可伸缩仿生聚晶金刚石复合片钻头.pdf

文章编号：10007393(2023)03029611DOI:10.13639/j.odpt.202303056可伸缩仿生聚晶金刚石复合片钻头袁若飞吴泽兵张文溪西安石油大学机械工程学院引用格式：袁若飞，吴泽兵，张文溪.可伸缩仿生聚晶金刚石复合片钻头J.石油钻采工艺，2023，45（3）：296-306.摘要：针对现有 PDC 钻头不易吃入硬岩、出现黏滞滑动等问题，基于仿生相似原理，以鼹鼠爪趾和鲨鱼牙齿为仿生原型，结合双级钻头和复合钻头的优势，设计出一种可伸缩仿生 PDC 钻头。使用数值模拟方法，对比了仿生 PDC 齿与普通齿的破岩切削力与机械比能、可伸缩仿生 PDC 钻头和普通 PDC 钻头的进尺和反扭距；为便于后续伸缩结构设计，采用 Box-Behnken 法对钻压、转速、伸缩长度及破岩量和扭矩参数进行了多因素有限元仿真试验；建立了参数之间的二次回归数学模型，并分析了上述参数之间的关系。结果表明，仿生 PDC 齿相较普通齿更容易达到岩石的破碎极限，在破岩过程中的机械比能和切削力分别减少约 19%和 12.7%，有效提升了破岩效率；可伸缩仿生 PDC 钻头相比普通 PDC 钻头，在破岩过程中的进尺增加 1.25 倍，钻速提升 21%，受到岩石的反扭矩减少 33%，能有效缓解钻头产生黏滞滑动的问题。通过数值模拟对所得到的二次回归模型预测结果进行验证，发现两者之间的平均误差不超过 6%，研究结果为后续现场试验及伸缩结构的优化设计提供理论支撑。关键词：钻头；黏黏滞滑动；可伸缩仿生 PDC 钻头；数值模拟；机械比能；Box-Behnken 法；二次回归中图分类号：TE921.1文献标识码：AScalable biomimetic polycrystalline diamond compact bitYUANRuofei,WUZebing,ZHANGWenxiSchool of Mechanical Engineering,Xian Shiyou University,Xian 710065,Shaanxi,ChinaCitation:YUANRuofei,WUZebing,ZHANGWenxi.ScalablebiomimeticpolycrystallinediamondcompactbitJ.OilDrilling&ProductionTechnology,2023,45(3):296-306.Abstract:InresponsetothechallengesofexistingPDC(PolycrystallineDiamondCompact)drillbits,suchasdifficultyindrillinghardrocksandencounteringstickingandslidingissues,anovelapproachistakenbasedonbiomimicryprinciples.Inspiredbythediggingmechanismsofmoleclawsandthecuttingefficiencyofsharkteeth,ascalablebiomimeticPDCdrillbitwasdesignedbycombiningtheadvantagesofdual-stageandcompositedrillbits.Byusingnumericalsimulationmethods,acomparativeanalysiswasperformedbetweenbiomimeticPDCteethandconventionalteethintermsofrockcuttingforcesandmechanicalspecificenergy,aswellasananalysisondrillingprogressandreactiontorquebetweenthescalablebiomimeticPDCdrillbitandconventionalPDCdrillbit.Tofacilitatesubsequentdesignofthescalablestructure,byusingBox-Behnkenmethod,amulti-factorfiniteelementsimulationexperimentwasperformedonparameterssuchasdrillingpressure,rotationalspeed,scalablelength,rockremovalvolume,andtorque.Andquadraticregressionmathematicalmodelswereestablishedtocapturetherelationshipsamongtheseparameters.Theresultsshowthat