(１)Ａ＝ＦｓＦＮ(２)式中:ＥＭＳ为单齿切削的机械比能ꎬＪ/ｃｍ３ꎻＦｓ为０１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２３年㊀第５１卷㊀第４期破岩过程中的平均水平切向力ꎬＮꎻＬ为切削过的痕迹长度ꎬｃｍꎻρ为切削岩石的密度ꎬｇ/ｃｍ３ꎻｍ为切削产生的岩屑质量ꎬｇꎻＡ为攻击性ꎬ１ꎻＦＮ为破岩过程中的平均垂直力ꎬＮꎮ图４㊀不同试验条件下的水平力ＦＹ和垂直力ＦＺＦｉｇ ４㊀ＨｏｒｉｚｏｎｔａｌｆｏｒｃｅＦＹａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｆｏｒｃｅＦＺｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｓｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ图５㊀不同试验条件所得机械比能和攻击性Ｆｉｇ ５㊀Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｐｅｃｉｆｉｃｅｎｅｒｇｙａｎｄａｇｇｒｅｓｓｉｖｅｎｅｓｓｏｂｔａｉｎｅｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｓｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ２ ２㊀分析与讨论笔者团队建立的带倒角的圆形齿切削力预测计算模型认为ꎬ单齿破岩过程中产生的切削力可分为２个部分ꎬ分别是位于齿前平面上的切削力和位于刃部倒角位置的切削力ꎬ合力计算方法为[１７]:Ｆｒ＝Ｆｐ＋Ｆｃ(２)式中:Ｆｒ为ＰＤＣ切削齿切削过程合力ꎬＮꎻＦｐ为分布在齿前平面上的切削力ꎬＮꎻＦｃ为分布在齿刃部倒角的切削力ꎬＮꎮ齿前平面和倒角部分的切削力计算公式为:Ｆｐ＝ＲｅｓＡｐ(３)Ｆｃ＝ＲｅｓＡｃ(４)式中:Ｒｅｓ为岩石切削过程中的破岩固有比能ꎬＭＰａꎻＡｐ和Ａｃ分别为齿前平面和倒角部分在切削过程的接触面积ꎬｍｍ２ꎮＡｐ＝(Ｒ－ｌ)２ａｒｃｃｏｓ１－ｈＲ－ｌæèçöø÷－ｈ２Ｒ－ｌ()－ｈ[](Ｒ－ｌ－ｈ)(５)Ａｃʈ２㊀２{２Ｒ－ｌ()ａｒｃｃｏｓ１－ｈＲ－ｌæèçöø÷＋Ｄｃｏｓα＋１－ｓｉｎα＋㊀２ｓｉｎπ４－αæèçöø÷ｃｏｓαéëêêêùûúúúｌüþýïïïｌ(６)ｈ＝Ｄｃｏｓα－㊀２ｓｉｎπ４－αæèçöø÷ｃｏｓαｌ(７)式中:Ｒ为齿的半径ꎬｍｍꎻｌ为齿倒角长度ꎬｍｍꎻＤ为吃入深度ꎬｍｍꎻα为切削过程齿的后倾角ꎬ(ʎ)ꎮ由于公式(６)的计算结果为近似值ꎬ所以倒角部分接触面积借助３Ｄ建模软件进行数值计算ꎬ最终结果见表２ꎮ表２㊀齿与岩石接触部分面积图６和图７展示了４种齿的切削合力与接触面积之间的关系ꎮ图６显示的结果与式(２)~式(４)给出的切削力模型相符ꎬ线性系数为单齿切削时岩石破碎固有比能ꎮ由图７可知ꎬ吃入深度相同ꎬ改变直径引起的接触面积变化与切削力为非线性关系ꎬ不同直径的ＰＤＣ切削齿会大大影响切削过程中的固有比能ꎮ随着吃入深度逐渐增加ꎬ齿直１１ ２０２３年㊀第５１卷㊀第４期未九森ꎬ等:ＰＤＣ切削齿直径对切削力的影响规律研究㊀㊀㊀径对固有比能的影响变大ꎬ原因是不同直径的ＰＤＣ切削齿对岩石内部的破碎应力分布状态影响较大ꎬ导致不同切削齿直径在相同吃入深度下ꎬ切削力与接触面积的比值不同ꎬ即破岩固有比能非定值ꎮ图６㊀不同齿直径条件的接触面积与合力关系Ｆｉｇ ６㊀Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｃｏｎｔａｃｔａｒｅａａｎｄｒｅｓｕｌｔａｎｔｆｏｒｃｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｔｔｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｓ图７㊀不同吃入深度条件的接触面积与合力关系Ｆｉｇ ７㊀Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｃｏｎｔａｃｔａｒｅａａｎｄｒｅｓｕｌｔａｎｔｆｏｒｃｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｄｅｐｔｈｓ㊀㊀从图７中可知ꎬ当直径由１３ ４４ｍｍ变为１５ ８８ｍｍ时ꎬ切削力结果相比于趋势线上的预测值更大ꎬ其中以吃入深度为３ｍｍ时差距最大ꎮＰＤＣ切削齿在破岩过程中ꎬ切削力大小由倒角接触面积和齿前平面接触面积两者共同影响ꎮ结合齿前平面面积和刃部倒角面积变化趋势可知ꎬ当吃入深度为３ｍｍ且直径由１３ ４４ｍｍ变为１５ ８８ｍｍ时ꎬ刃部倒角面积变小ꎬ齿前平面面积变大ꎬ所以此时切削力主要受齿前平面大小影响ꎮ图４中吃入深度为３ｍｍ时ꎬø１３ ４４和ø１９ ０５ｍｍ齿的水平和垂直切削力结果几乎相同ꎬ原因是当使用ø１９ ０５ｍｍ齿切削时ꎬ在齿前方的岩石内产生了理想的断裂形状ꎬ齿前平面中心没有完全接触岩石ꎬ所以在切削过程中所需要的切削力较小ꎬ存在有规律且较为完整的岩石崩片过程ꎮ直径对２种ＰＤＣ切削齿切削过程中产生的裂缝形态的影响如图８所示ꎮ图８中红色渐变部分为接触部位边界处的应力影响区域ꎮø１９ ０５ｍｍ齿的左右应力区域互相影响ꎬ产生了左右一体的连通裂缝ꎬ此时ꎬ齿前平面正前方的岩石已在上次崩片后剥落ꎬ即齿前平面并没有完全接触岩石ꎬ齿整体受力较小ꎬ因此能保证与ø１３ ４４ｍｍ直径钻头齿受力在同一水平ꎮ图８㊀直径对２种ＰＤＣ切削齿切削过程中产生的裂缝形态的影响Ｆｉｇ ８㊀ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＰＤＣｃｕｔｔｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｏｎｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｃｒｅａｔｅｄｉｎｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ当直径增加到２１ ９５ｍｍ时ꎬ由于齿直径太大ꎬ接触部位左右宽度较大ꎬ齿的左右应力区域无法相互影响ꎬ产生的裂缝左右各自独立向前发展ꎬ与岩石接触的左右边界产生的应力无法传递到接触面正中心的岩石ꎬ无法造成此处岩石的断裂失效ꎬ ２１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２３年㊀第５１卷㊀第４期所以齿前平面前方的岩石还受到即将被切削到的岩石的支持ꎬ齿前平面需要对岩石施加力来破坏两道裂缝中间的岩石ꎬ导致ø２１ ９５ｍｍ的齿需要更大的破岩切削力ꎮ图９展示了３种不同吃入深度情况下的切削痕迹ꎮ由图９可以发现:吃入深度为１ｍｍ时ꎬ切削过程均匀ꎬ痕迹两侧没有剥落或岩石崩片ꎻ当吃入深度为２或３ｍｍ时ꎬ崩片剥落痕迹大量分布ꎬ且吃入深度越大分布越多ꎮ一般在吃入深度较小时ꎬ破碎岩石产生的岩屑大多为粉碎状ꎬ在吃入深度较大时则为块状崩片ꎮ由图５中机械比能和攻击性值的对比可以发现ꎬ在使用相同直径的ＰＤＣ切削齿进行单齿切削时ꎬ由于较大的吃入深度能够产生大量的岩石体积破碎ꎬ所以机械比能越小ꎮ图９㊀使用ø２１ ９５ｍｍ齿切削后的岩石表面痕迹参考Ｆｉｇ ９㊀Ｒｏｃｋｓｕｒｆａｃｅｔｒａｃｅｓａｆｔｅｒｃｕｔｔｉｎｇｗｉｔｈø２１ ９５ｍｍｃｕｔｔｅｒ在吃入深度为１ｍｍ时ꎬø１５ ８８ｍｍ的齿的机械比能最小ꎬ破岩效率最高ꎮ通过比较４种齿的倒角尺寸可知ꎬ当吃入深度较小ꎬ破岩过程中倒角影响较大ꎻø１５ ８８ｍｍ的ＰＤＣ切削齿倒角尺寸最小ꎬ能产生比其他齿大的应力集中ꎬ更容易破岩ꎻ当吃入深度为２ｍｍ时ꎬ由于倒角尺寸和ＰＤＣ切削齿直径效应２种因素的共同作用ꎬ导致ø１５ ８８ｍｍ钻头齿和ø１９ ０５ｍｍ钻头齿的机械比能相差不大ꎻ而在吃入深度为３ｍｍ时ꎬ由于ＰＤＣ切削齿的直径影响变大ꎬ使用ø１９ ０５ｍｍ的ＰＤＣ切削齿能够取得最优的破岩效率ꎬ具有最佳的破岩效果ꎮ由于ø２１ ９５ｍｍ的ＰＤＣ切削齿直径最大ꎬ不同吃入深度的攻击性基本相同ꎮ３㊀全尺寸钻头破岩试验验证为了验证ＰＤＣ切削齿大小对单齿破岩和全尺寸ＰＤＣ钻头钻进效果的影响规律是否相同ꎬ使用水平钻机开展了全尺寸钻头钻进模拟试验ꎮ水平钻机结构如图１０所示ꎬ主要的部件包括水平钻机主体以及随钻测量短节ꎬ其中随钻测量短节用于记录钻图１０㊀全尺寸钻头钻进试验用水平钻机及随钻测量短节Ｆｉｇ １０㊀ＨｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｒｉｇａｎｄＭＷＤｓｕｂｆｏｒｆｕｌｌ￣ｓｃａｌｅｂｉｔｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｓｔ进过程中钻头受力ꎮ试验用的岩石样品与单齿破岩试验相同ꎮ钻进用钻头分别为使用ø１５ ８８㊁ø１９ ０５㊁ø２１ ９５ｍｍ圆齿设计的直径为２１５ ９ｍｍ(８ ５ｉｎ)的４刀翼ＰＤＣ钻头ꎬ每只钻头的冠部曲线等设计参数均相同ꎮ在试验过程中ꎬ设置水平钻机的转速为７５ｒ/ｍｉｎꎬ在每次钻进试验时ꎬ使用随钻测量短节记录钻头上的钻压和钻速数据ꎮ３只钻头的钻进试验结果如图１１所示ꎮ为了比较在相同吃入深度情况下的钻进效率ꎬ需要保证钻头在钻进过程中的吃入深度相同ꎬ由于钻机的转速为７５ｒ/ｍｉｎ保持不变ꎬ所以只要在保证机械钻速相同的条件下对３只钻头的钻压进行对比ꎬ即可得知３只钻头的钻进效率ꎮ机械钻速和吃入深度之间的换算关系为:ＶＲＯＰ＝６０ＶＲＰＭＤ(８)式中:ＶＲＯＰ为机械钻速ꎬｍ/ｈꎻＶＲＰＭ为钻头转速ꎬｒ/ｍｉｎꎻＤ为钻头每转吃入深度ꎬｍ/ｒꎮ通过式(８)可计算出机械钻速为１３ ５ｍ/ｈ时ꎬ符合单齿破岩试验的３ｍｍ吃入深度条件ꎮ由于ＰＤＣ钻头直径相同ꎬ且吃入深度也相同ꎬ所以钻头破岩效果仅受ＰＤＣ切削齿直径的影响ꎮ通过下式计算３只钻头各自的机械比能ꎬ详细数据见表３ꎮＥＭＳ＝２ＭＴＯＢＤＲ２＋ＦＷＯＢπＲ２(９)式中:ＭＴＯＢ为测量得到的钻头扭矩ꎬＮ ｍꎻＤ为钻头每转吃入深度ꎬｍꎻＲ为钻头半径ꎬｍｍꎻＦＷＯＢ为测量得到的钻头钻压ꎬＮꎮ表３　全尺寸钻头破岩试验结果３１ ２０２３年㊀第５１卷㊀第４期未九森ꎬ等:ＰＤＣ切削齿直径对切削力的影响规律研究㊀㊀㊀图１１为全尺寸ＰＤＣ钻头钻进试验结果对比ꎮ由图１１可知ꎬ当试验钻头的每转吃入深度接近３ｍｍ时ꎬø１９ ０５ｍｍ的钻头所需的钻进能量为最小ꎬ且所需钻压和产生的反扭矩最小ꎬ符合单齿破岩试验结果显示出的规律ꎮ图１１㊀全尺寸ＰＤＣ钻头钻进试验结果对比图Ｆｉｇ １１㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｆｕｌｌ￣ｓｃａｌｅＰＤＣｂｉｔｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ４㊀结论及建议(１)不同ＰＤＣ切削齿直径对岩石切削过程的受力影响较大ꎬ且齿直径和固有比能两者之间没有明显规律ꎬ前人的力－接触面积线性关系模型在ＰＤＣ切削齿直径不变情况下比较适用ꎬ反之则不然ꎮ(２)在试验结果中吃入深度相同的情况下ꎬ当ＰＤＣ切削齿直径不大于１５ ８８ｍｍ时ꎬ随着直径变大ꎬ实际测得的切削力相比于切削力－接触面积线性关系模型的预测值要大ꎻ在齿直径为１９ ０５ｍｍ时ꎬ实测值小于预测值ꎻ当齿直径为２１ ９５ｍｍ时ꎬ实测值大于预测值ꎮ(３)单齿破岩试验结果显示ꎬ直径１９ ０５ｍｍ的齿在３ｍｍ的吃入深度条件下切削岩石时ꎬ机械比能值为全局最低ꎬ可获得最理想的切削效果ꎮ在全尺寸钻头破岩试验中ꎬ直径１９ ０５ｍｍ齿的ＰＤＣ钻头在相同机械钻速下ꎬ所需的钻进能量最小ꎮ因此ꎬ当实钻地层岩性为类似于试验用岩石样品性质的硬脆性地层时ꎬ建议选用ø１９ ０５ｍｍ作为主要的ＰＤＣ钻头工作齿ꎬ以便在有限的钻压下取得较高机械钻速ꎮ若钻进其他岩性的地层ꎬ建议进行单齿破岩试验对ＰＤＣ钻头切削齿直径进行优选ꎮ(４)在单齿切削岩石过程中ꎬ岩石中产生的切削应力会影响岩石破坏的形式ꎬ从而导致破碎岩石所需要的切削力呈现出无规律变化ꎮ可通过岩石应力分布状态加以解释ꎬ有待开展深入研究ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]㊀史怀忠ꎬ傅新康ꎬ陈振良ꎬ等.