2. 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院;
3. 胜利石油管理局设备管理处
2. College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum(Beijing);
3. Equipment Management Office of Shengli Petroleum Administration
0 引言
PDC钻头的破岩效果与所钻岩层的岩性及钻井工艺过程、PDC钻头的切削结构、切削齿的布置方式和参数密切相关[1-8]。所钻岩层岩性的多样性对PDC钻头的适应性和针对性提出了更高的要求:PDC钻头能针对不同岩性地层依据不同的破岩机理进行设计[9-10],尤其对于硬地层和研磨性地层,往往需要依据其破岩机理进行切削齿混合布齿方式和参数的优化设计,以增强破岩效果[11-15]。
目前,国内外大多依靠布齿理论模型、软件模拟或经验进行PDC钻头混合布齿设计,在现有文献里未见混合布齿破岩机理研究方面的报道[16-19],而且现有的PDC单齿试验装置对单齿切削角度等参数的调整很不方便,需要进行多组刀具的频繁更换,已不适用于多切削齿在交叉或重叠组合下的混合切削特性及破岩机理的试验研究[20]。为此,笔者设计了一种可用于PDC单齿及多齿混合布齿的试验装置。该装置可以方便地对PDC齿后倾角、切削深度、多切削齿布齿方式及组合等切削结构和参数进行调节,从而实现对不同切削齿在不同组合及布齿参数下切削规律和破岩机理的研究。研究结果可为进行有针对性和适应性的PDC钻头切削结构和布齿优化设计奠定试验基础。
1 试验装置技术分析如图 1所示,试验装置主要由动力驱动模块、切削模块、数据采集模块和数据处理模块组成。动力驱动模块主要用来提供动力,并将机床主轴的旋转运动转换为岩样固定台的水平往复直线运动,同时可以精确控制岩样水平移动速度,切削模块主要用于模拟和调节PDC齿的布齿方式及切削结构参数,以模拟PDC钻头在不同布齿方式下的破岩机理。数据采集模块主要用于数据的采集和传递,即将切削齿的受力情况转换为电压信号变化曲线。数据处理模块主要用于电压信号的A/D转换、滤波及储存。
1.1 动力驱动模块
动力驱动模块包括机床的动力和速度控制系统、丝杠主轴及可沿导轨直线运动的岩样固定台。试验时可通过调节变速旋钮来精确控制丝杠主轴的转速,并通过丝杠将机床的旋转运动转换为固定台的往复直线运动,从而控制岩石的水平运动速度,实现岩石切削速度的调节和控制。
1.2 切削模块如图 2所示,切削模块主要包括刀架、刀头、力传感器、切削齿深度及倾角调节机构。
1.2.1 切削齿倾角调节
PDC齿的倾角可通过旋转刀座,将其定位螺孔旋转到旋转轴孔上端扇形分布的螺孔处进行固定,每个螺孔相隔5°,切削齿倾角可实现-30°~30°调节,如图 3所示。
1.2.2 切削深度调节
如图 4所示,可以通过刀架的升降调节和刀头的升降调节两种方式调节PDC齿的切削深度。同时,刀架螺杆机构上的双螺母能可靠地固定刀架位置,使其在切削过程中不发生轴向移动。
1.2.3 混合布齿结构和参数调节
如图 5所示,通过调整刀头的位置,即可调整不同类型和数量切削齿的布齿组合,从而实现混合布齿的结构调节。
如图 6所示,通过调节布齿高度差h和布齿间距s,可以实现对混合布齿切削机构的布齿参数调节。
1.3 数据采集模块
数据采集模块由自主设计的二维力传感器内部的弹性元件及与其相连接的桥式电路和外部抗干扰保护壳组成。在弹性元件上布置有序并按角度排列的电阻式应变片,以感应岩石切削过程中因切削载荷产生的应变。外部抗干扰保护壳主要用来屏蔽外部的干扰信号,同时对其内部的弹性元件及电路也能起到一定的密封和保护作用,在岩石切削过程中免受岩屑等粉尘的污染。
1.3.1 传感器弹性元件结构及布片方式传感器的布片方式如图 7所示。
由图 7可知,在对称布置的双半圆形弹性元件上布置有8个应变片,用来测量切削齿切削过程中受到的轴向力和切削力。其中,应变片R1~R4在轴向力的作用下会随半圆形弹性元件的变形而拉伸或压缩,从而改变应变片的电阻值并引起电信号的变化,据此能实现对轴向力的测量;而应变片R5~R8的电阻值会随切削方向上的变形而改变,从而引起电信号变化,这样就能实现对切削力的测量。
1.3.2 桥电路的组合方式传感器上的8片应变片组成了2个惠斯通全桥电路,分别测量切削力Fx和轴向力Fy。全桥电路具有温度补偿和增大输出电信号的作用,即使刀头与刀架中心线存在偏置距离,仍然可以准确测量,具有恒定的标定系数。
测量切削力的桥电路如图 8a所示。测量轴向力的桥电路如图 8b所示。
1.4 数据处理模块
如图 9所示,数据处理模块将采集的模拟电信号进行A/D转换及多路输出到计算机,并采用滤波程序进行数据滤波后以图形显示。
2 试验装置的可行性验证
本文以均质石灰岩为岩石样品进行不同切削深度和不同切削速度下的切削试验,以验证试验装置的切削能力、数据采集的有效性和精度。
2.1 试验方法及步骤数据采集装置实物图如图 10所示。试验时,将岩样固定在工作台上并装好刀头,连接传感器和信号放大器,并接入数据采集卡进行数据的A/D转换和收集。最后将采集卡与计算机连接进行数据的分析处理。具体步骤如下。
(1) 将岩样进行形状及表面平整度的处理并固定在岩样固定台上。