biomimetic PDC teeth achieve higher efficiency in rock fragmentation compared to conventional teeth,with reductions of基金项目:陕西省重点研发计划“基于深度学习的智能送钻系统目标钻压实时获取及控制优化”(编号：2022KW-10)。第一作者:袁若飞(1998-)，在读硕士研究生，从事仿生智能钻头的研究。通讯地址：(710065)陕西省西安市电子二路东段 18 号西安石油大学机械工程学院。E-mail：通讯作者:吴泽兵(1967-)，1990 年毕业于西南石油大学石油与天然气储运工程专业，1997 年获西南石油大学博士学位，主要研究方向为石油钻头智能 CAD/CAE/CAM、智能钻机、钻井优化与自动化等，教授。通讯地址：(710065)陕西省西安市电子二路东段 18 号西安石油大学机械工程学院。E-mail：第45卷第3期石油钻采工艺Vol.45No.32023年5月OILDRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGYMay2023approximately 19%in mechanical specific energy and 12.7%in cutting forces during the rock-breaking process.The scalablebiomimetic PDC drill bit outperforms the conventional PDC drill bit,showing a 1.25-time increase in drilling progress,21%improvementindrillingspeed,anda33%reductioninreactiontorquefromtherock,effectivelymitigatingthestickingandslidingproblems.The accuracy of the obtained quadratic regression models was validated through numerical simulations,revealing anaverage error of less than 6%.These research findings can provide a theoretical support for subsequent field experiments andoptimizationdesignsofscalablestructure.Key words:drillbit;stickingandsliding;scalablebiomimeticPDCdrillbit;numericalsimulation;mechanicalspecificenergy;Box-Behnkenmethod;quadraticregression 0 引言聚晶金刚石复合片(polycrystallinediamondcom-posite，PDC)钻头在石油钻井领域使用率高，其性能受到广泛关注。但现有 PDC 钻头主要依靠 PDC 齿的剪切方式破岩，遇硬岩不易吃入1。PDC 齿与岩石不断摩擦，钻头产生的扭矩不能达到破碎岩石的临界值时，转动会受限甚至停滞2，此时钻头所受阻力不断增加，待钻柱积蓄能量传递给钻头，达到岩石破碎的临界值，岩石被破碎，停滞的钻头高速旋转，变为滑脱状态，这种现象被称为钻头的黏滞滑动，使钻头的振动加剧，破岩效率和使用寿命降低。随着仿生学在石油工程领域的应用，越来越多的学者以生物的优势结构，采用仿生相似原理对钻头进行设计3。万物都是由物质构成的，当今世界的事物各异，但却往往能寻找到不同事物之间的相似现象，而仿生学研究的基本方法正是基于这种相似原理4。