高温高压条件下ＰＤＣ钻头破碎花岗岩试验研究[Ｊ].石油机械ꎬ２０２１ꎬ４９(１２):１－９.ＳＨＩＨＺꎬＦＵＸＫꎬＣＨＥＮＺＬꎬｅｔａｌ.ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｇｒａｎｉｔｅｂｒｏｋｅｎｂｙＰＤＣｂｉｔｕｎｄｅｒｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａ￣ｔｕｒｅａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎ￣ｅｒｙꎬ２０２１ꎬ４９(１２):１－９.[２]㊀孟昭ꎬ毛蕴才ꎬ张佳伟ꎬ等.超深层井底应力环境下ＰＤＣ单齿破岩机理研究[Ｊ].石油机械ꎬ２０２０ꎬ４８(５):１－７.ＭＥＮＧＺꎬＭＡＯＹＣꎬＺＨＡＮＧＪＷꎬｅｔａｌ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｉｎｇｌｅ￣ｔｏｏｔｈＰＤＣｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍａｔｕｌｔｒａ￣ｄｅｅｐｂｏｔｔｏｍｈｏｌｅｓｔｒｅｓｓ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎ￣ｅｒｙꎬ２０２０ꎬ４８(５):１－７.[３]㊀张佳伟ꎬ孟昭ꎬ纪国栋ꎬ等.ＰＤＣ钻头破岩效率及稳定性室内试验研究[Ｊ].石油机械ꎬ２０２０ꎬ４８(１２):３５－４３ꎬ５１.ＺＨＡＮＧＪＷꎬＭＥＮＧＺꎬＪＩＧＤꎬｅｔａｌ.Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙｅｘ￣ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉ￣ｔｙｏｆＰＤＣｂｉｔ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２０ꎬ４８(１２):３５－４３ꎬ５１.[４]㊀杨迎新.ＰＤＣ钻头切削力学研究[Ｄ].成都:西南石油学院ꎬ２００３.ＹＡＮＧＹＸ.ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｍｅｃｈａｎｉｃｓｏｆＰＤＣｂｉｔｒｏｃｋｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ[Ｄ].Ｃｈｅｎｇｄｕ:ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬ２００３.[５]㊀李其州ꎬ张凯ꎬ周琴ꎬ等.切削深度对ＰＤＣ齿超高速破岩机理的影响分析[Ｊ].石油机械ꎬ２０２２ꎬ５０(６):１－８ꎬ１５.ＬＩＱＺꎬＺＨＡＮＧＫꎬＺＨＯＵＱꎬｅｔａｌ.Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｕｔ￣ｔｉｎｇｄｅｐｔｈｏｎｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＰＤＣｃｕｔｔｅｒａｔｕｌｔｒａ￣ｈｉｇｈｓｐｅｅｄ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２２ꎬ５０(６):１－８ꎬ１５.[６]㊀邓敏凯ꎬ伍开松ꎬ胡伟.ＰＤＣ钻头切削齿破岩仿真与试验分析[Ｊ].石油机械ꎬ２０１４ꎬ４２(１):１０－１３.ＤＥＮＧＭＫꎬＷＵＫＳꎬＨＵＷ.Ｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｓｉｍｕｌａ￣ｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆＰＤＣｂｉｔｃｕｔｔｅｒ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０１４ꎬ４２(１):１０－１３.[７]㊀李田军.ＰＤＣ钻头破碎岩石的力学分析与机理研究[Ｄ].武汉:中国地质大学(武汉)ꎬ２０１２.ＬＩＴＪ.Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｃｈａ￣ｎｉｓｍｏｆＰＤＣｂｉｔｓｄｒｉｌｌｉｎｇｒｏｃｋ[Ｄ].Ｗｕｈａｎ:ＣｈｉｎａＵ￣ｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ(Ｗｕｈａｎ)ꎬ２０１２.[８]㊀ＣＨＥＮＳＬꎬＧＲＯＳＺＧꎬＡＮＤＥＲＬＥＳꎬｅｔａｌ.Ｔｈｅｒｏｌｅｏｆｒｏｃｋ￣ｃｈｉｐｒｅｍｏｖａｌｓａｎｄｃｕｔｔｉｎｇ￣ａｒｅａｓｈａｐｅｓｉｎｐｏｌｙ￣ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ￣ｄｉａｍｏｎｄ￣ｃｏｍｐａｃｔ￣ｂｉｔｄｅｓｉｇｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ[Ｊ].ＳＰＥＤｒｉｌｌｉｎｇ＆Ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎꎬ２０１５ꎬ３０(４):３３４－３４７.[９]㊀马清明ꎬ王瑞和.ＰＤＣ切削齿破岩受力的试验研究[Ｊ].中国石油大学学报(自然科学版)ꎬ２００６ꎬ３０(２):４５－４７ꎬ５８.４１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２３年㊀第５１卷㊀第４期ＭＡＱＭꎬＷＡＮＧＲＨ.ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｆｏｒｃｅｏｆＰＤＣｃｕｔｔｅｒｂｒｅａｋｉｎｇｒｏｃｋ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎａＵｎｉ￣ｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ(ＥｄｉｔｉｏｎｏｆＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ)ꎬ２００６ꎬ３０(２):４５－４７ꎬ５８.[１０]㊀ＧＬＯＷＫＡＤＡ.Ｕｓｅｏｆｓｉｎｇｌｅ￣ｃｕｔｔｅｒｄａｔａｉｎｔｈｅａｎａｌｙ￣ｓｉｓｏｆＰＤＣｂｉｔｄｅｓｉｇｎｓ:ｐａｒｔ１－ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａＰＤＣｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｍｏｄｅｌ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＴｅｃｈ￣ｎｏｌｏｇｙꎬ１９８９ꎬ４１(８):７９７－８４９.[１１]㊀ＣＨＥＮＰＪꎬＭＩＳＫＡＳＺꎬＲＥＮＲꎬｅｔａｌ.Ｐｏｒｏｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｃｕｔｔｉｎｇｒｏｃｋｉｎｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１８ꎬ１６９:６２３－６３５.[１２]㊀翟应虎ꎬ蔡镜ꎬ刘希圣.重叠和覆盖条件下ＰＤＣ切削齿破岩规律[Ｊ].石油学报ꎬ１９９４ꎬ１５(３):１１９－１２５.ＺＨＡＩＹＨꎬＣＡＩＪꎬＬＩＵＸＳ.ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｏｆＰＤＣｃｈｉｐｐｉｎｇｂｉｔｓｕｎｄｅｒｏｖｅｒｌａｙａｎｄｃｏｖｅｒ￣ａｇｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ[Ｊ].ＡｃｔａＰｅｔｒｏｌｅｉＳｉｎｉｃａꎬ１９９４ꎬ１５(３):１１９－１２５.[１３]㊀谭凯文.ＰＤＣ钻头破岩机理实验研究[Ｄ].北京:中国石油大学(北京)ꎬ２０１７.ＴＡＮＫＷ.ＳｔｕｄｙＯｎＴｈｅＲｏｃｋＦｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎＭｅｃｈａ￣ｎｉｓｍｏｆＰＤＣｂｉｔ[Ｄ].Ｂｅｉｊｉｎｇ:ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ(Ｂｅｉｊｉｎｇ)ꎬ２０１７.[１４]㊀李劲ꎬ尹卓ꎬ刘忠ꎬ等.ＰＤＣ齿破岩力预测模型研究[Ｊ].石油机械ꎬ２０２１ꎬ４９(８):２３－２９ꎬ３８.ＬＩＪꎬＹＩＮＺꎬＬＩＵＺꎬｅｔａｌ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｒｏｃｋｂｒｅａｋ￣ｉｎｇｆｏｒｃｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＰＤＣｃｕｔｔｅｒ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２１ꎬ４９(８):２３－２９ꎬ３８. [１５]㊀邹德永ꎬ曹继飞ꎬ袁军ꎬ等.硬地层ＰＤＣ钻头切削齿尺寸及后倾角优化设计[Ｊ].石油钻探技术ꎬ２０１１ꎬ３９(６):９１－９４.ＺＯＵＤＹꎬＣＡＯＪＦꎬＹＵＡＮＪꎬｅｔａｌ.ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｕｔｔｅｒｓｉｚｅａｎｄｂａｃｋｒａｋｅｆｏｒＰＤＣｂｉｔｉｎｈａｒｄｆｏｒｍａｔｉｏｎ[Ｊ].ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＤｒｉｌｌｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓꎬ２０１１ꎬ３９(６):９１－９４.[１６]㊀陈多礼.ＰＤＣ齿切削力数值分析与建模[Ｄ].成都:西南石油大学ꎬ２０１４.ＣＨＥＮＤＬ.ＮｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆＰＤＣｃｕｔｔｅｒｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅ[Ｄ].Ｃｈｅｎｇｄｕ:ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏ￣ｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１４.[１７]㊀ＳＨＡＯＦＹꎬＬＩＵＷꎬＧＡＯＤＬ.Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｃｈａｍ￣ｆｅｒａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｓｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＰＤＣｃｕｔｔｅｒｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０２１ꎬ２０５:１０８８８７.[１８]㊀ＤＥＴＯＵＲＮＡＹＥꎬＤＥＦＯＵＲＮＹＰ.Ａｐｈｅｎｏｍｅｎｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇａｃｔｉｏｎｏｆｄｒａｇｂｉｔｓ[Ｊ].Ｉｎｔｅｒｎａ￣ｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＭｉｎｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅｓ＆ＧｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓＡｂｓｔｒａｃｔｓꎬ１９９２ꎬ２９(１):１３－２３. [１９]㊀王家骏ꎬ邹德永ꎬ杨光ꎬ等.