李梦等以穿山甲爪趾为仿生原型，对取心钻头进行优化设计，与普通取心钻头相比，平均钻速提高了 20%，寿命提升几乎一倍以上5；刘婧等以贝壳表面纹路为仿生原型，设计了一种非光滑的波浪形 PDC 齿，与常规 PDC 齿相比，对岩石的磨耗比提高约 18.4%6；Wang 以蝼蛄爪趾为仿生原型，设计出一种台阶形仿生 PDC 齿，经现场试验与常规 PDC 齿相比，钻进效率和寿命分别能提升54%和 230%7；孙荣军等通过对波浪形、凸包形、放射形和方格形的仿生 PDC 齿进行测试，最终确定凸包形效果最好，并应用到了冲击挤密钻头上，与常规挤密钻头相比，单次进尺提高约 45%，所需能量减小约 46.8%8；李琴等将台阶形与斧形齿结构相结合，设计出了一种适合中硬岩的新型 PDC 齿9，相比普通 PDC 齿，所受切削力更小，耐磨性更强。除齿形设计外，钻头整体的结构设计也能够提升 PDC 钻头的破岩效率，抑制黏滞滑动现象的发生。双级钻头是大切削结构钻头中心有一小钻头，先由小钻头预破碎岩石释放应力10，后续大切削结构跟进破岩，能有效提升破岩效率。牙轮-PDC 复合钻头结合了 PDC 钻头的剪切破岩作用和牙轮钻头的冲击作用11，在钻进过程中，牙轮钻头可先对岩石产生冲击预破碎，随后 PDC 刀翼大面积破碎岩石，有助于解决钻头难以钻进硬岩的问题。上述钻头切削结构都是固定的。为了使钻头能更好适应复杂地层，贝克休斯公司提出一种自适应可伸缩钻头，这种钻头可以解决突然遇到硬地层时，切削齿无法吃入岩石而发生黏滞滑动的现象12。其通过一种可调控切削深度的装置，将切削齿缩回一部分，同时将控制垫片伸出与岩石接触，抵消钻头出现的振动现象，也能抑制产生黏滞滑动。吴泽兵等设计出一种以防泥包、耐磨为主，切削结构可变的智能孕镶金刚石钻头13，可根据不同岩性变换切削结构，与普通孕镶金刚石钻头相比，更容易使岩石达到破碎极限，但并未对具体的伸缩参数进行研究，并且缺乏合适的伸缩结构。当前对于钻头参数的研究，大多数学者采用选定一范围值，手动变参数进行研究14。由于钻头相关参数较多，这种方法最后得到的结果大多是范围值，结果针对性较弱。使用 Box-behnken 方法构建多因素正交旋转组合实验15，该方法相较于常规的 L9(34)正交试验，考虑了试验过程中的随机误差，并且在试验条件寻优过程中，可以连续对各个水平进行分析，而常规正交试验只能对单个孤立试验点进行分析16。同时，该方法可以将未知的复杂函数关系在小区域内用简单的一次或二次多项式拟合，计算简便又能解决实际问题。综合上述研究发现，目前的钻头存在以下问题：在花岗岩等研磨性较高的岩层中，使用寿命和效率不够理想，需要一种攻击性与耐磨性兼备的齿形；齿形设计和钻头整体结构设计相结合得较少；关于可袁若飞等：可伸缩仿生聚晶金刚石复合片钻头297伸缩钻头参数研究较少，且大多数参数研究方法针对性较弱。考虑到鼹鼠作为掘土动物，其爪趾锋利，在掘土过程中发挥主要作用，而鲨鱼牙齿的咬合力极强，非常适合用于加固切削齿结构，鉴于此，以鼹鼠爪趾和鲨鱼牙齿为仿生原型，设计 PDC 齿，结合双级钻头和复合钻头的优势，在本实验室研发的自动送钻系统基础上17，设计出一种中心可伸缩的仿生 PDC 钻头，并与普通 PDC 齿和钻头破岩特性比较。为了后续伸缩结构的优化设计和调整，使用Box-Behnken 方法对设计的钻头钻压、转速、伸缩参数、破岩量和反扭矩采样18，拟合出相关二次回归模型，以期解决钻井过程中钻头出现的黏滞滑动问题，并为伸缩结构的设计提供理论支撑。1 钻头结构设计采用仿生相似原理，以鼹鼠爪趾和鲨鱼牙齿为原型，设计一种攻击性强的仿生 PDC 齿。结合双级钻头和复合钻头的优势，对 PDC 钻头的冠部、刀翼等进行设计，将钻头中心位置设计为布有锥形齿的可伸缩结构。根据等切削原则，将所设计的仿生PDC 齿在钻头刀翼进行布齿，完成整体设计。为验证所设计钻头的效果，分别建立了切削齿、钻头与花岗岩相互作用的有限元模型。以岩石表面应力、切削力和机械比能为评价指标，开展仿生PDC 齿与普通齿的破岩数值模拟对比；以钻头整体所受的反扭距、机械钻速、进尺位移和水平受力为评价指标，开展可伸缩 PDC 钻头与普通钻头的破岩数值模拟对比。为了给伸缩结构的设计和现场应用提供理论支撑，分析了钻压、转速、伸缩长度以及破岩量、扭矩之间的关系，使用 Box-Behnken 方法设计正交试验，进行多组数值模拟，对正交试验结果以及参数之间的交互影响规律进行分析，得到参数之间的二次回归模型，对模型进行显著性和准确性分析。最后通过随机选取 5 个数据点进行破岩数值模拟，对比模拟结果和回归模型预测结果，对误差进行计算，验证了回归模型的准确性。1.1 PDC 齿形设计PDC 钻头依靠镶嵌在其刀翼上的切削齿(又称PDC 齿)破碎岩石，其结构决定了钻头整体性能。目前普通 PDC 齿主要依靠边缘剪切岩石，由于其切削面是平面，难以吃入地层。考虑以掘土动物鼹鼠的爪趾为仿生原型，如图 1 所示。图1鼹鼠爪趾Fig.1Moleclawtoes从图 1 可看出，鼹鼠前脚很大且向外翻转，爪子有力，有利于掘土，其前掌又短又厚，爪趾长度不同，趾前部呈尖刺形。这些结构有利于释放土壤内应力，降低阻力并且防止黏着，根据鼹鼠的爪趾端部特征，将 PDC 齿切削面设计为锯形结构，如图 2 所示。这种锯齿结构能增加切削齿与岩石之间的比压，使切削齿更易吃入地层，还能在 2 个锯齿结构中部形成对岩石的拉应力作用，更易破碎岩石。这种锯齿状结构不仅能够提升破岩效率，还能减小切削齿与岩石接触面积，降低泥包现象发生的概率。图2锯齿状结构与岩石相互作用Fig.2SawtoothstructureandinteractionwithrockPDC 齿由聚晶金刚石和硬质合金构成，其破岩过程中，由于 2 种材料的差异性，若受到岩石反作用力过大很可能导致分层失效19。为防止此现象，考虑以鲨鱼牙齿为仿生原型(图 3(a)。鲨鱼牙齿呈锯齿状，在咬合时具有非常大的咬合力，将锯齿结构引入交界处，增大 2 种材料之间的结合面积，当聚晶金刚石层完全磨损后，切削齿仍能保持一定破岩效率。仿生齿结构如图 3(b)所示，聚晶金刚石层高3mm，硬质合金层高 5mm，切削齿直径 13.44mm。这种结构的分布公式可近似表示为20Z(x,y)=hsinR+r2r(x2+y2)1/22r R2 x2+y2(R+r)2h0 x2+y2 R20其他(1)298石油钻采工艺2023 年5月（第45卷）第3期式中，R 为地面中心到锯齿周边距离；r 为相邻两个锯齿单元体之间距离；h 为锯齿顶点到地面距离。图3鲨鱼牙齿和仿生齿结构Fig.3Sharkteethandbiomimetictoothstructure 1.2 PDC 钻头冠部和刀翼设计钻头的冠部形状对其稳定性、效率和寿命都有一定影响，因此需要进行合理选择。钻头冠部轮廓结构大致由内锥、顶肩外和保径等组成。冠部形状有平底形、浅锥形、中锥形和长锥形 4 种21(图4)，其中浅锥形冠部内锥角较小，清洗效果较好，且布齿面积小，各切削齿间的切削深度近似相等，因此，本文钻头冠部设计选择浅锥形，内锥角为 150。图4钻头冠部形状示意图Fig.4Schematicdiagramofdrillbitcrown钻头的冠部剖面形状选择直线圆弧直线型以保证钻速，其剖面形状如图 5 所示，Dp为冠部外径，R0为冠顶半径，R 为圆弧半径，为内锥半角，Rh为圆弧心径向坐标，H1为内锥高，H2为外锥高。最终得到结构造型见图 6，冠部外径 215.9mm，外锥高度为 80mm，冠顶半径及冠顶圆弧半径为 45mm，内锥角 150，保径 60mm。刀翼造型为等距螺旋线，4 刀翼，每个刀翼间等角度间隔 90。1.3 切削齿的布局设计后倾角 和侧转角 是仿生 PDC 齿在刀翼上的布置的 2 个关键参数22(图 7)。选择后倾角15、侧转角 0进行布齿。图5钻头冠部剖面形状Fig.5Shapeofdrillbitcrown图6钻头冠部和刀翼造型Fig.6Profileofdrillbitcrownandcutter图7切削齿后倾角与侧转角示意图Fig.7IllustrationofbackrakeangleandsidereliefangleofcuttingteethPDC 齿在钻头刀翼上的整体布置会影响钻头在钻进过程中的效率以及使用时长23。为了保证钻头钻进时的寿命，有必要使钻头的切削齿磨损量保持一致，因此，仿生 PDC 齿在钻头上的布置应遵循等磨损切削原则，其冠部曲线函数为24h=w(x/R0)2/nr1 dR+Cx R0(2)式中，x 为切削齿中心距离钻头中心的径向距离，mm；nr为切削齿所受正压力和切削深度之间的实验指数，与岩石性质相关；C 为积分常数；h 为切削齿垂直高度，mm。PDC 钻头在钻进过程中，肩部的切削齿磨损最为严重。在布齿过程中，应该在肩部密集布齿，整体采用内疏外密的布齿方式25，如图 8 所示。