ＰＤＣ与岩石相作用模型[Ｊ].中国石油大学学报(自然科学版)ꎬ２０１４ꎬ３８(４):１０４－１０９.ＷＡＮＧＪＪꎬＺＯＵＤＹꎬＹＡＮＧＧꎬｅｔａｌ.ＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＰＤＣｃｕｔｔｅｒａｎｄｒｏｃｋ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ(ＥｄｉｔｉｏｎｏｆＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ)ꎬ２０１４ꎬ３８(４):１０４－１０９.[２０]㊀邹德永ꎬ蔡环.布齿参数对ＰＤＣ钻头破岩效率影响的试验[Ｊ].中国石油大学学报(自然科学版)ꎬ２００９ꎬ３３(５):７６－７９.ＺＯＵＤＹꎬＣＡＩＨ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｃｕｔｔｅｒｐａ￣ｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＰＤＣｂｉｔｏｎｒａｔｅｏｆｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ[Ｊ].Ｊｏｕｒ￣ｎａｌｏｆＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ(ＥｄｉｔｉｏｎｏｆＮａｔｕ￣ｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ)ꎬ２００９ꎬ３３(５):７６－７９.[２１]㊀王镇全ꎬ周悦辉.ＰＤＣ钻头切削齿切削角度对破岩效果影响规律的研究[Ｊ].煤矿机械ꎬ２００９ꎬ３０(８):４９－５１.ＷＡＮＧＺＱꎬＺＨＯＵＹＨ.Ｓｔｕｄｙｏｎｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｒｅｇ￣ｕｌａｔｉｏｎｉｎｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｃｕｔｔｉｎｇａｎｇｌｅｏｆＰＤＣｂｉｔ[Ｊ].ＣｏａｌＭｉｎｅＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２００９ꎬ３０(８):４９－５１. [２２]㊀ＲＡＪＡＢＯＶＶꎬＭＩＳＫＡＳꎬＭＯＲＴＩＭＥＲＬꎬｅｔａｌ.ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｂａｃｋｒａｋｅａｎｄｓｉｄｅｒａｋｅａｎｇｌｅｓｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｐｅｃｉｆｉｃｅｎｅｒｇｙｏｆｓｉｎｇｌｅＰＤＣｃｕｔｔｅｒｓｗｉｔｈｓｅｌｅｃｔｅｄｒｏｃｋｓａｔｖａｒｙｉｎｇｄｅｐｔｈｏｆｃｕｔｓａｎｄｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｓ[Ｃ]ʊＩＡＤＣ/ＳＰＥＤｒｉｌｌｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ.ＳａｎＤｉｅｇｏꎬＣａｌｉｆｏｒｎｉａꎬＵＳＡ:ＩＡＤＣ/ＳＰＥꎬ２０１２:ＳＰＥ１５１４０６－ＭＳ.[２３]㊀ＧＨＯＳＨＯＵＮＩＭꎬＲＩＣＨＡＲＤＴ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｂａｃｋｒａｋｅａｎｇｌｅａｎｄｇｒｏｏｖｅｇｅｏｍｅｔｒｙｉｎｒｏｃｋｃｕｔｔｉｎｇ[Ｃ]ʊＩＳＲＭＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ－５ｔｈＡｓｉａｎＲｏｃｋＭｅ￣ｃｈａｎｉｃｓＳｙｍｐｏｓｉｕｍ.ＴｅｈｒａｎꎬＩｒａｎ:ＩＳＲＭꎬ２００８:ＩＳＲＭ－ＡＲＭＳ５－２００８－０２７.[２４]㊀ＳＨＡＯＦＹꎬＬＩＵＷꎬＧＡＯＤＬꎬｅｔａｌ.Ｓｔｕｄｙｏｎｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆａｘｅ￣ｓｈａｐｅｄＰＤＣｃｕｔｔｅｒ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０２１ꎬ２０５:１０８９２２.[２５]㊀ＬＹＯＮＳＮꎬＩＺＢＩＮＳＫＩＫꎬＰＡＵＬＩＡꎬｅｔａｌ.ＦｏｏｔａｇｅｉｎＳＴＡＣＫｌａｔｅｒａｌｏｆＯｋｌａｈｏｍａｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ１８５％ｔｈｒｏｕｇｈｎｅｗｎｏｎ￣ｐｌａｎａｒＰＤＣｃｕｔｔｅｒｇｅｏｍｅｔｒｙｄｅｖｅｌｏｐ￣ｍｅｎｔａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ[Ｃ]ʊＩＡＤＣ/ＳＰＥＤｒｉｌｌｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ.ＦｏｒｔＷｏｒｔｈꎬＴｅｘａｓꎬＵＳＡ:ＩＡＤＣ/ＳＰＥꎬ２０１８:ＳＰＥ１８９６３８－ＭＳ.㊀㊀第一作者简介:未九森ꎬ生于１９９６年ꎬ现为在读博士研究生ꎬ研究方向为ＰＤＣ钻头切削力学ꎮ地址:(１０２２４９)北京市昌平区ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｊｓ＿ｗｉｌ＠ｑｑ ｃｏｍꎮ通信作者:高德利ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｇａｏｄｅｌｉ＿ｔｅａｍ＠１２６ ｃｏｍꎮ㊀收稿日期:２０２２－１０－２２(本文编辑㊀刘㊀锋)５１２０２３年㊀第５１卷㊀第４期未九森ꎬ等:ＰＤＣ切削齿直径对切削力的影响规律研究㊀㊀㊀。