袁若飞等：可伸缩仿生聚晶金刚石复合片钻头299图8切削齿在 PDC 钻头刀翼上的投影Fig.8ProjectionofcuttingteethonthecutterwingofPDCdrillbit 2 结构分析 2.1 钻头整体结构PDC 钻头破岩主要依靠切削齿破碎地层，在遇硬岩时难以吃入，而双级钻头和复合钻头均通过预先破碎岩石释放地层应力，后续切削结构再进行大面积破碎，这种方式有效提升破岩效率的同时能够减轻钻头的振动。鉴于此，设计钻头由冠部、刀翼、伸缩结构、仿生 PDC 齿和锥形齿组成，结构见图 9。图9仿生 PDC 钻头整体结构Fig.9OverallstructureofbiomimeticPDCdrillbit实验室基于神经网络 BP 算法设计了一种小型智能钻机系统，将人工神经网络与智能控制相结合，能够根据安装在切削结构上的传感器输入参数识别不同岩性，从而调整伸缩机构，充分发挥钻头的性能。具体工作流程见图 10，开始钻进时，对钻头施加钻压和转速，其与岩石接触后产生钻速以及相应的扭矩，此时通过传感器收集上述参数后，由送钻系统进行模式识别，对岩性进行判断13，而后经神经网络控制器，根据识别结果进行伸缩结构的调整，完成高效钻井作业。其中，继续表示钻井工作的继续，否代表了一种极端情况，在调整过程中，出现伸缩结构未伸出所需长度或控制失败，此时，整个送钻系统重复上述流程，直至完成控制。2.2 花岗岩有限元模型的验证为验证花岗岩模型的准确性，建立了如图 11 的花岗岩单轴压缩数值模拟有限元模型，上下板为刚体，花岗岩直径 50mm，长 100mm，上端压缩产生5mm 位移，下端仅具有 z 方向的位移。图 12 显示了数值模拟的花岗岩应力应变关系与文献26中的实验结果，可以看出，数值模拟结果与实验结果趋势基本一致，验证了岩石模型的准确性。图11花岗岩单轴压缩数值模拟模型Fig.11Numericalsimulationmodelofgraniteuniaxialcompression051015200306090120应力/MPa应变/%实验结果 模拟结果图12数值模拟和实验获得的应力-应变曲线Fig.12Stress-straincurvesobtainedfromnumericalsimulationandexperiment 2.3 评价指标PDC 齿在破岩过程中有 2 大特征，分别为机械比能和切削力。机械比能是为了克服地域差异性建立的一个符合技术性能标准的物理模型，即在钻压开始参数初始化及输入有关采集钻井参数模式识别，岩性分类推理控制基于神经网络控制器根据钻压、转速调整伸缩结构继续结束是否图10钻井系统的工作流程Fig.10Workflowofdrillingsystem300石油钻采工艺2023 年5月（第45卷）第3期和扭矩破碎作用下，单位时间破碎单位体积岩石所需的机械能。切削力是 PDC 齿破岩过程中沿切削方向所受的阻力，该力越小，则说明切削齿的耐磨性越强，钻头发生黏滞滑动的概率越小。PDC 钻头的破岩可用进尺位移、钻速指标来衡量，相同时间内，PDC 钻头的进尺越大，钻速越大，代表其效率越高。钻头所受到岩石的反扭距可以衡量其发生黏滞滑动的概率，值越小，概率越低。2.4 单齿破岩数值模拟为了验证所设计的仿生 PDC 齿的效果，对比其与普通 PDC 齿的破岩过程，构建有限元模型如图 13 所示。考虑到切削齿与岩石的材料硬度差异，忽略破岩过程中的磨损，将切削齿设置为刚体。为保证计算效率和精度，将切削齿与岩石接触部网格细化，其余部位保持默认。对切削齿设置沿箭头方向的速度 500mm/s，岩石上表面和切削方向的面释放自由度，其余面均固定。图13单齿破岩有限元模型Fig.13Finiteelementmodelofrockbreakingforasingletooth仿真过程中设置 PDC 齿的密度 8950kg/m3，弹性模量 890GPa，泊松比 0.15；花岗岩的密度 2650kg/m3，弹性模量 40GPa，泊松比 0.25。图 14 为 2 种齿破岩过程中的应力云图，可以看出，2 种齿的破岩方式有很大区别，普通齿为平面，破岩时只能靠对岩石的挤压作用，所以其高应力区域较大，岩石容易产生抱团作用，导致难以破碎；仿生 PDC 齿以锯齿尖端与岩石进行点接触，增大了岩石所受的应力，更容易破碎硬岩，能够很好地解决钻头难以吃入硬岩的问题，经计算，仿生 PDC 齿破岩时岩石表面最大应力较普通 PDC 齿增加了约 16.3%。