超深井钻井技术研究及工业化应用张金成;牛新明;张进双【摘要】陆上油气勘探开发正向着超深层领域发展,中国石化钻遇的超深井普遍存在着压力系统复杂、地层岩性复杂、储层流体复杂、工程力学复杂等工程地质特征.钻井工程面临着设计优化难、施工风险大、钻井速度慢、工程质量控制难度大等技术问题.在钻井施工中表现为钻井周期长、复杂情况和故障多、工程投资大,甚至有些井难以钻达目的层.2005年以来,中国石化石油工程技术研究院联合石油高校、油田企业组成“产-学-研”攻关团队,以川东北、塔里木盆地超深层油气勘探开发为依托,紧密围绕“优质、安全、高效”攻关目标,强化室内模拟和理论分析,加强以新型工具和新材料为载体的技术攻关,强化技术集成应用,研究形成了多信息综合反演钻井地质环境因素精细描述技术、基于钻井工程风险评价的井身结构优化设计方法、大尺寸井眼气体钻井及流体安全转换技术、高效破岩工具及配套技术、基于常规导向的超深水平井井眼轨迹控制技术、超高温及超高密度钻井液技术、高酸性气田胶乳防气窜水泥浆固井技术等7项技术创新成果,并开展了现场试验及工业化应用,形成了超深井钻井配套技术,使我国超深井钻井技术跨入了世界先进行列.【期刊名称】《探矿工程-岩土钻掘工程》【年(卷),期】2015(042)001【总页数】9页(P3-11)【关键词】超深井;钻井;高温高压;工业化【作者】张金成;牛新明;张进双【作者单位】中国石化石油工程技术研究院,北京 100101;中国石化石油工程技术研究院,北京 100101;中国石化石油工程技术研究院,北京 100101【正文语种】中文【中图分类】TE243;P634.51 超深井钻井钻遇的主要难题近几年来，随着我国向深层油气资源勘探开发步伐的加快，尤其是中国石化加快对四川盆地、塔里木盆地超深层油气勘探开发的步伐，对超深井钻井技术的需要越来越迫切，对超深井钻井技术提出了更高的要求。

然而超深井钻井工程地质环境极为复杂，钻遇了诸多世界级钻井技术难题，给“优质、安全、高效”钻井带来了很大挑战，主要表现在以下几个方面。

A卷中国石油大学（北京）2018—2019学年第一学期《钻井工程》期末考试试卷考试方式（闭卷考试）班级：姓名：学号：（试卷不得拆开，所有答案均写在题后相应位置）一、名词解释（10小题，每题2分，共20分）1. 岩石的研磨性：岩石磨损钻头切削刃材料的能力。

2. 地层压力：岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙压力。

3. 工具面：弯接头或弯外壳井底动力钻具的轴线是一条折线，该折线构成的平面。

4. 软关井：发生溢流后，先打开节流阀，然后关闭防喷器，再关闭节流阀。

5. 举升效率：岩屑在环空的实际上返速度与钻井液在环空的上返速度之比。

6. 平衡压力钻井：在有效地控制地层压力和维持井壁稳定前提下，尽可能降低钻井液密度，使钻井液有效液柱压力刚好等于或略大于地层压力，达到解放钻速和保护油气层的目的，这种钻井方法称为平衡压力钻井。

7. 卡钻：钻具在井眼中失去了活动自由，既不能转动又不能上下活动的现象。

8. 井斜方位角：在水平投影图上，以正北方位线为始边，顺时针旋转到井眼方位线上所转过的角度。

9. 压持效应：钻井液密度越大，井内液柱压力越大，在井内液柱压力大于地层压力的情况下会产生一个正压差；在正压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成重复破碎现象，钻速降低。

此现象称为压持效应。

10. 静切力：钻井液开始流动所需的最低切应力，它是钻井液静止时单位面积上所形成的连续空间网架结构强度的量度（凝胶强度）。

二、判断题（10小题, 每题1分, 共10分）1. 钻进时钻井液从钻头脉冲喷嘴喷出的射流属于淹没非自由稳定射流。

（×）p的存在会降低岩石的强度。

（√）2．孔隙压力p3．真方位角等于磁方位角减东磁偏角，或加西磁偏角。

（×）4．反扭角总会使已经确定好的装置角增加。

（×）5．满眼钻具多用于井斜角大的井内纠斜，直井内无防斜作用。

（×）6．在钻铤柱中使用一定数量稳定器可以提高钻头工作的稳定性。

项目名称：大型致密砂岩气藏高效评价开发一体化关键技术及工业化应用主要完成单位：中国石油大学（北京）、中国石化西南油气油田分公司 、中国石化华北分公司、北京石大油源科技开发有限公司主要完成人：王志章, 刘成川, 刘忠群, 曹思远, 韩秀梅, 黎平, 高青松, 张国印, 刘绪刚, 黎化继, 秦学菲, 冉令波, 陈奎, 葛中伟, 王鹏项目简介：大型致密砂岩气藏高效评价开发一体化关键技术及工业化应用是国家十一五重大专项东部盆地深层砂岩输导体预测及定量表征、大牛地气田多层叠合岩性气藏描述；十二五重大专项致密砂岩气藏地球物理识别方法及评价技术（2011ZX05008-004-64）、大牛地气田（大66）致密砂岩气藏描述及预测（2011ZX05045）；中石化西南分公司新场气田、川西凹陷，中石化华北分公司大牛地气田，中石油长庆油田公司苏里格气田致密砂岩油气重点研究项目成果的集成与总结。

研究成果以实现扩大勘探开发领域、致密砂岩气藏高效评价开发技术为目标，建立了完善的理论技术创新体系，有效解决大型复杂致密砂岩气藏从油气田评价、开发地质到气藏工程的基础理论、前沿应用技术到工业化应用的关键技术，重点突破大型致密砂岩气藏高效评价与开发的技术关键，取得如下创新性成果：1. 提出了基于“皮尔森体系”独立分量分析实现信号去噪的方法以及基于HHT的点谱白化的高分辨率处理方法，在数学跟石油勘探之间搭起了一座桥梁。

薄层识别符合率由传统的60%，提高到85%。

随着开采技术的不断提高和社会生活对石油需求量的不断增长，人类对石油勘探技术提出了更高的要求。

常规的地震资料的去噪方法已经越来越不能满足高精度数据处理的需要。

通过多年实践研究，并基于“皮尔森体系”已有的相关知识，创新性地提出了“基于‘皮尔森体系’独立分量分析地震去噪”的方法，并获得了国家发明专利。

在本项专利中提出的解决方案，既无须大量的观测样本，也无须信号的先验信息，就可实现信号与噪声的有效分离；过程简单、计算速度快、应用方便灵活。

油基钻井液优缺点及应用李贺（中国石油大学（华东）石油工程学院，海洋油气工程专业， 11042105）摘要：油基钻井液具有抗高、抗盐钙侵、有利于井壁稳定、润滑性好和对油气层损害程度小等优点。

国外早在20世纪60年代就十分重视油基钻井液技术的开发与应用。

现已广泛作为钻深井、超深井、海上钻井、大斜度定向井、水平井和水敏性复杂地层及储层保护的重要手段。

国外油基钻井液体系及配套技术比较成熟。

国内在油基钻井液方面尽管开展了一些工作，但应用较少还没有形成体系。

目前，国内非常规油气资源的开发已经启动，对油基钻井液有了迫切需求。

我国应在油基钻井液应用方面尽快行动起来，在借鉴国外经验和国内初步实践的基础上，首先开展油基钻井液的应用，在应用中积累经验、完善体系。

并通过油基钻井液处理剂、降滤失剂、提黏切剂、封堵剂及润湿剂的研制，逐渐形成具有国内特点、能够满足现场需要的油基钻井液体系，以及钻井液回收处理循环再利用的配套设备与方法。