图 15 为 2 种齿破岩过程中机械比能和所受切削力均值，可以看出，仿生 PDC 齿的切削力均值比普通 PDC 齿减少约 12.7%，机械比能减少约 19%，意味着仿生 PDC 齿破岩时所受的阻力更小，效率更高，出现黏滞滑动概率更小。原因在于，仿生 PDC齿锋利的尖刺状结构能够以点载荷的方式破碎岩石，增大了与岩石之间的比压，相比普通 PDC 齿，不仅有剪切效果，还有类似于犁地的犁切效果，能够更好地解决岩石的“抱团”现象。普通PDC齿仿生PDC齿 0 5001 0001 5002 0002 500切削力均值/N 切削力均值 机械比能2345机械比能/(105 Jm3)图15仿生 PDC 齿和普通 PDC 齿的机械比能与切削力对比Fig.15ComparisonofmechanicalspecificenergyandcuttingforcebetweenbiomimeticPDCtoothandconventionalPDCtooth 2.5 全尺寸钻头破岩数值模拟对仿生 PDC 钻头进行性能验证，将其与相同参数下的普通 PDC 钻头进行仿真实验，对比破岩特性。因钻头破岩是极为复杂的非线性过程，为提升计算效率，需对模型进行适当简化，并作以下假设：(1)考虑钻头与岩石材料性质的差异，将切削齿设置为刚体；(2)破岩过程中不考虑钻井液以及温度的影响；(3)岩石一经破碎即被删除，不考虑重复切削。图 16 为普通 PDC 钻头和可伸缩仿生 PDC 钻头的有限元模型，只保留切削齿与岩石，在两者接触部位进行网格细化，将切削齿设定为刚体后耦合在中心参考点上，对其施加 80kN 钻压和 350r/min 转图14仿生 PDC 齿和普通 PDC 齿破岩过程中的应力云图Fig.14StressdistributioncloudchartduringrockbreakingofbiomimeticPDCtoothandconventionalPDCtooth袁若飞等：可伸缩仿生聚晶金刚石复合片钻头301速，岩石除上表面外其余面均固定，建立切削齿表面与岩石节点的接触，接触关系采用硬接触，相互作用的摩擦关系采用罚接触公式，摩擦因数 0.3，仿真时间为 4s。仿真实验过程中，认为 PDC 齿和花岗岩为各项同性的均质材料。图16仿生 PDC 钻头和普通 PDC 钻头有限元模型Fig.16FiniteelementmodelofconventionalPDCdrillbitandbiomimeticPDCdrillbit2.5.1钻头破岩进尺对比图 17 为 2 种钻头破岩过程中的进尺对比，可以看出，可伸缩仿生 PDC 钻头在破岩时的进尺明显更大，经计算约是普通钻头的 1.25 倍。原因在于仿生PDC 齿的攻击性强，容易达到岩石的破碎极限，并且其中心的伸缩结构产生的预破碎岩石效果也有助于提升钻头效率。破岩结束时伸缩钻头的破岩量大于普通钻头，且位移曲线的斜率明显更大，说明其机械钻速更大，更具优势。0123450200400600进尺位移/mm仿真时间/s 普通PDC钻头仿生PDC钻头图17普通 PDC 钻头与仿生 PDC 钻头的破岩进尺Fig.17RockbreakingdepthofconventionalPDCdrillbitandbiomimeticPDCdrillbit2.5.2钻头破岩过程和钻速对比图 18 为 2 种钻头破岩过程中的岩石应力云图，可以看出，2 种钻头破岩时存在较大差异，仿生PDC 钻头先利用锥形齿破碎岩石中心部位，并对周围岩石产生预破坏，如图中的绿色区域，随后在钻压和转速的作用下仿生齿更容易破碎岩石，最后将中心破碎区域与切削齿刮削区域相连通。相比较下，普通 PDC 钻头受钻压作用切削齿先吃入岩石，在转速作用下对岩石进行刮切，在伸缩钻头已准备重新吃入岩石时，其还剩岩石中心部位未破坏而不能进尺。云图表明可伸缩钻头的破岩效率及钻速应高于普通 PDC 钻头。图18普通 PDC 钻头和仿生 PDC 钻头的破岩过程中的岩石应力云图Fig.18StressdistributioncloudchartduringrockbreakingofconventionalPDCdrillbitandbiomimeticPDCdrillbit图 19 为普通 PDC 钻头和可伸缩仿生 PDC 钻头的机械钻速对比曲线，可以看出，仿生 PDC 钻头的钻速基本向下，而普通 PDC 钻头的钻速还有往上的趋势，这说明仿生 PDC 钻头更易吃入岩石，纵向振动更小，不易发生跳钻。经计算仿生 PDC 钻头的钻速相较普通 PDC 钻头提升约 21.1%。