同时，开展油基钻井液高温下流变性、稳定性研究，以形成系统的流变性控制方法为油基钻井液体系的应用提供理论支撑，促进国内页岩气等非常规油气资源的开发。

关键词：油基钻井液水平井页岩气非常规油气资源油气层保护水敏性复杂地层0.引言与水基钻井液相比，油基钻井液在井壁稳定、润滑防卡、抑制页岩水化膨胀和地层造浆，以及快速钻进等方面具有明显优势，已成为钻探高温深井、海上钻井、大斜度定向井、水平井、各种复杂井段和储层保护的重要手段。

早在20世纪60年代，国外就十分重视油基钻井液体系的开发与应用，70年代就针对深井、超深井钻井的需要，先后研制出一系列高温油基钻井液体系，并成功应用。

目前，国外在复杂井钻井及非常规油气井钻探中，油基钻井液的应用占主导地位。

国内20世纪80年代以来，先后在部分油田使用过油基钻井液，并开展了大量的室内研究工作，但考虑到油基钻井液的安全、成本、需求和环境保护问题，油基钻井液在我国应用十分有限，尚未形成体系。

科技成果——油气管道系统完整性关键技术与工业化应用技术开发单位中国石油大学（北京）适用范围油气管道成果简介本项目在国家科技重大专项、国家自然科学基金、中国石油重大研究专项的支持下，自2005年以来，针对油气管道系统完整性关键技术问题，历经10年系统的理论研究、室内实验、现场实验、工业化应用，突破了管道三轴高清内检测技术、阀门内漏测试、高精度变形及应变检测、大型离心压缩机组微小故障诊断预警、大数据的决策支持等技术难题，建立了系统的完整性保障技术体系和一体化平台，覆盖油气管道线路、站场、储气库，最终形成“一套技术、一套标准、一个平台”的“三位一体”的技术体系，具有系统性、创新性、可靠性，降低事故率40%以上。

创新性（1）形成了系统的完整性评估理论，提出了基于应力和应变双重判据的管道失效评估方法，重构了失效模型和评定图，建立了不确定性条件下地区等级升级管道的失效概率模型，提高评估准确性10%。

（2）发明了管道三轴高清漏磁内检测系列装置，采用新型集成固化耦合传感器和全数字化三维漏磁信号采集系统，使检测缺陷深度门槛值由20%壁厚提高到5%壁厚，检出率（POI）提高了10%，实现了8寸到48寸内检测漏磁系列装备国产化。

（3）发明了多通道高精度变形检测装置和管道应变监测系统，提高定位精度；开发了高精度振弦式和加速度传感器对高风险点管道应变实时精准监测，精度指标达到±10个微应变，实现了管道应变数据采集策略的自动控制及远程维护。

（4）发明了双通道天然气管道球阀内漏检测装置及方法，最小可检测内漏流量达到0.04m3/h·in；首次提出了压缩机组组合式神经网络自适应故障诊断方法和混合故障预警模型，提高压缩机组故障诊断发现率15%以上。

（5）建立基于管道大数据关联调取和数据挖掘分析模型，开发了应急决策支持系统，形成了管道动态风险数据库，实现了一键式事故应急处置的决策支持。

效益分析管道内检测器应用前景：兰郑长成品油管道存在杂质量大、间歇式输油、管线穿山越岭道路崎岖难行等特点，历时3个月顺利完成兰郑长成品油管道清扫项目；在港枣线的检测过程中，累计清管71次，清出管线11吨杂质，结合现场实际情况优化了清管器结构，采用同时投送线圈、霍尔两套检测设备的方式提高检测精度优化检测成果，以优质高效的检测技术服务得到西气东输管道公司的好评。

石油工程（卓越班）专业2015级本科培养计划一、专业代号及名称专业代码：081502专业名称：石油工程（卓越班）二、专业培养目标培养适应社会主义现代化建设和科学技术快速发展的需要，德智体美全面发展，具有宽厚的基础理论知识、扎实的实践应用能力、良好的创新精神、开阔的国际视野和优秀的个人综合素质，具有初步的油田单位工作与学习经历，能在石油工程领域从事工程设计、生产施工、现场管理、科学研究和国际合作等工作，具有成为应用型、创新型、国际化卓越工程师潜质的石油工程高级专门人才。

三、主干学科油气井工程、油气田开发工程四、核心课程机械制图、计算机辅助绘图、普通地质学、理论力学、材料力学、油层物理、流体力学、渗流力学、钻井工程、完井工程、油藏工程、采油工程、油田化学、石油工程专业英语、油气田开发基础、石油工程新理论与新技术讲座。

石油工程专业（卓越班）核心课程结构示意图五、特色课程1.双语课：流体力学、岩石力学、气藏工程2.全英文课：油层物理、油藏工程、理论力学、材料力学3.研讨式课程：渗流力学、油藏工程、完井工程、钻井工程、采油工程六、毕业生应获得的知识和能力1. 知识（1）掌握数学、物理、化学和计算机等工科人才必备的基础知识。

（2）掌握并能熟练应用石油工程专业的基础理论知识，包括钻井工程、完井工程、采油工程、油藏工程、油田化学等方面的基本概念和原理、关键设计或计算的方法等。

（3）掌握并能熟练应用石油工程现场工艺技术和方案设计所涉及的理论知识和方法原理，了解地质、物探、测井、机械、地球化学等学科知识在油气井工程和油气田开发工程中的应用。

（4）熟悉与石油行业相关的经济、管理、法律知识以及相关政策和技术标准，熟悉石油企业的文化、核心价值观以及石油工业发展的现状和未来趋势。

2. 能力（1）具有应用理论知识与系统工程方法分析和解决石油工程实际问题及进行现场钻井、完井、油藏、采油方案设计的初步能力，具备参与钻井、完井、采油等现场操作和生产管理的初步能力。