0123453002001000100200机械钻速/(mms1)仿真时间/s 普通PDC钻头 仿生PDC钻头图19普通 PDC 钻头和仿生 PDC 钻头的机械钻速Fig.19RateofpenetrationofconventionalPDCdrillbitandbiomimeticPDCdrillbit2.5.3钻头的反扭矩对比图 20 为 2 种钻头破岩受到的扭矩对比，可以看出，可伸缩仿生 PDC 钻头受到岩石的反扭矩幅值明显小于普通 PDC 钻头，经计算其平均扭矩减少约302石油钻采工艺2023 年5月（第45卷）第3期33%，意味着可伸缩钻头在破岩过程中所受阻力更小，一定程度上抑制了黏滞滑动现象的发生，说明该结构设计有利于提升钻头的寿命和效率。012340150300450600扭矩/(kNm)仿真时间/s 普通PDC钻头 仿生PDC钻头图20普通 PDC 钻头和仿生 PDC 钻头所受反扭矩Fig.20ReactiontorqueexperiencedbyconventionalPDCdrillbitandbiomimeticPDCdrillbit图 21 为 2 种钻头破岩过程中水平合力对比，能一定程度上反映钻头的侧向振动。可以看出，普通PDC 钻头的水平合力峰值大于仿生 PDC 钻头的峰值，而在 02s 之间伸缩钻头的水平合力波动较大，意味着其侧向振动较为剧烈。考虑到仿生 PDC 钻头相同时间内钻井深度更大，出现这种波动差距是可以接受的，另外，伸缩结构由于先接触岩石，其破岩稳定性，即侧向振动，应在后续的现场试验中重点考虑。0123400.51.01.52.02.5水平合力/103 kN仿真时间/s普通PDC钻头 仿生PDC钻头图21普通 PDC 钻头和可伸缩 PDC 钻头所受水平合力Fig.21HorizontalresultantexperiencedbyconventionalPDCdrillbitandscalablePDCdrillbit 2.6 可伸缩钻头钻进参数的正交试验设计实际钻井过程中，钻压和转速及伸缩结构伸缩长度对钻头的钻速及扭矩有很大影响。为得到钻压、转速、可伸缩钻头伸缩参数及破岩量和扭矩之间的关系，便于后续伸缩结构设计，基于 DesignExpert 软件，使用 Box-Behnken 法构建多因素正交旋转组合实验27-28。因素水平编码如表 1 所示。表 1 中的参数范围依据中原石油勘探局企业标准Q/SH102500962004井控模拟操作规程确定。表1正交试验设计参数Table1Orthogonalexperimentaldesignparameter因素水平101钻压A/kN4080120转速B/(rad s1)6.2821.45536.63伸缩长度C/mm0510 2.7 正交试验结果的分析与验证以钻压、转速和伸缩长度为自变量，破岩量及扭矩为评价指标，通过 17 组数值模拟试验为设计的正交试验提供结果，如表 2 所示。表2正交试验设计及模拟结果Table2Orthogonalexperimentaldesignandsimulationresults序号因素评价指标钻压A/kN转速B/(rad s1)伸缩长度C/mm破岩量D/(103cm3)扭矩E/(kN m1)18021.45557.8914.2321206.2851.547.80312036.63530.4359.3444036.6358.0317.3558021.45557.8214.5064021.45508.8213.5378021.45557.9014.1188021.45557.6714.66912021.455024.6650.69108021.45507.9613.911806.28100.814.4912806.2804.5517.19138036.631021.4246.391412021.4551012.7929.3115406.2850.382.14164021.455103.97.99178036.63032.0778.48通过表 2 结果拟合得到破岩量与扭矩的二次回归模型为D=7.85+6.04A+10.58B3.90C+5.31AB1.74AC1.73BC+0.039A2+2.21B2+4.66C2(3)E=14.28+13.27A+21.24B8.96C+9.08AB3.96AC4.85BC1.94A2+9.32B2+13.04C2(4)袁若飞等：可伸缩仿生聚晶金刚石复合片钻头303对模型系数进行方差分析，结果见表 3，可以看出，破岩量和扭矩的二次回归模型均高度显著，所选择的因素 P 值均小于 0.005，说明所选因素对模型影响显著，选择合理。由表可知 3 种因素对破岩量影响的显著程度依次为钻压、转速、伸缩长度，对扭矩的影响依次为转速、钻压和伸缩长度。表3二次回归模型的方差分析Table3Analysisonvarianceofquadraticregressionmodel方差来源破岩量扭矩方差来源 破岩量扭矩模型0.0001 0.0001AC0.0653 0.0653A0.0001 0.0001BC0.0665 0.0665B0.0001 0.0001A20.9618 0.9618C0.00020.0002B20.0248 0.0248AB0.00030.0003C20.0005 0.00052.7.1模型精度验证图 22 和图 23 为破岩量与扭矩的回归模型预测值和真实值对比，可以看出，2 种回归模型的预测值与真实值分布在 45线上，决定系数 R2均在 0.98 以上，表明回归模型的预测值与真实值接近，能够反映实验因素与目标之间的关系，拟合优度较高。010203040010203040预测破岩量/103 cm3实际破岩量/103 cm3R2=0.9926图22破岩量预测值与实际值对比Fig.22Comparisonofpredictedandactualrockbreakingvolume0306090020406080预测扭矩/(kNm)实际扭矩/(kNm)R2=0.9801图23扭矩预测值与实际值对比Fig.23Comparisonofpredictedandactualtorque2.7.2模型误差分析为充分验证回归模型的准确性，从预测范围内随机选择 5 组数据进行仿真试验，预测值和仿真值对比如图 24 所示。依据图中数据计算得出破岩量的预测值与仿真值误差分别为 10.2%、2.5%、6.7%、8.1%和 0.6%，其平均误差率为 5.6%；扭矩的预测值与仿真值误差分别为 4.6%、4.9%、8.2%、5.0%和0.3%，平均误差率为 4.6%。数据表明破岩量及扭矩的预测值与仿真值基本一致。123450918273645 破岩量预测值 破岩量仿真值 扭矩预测值 扭矩仿真值数据点破岩量/103 cm30714212835扭矩/(kNm)图24二次回归模型的预测与有限元模拟结果Fig.24Predictedresultsfromquadraticregressionmodelandresultsfromfiniteelementsimulation 3 结论(1)仿生 PDC 齿相较于普通 PDC 齿，更容易达到岩石的破碎极限，能够有效解决单齿不易吃入硬岩的问题；可伸缩仿生 PDC 钻头的设计能够减少钻头整体所受到的反扭距，提升钻头的破岩效率，解决钻头黏滞滑动的问题。(2)二次回归模型的建立，预测伸缩参数与钻头的破岩量和反扭距之间的关系，能够确定伸缩结构在破岩过程中的最佳伸缩量。(3)后续的现场试验需重点关注中心伸缩结构破岩时的稳定性，防止伸缩结构在破岩过程中出现侧向振动而影响整体破岩效果；水力结构的设计对清洗、冷却钻头及提升钻井效率起决定性作用，也需重点考虑。参考文献：孙荣军,谷拴成,石智军,等.硬岩钻进用仿生PDC切削齿优化与破岩机理研究J.煤炭科学技术,2018,46（5）：143-148,165.SUNRongjun,GUShuancheng,SHIZhijun,etal.StudyonoptimizedbionicPDCcutterappliedtohardrockdrill-ingandrockcuttingmechanismJ.CoalScienceandTechnology,2018,46（5）:143-148,165.1304石油钻采工艺2023 年5月（第45卷）第3期李飞.PDC钻头切削深度对抑制黏滑振动和提高钻进速度的影响J.石油钻采工艺,2021,43（5）：566-573.LIFei.Effectofdepth-of-cutcontrol(DOC)ofPDCbitsonstick-slipsuppressionandrateofpenetrationimprove-mentJ.OilDrilling&ProductionTechnology,2021,43（5）:566-573.2马晶,张明鉴,刘强,等.仿