(2) 进行传感器的调校,记录空载时电压值V0与受到标准质量块m重力作用的电压值V1,则试验时所测电压值V与力之间的对应关系为:
为了尽可能地减小误差,尽量采用满传感器输出量程,且标定时所挂质量块为质量精准的标准质量块。
(3) 分别进行切削深度、切削角度、切削速度、切削齿数量及类型等参数的设定,然后进行试验、数据采集和数据的分析处理。
2.2 不同切削深度下的切削试验选用ø13.4 mm圆形PDC单齿,齿后倾角设定为0°,电机转速设定为56 r/min,进行切削深度分别为0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 mm的切削试验。
图 11为切削载荷随时间变化的波形曲线。从图 11可以看出,切削过程中切削载荷和轴向载荷虽然都有波动,但都分别在其均值上下波动,波形整体比较稳定,能体现切削载荷随时间变化的规律,说明试验装置满足PDC齿切削试验的要求。
图 12是切削深度分别为0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 mm时,切削均值载荷随切削深度变化的规律。从图 12可以看出,切削过程中切削力和轴向力均随切削深度的增加而增加,符合切削载荷随切削深度变化的规律,也说明试验装置满足PDC齿不同切削深度切削试验的要求。
2.3 不同切削速度下的切削试验
选用ø13.4 mm圆形PDC单齿,齿后倾角设定为0°,切削深度设定为1.0 mm,进行电机转速分别为35、56、90、110和180 r/min的切削试验。
图 13是切削均值载荷随切削速度的变化规律。
从图 13可以看出,切削过程中切削均值载荷随切削速度的增加而略有增加,但不如随切削深度的变化那么明显,符合切削载荷随切削速度变化的规律,也说明试验装置满足PDC齿不同切削速度切削试验的要求。
3 结论(1) 提出了一种新型PDC钻头混合布齿切削试验装置,通过特殊的混合布齿组合结构设计能实现不同PDC齿在不同切削参数下的混合布齿组合,具备进行PDC混合布齿切削试验的能力。
(2) 该试验装置能模拟不同切削齿在不同组合及布齿参数下,切削载荷随切削深度及切削速度变化的试验研究和破岩机理研究。
(3) 该试验装置不仅适用于PDC单齿破岩机理的试验研究,还可以用于PDC混合布齿破岩机理以及混合布齿切削结构优化设计的试验研究。
[1] |
牛世伟, 杨迎新, 牛永超. PDC钻头布齿计算方法的研究现状及发展[J]. 石油机械, 2015, 43(9): 6-9. NIU S W, YANG Y X, NIU Y C. Research status and development of calculation method for PDC bit tooth arrangement[J]. China Petroleum Machinery, 2015, 43(9): 6-9. |
[2] |
邹德永, 徐城凯, 易杨, 等. PDC钻头布齿参数与地层适应性的试验研究[J]. 天然气工业, 2017, 37(9): 85-90. ZOU D Y, XU C K, YI Y, et al. An experimental study on PDC bits'cutter parameters and formation adaptability[J]. Natual Gas Industry, 2017, 37(9): 85-90. |
[3] |
郑胜, 杨爱玲, 陈康民. 关于PDC钻头形态设计的探讨[J]. 石油机械, 2003, 31(1): 21-23. ZHENG S, YANG A L, CHEN K M. Investigation in shape design of PDC bit[J]. China Petroleum Machinery, 2003, 31(1): 21-23. DOI:10.3969/j.issn.1001-4578.2003.01.007 |
[4] |
王镇全, 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, 2009, 30(8): 49-51. WANG Z Q, ZHOU Y H. Study on rock breaking regulation in optimizing cutting angle of PDC bit[J]. Coal Mine Machinery, 2009, 30(8): 49-51. DOI:10.3969/j.issn.1003-0794.2009.08.022 |
[5] |
邹德永, 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), 2009, 33(5): 76-79. ZOU D Y, CAI H. Experiment on effect of cutter parameters of PDC bit on rate of penetration[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2009, 33(5): 76-79. DOI:10.3321/j.issn:1673-5005.2009.05.015 |
[6] |
李美求, 李嘉文, 李宁, 等. 周向冲击扭矩作用下PDC钻头的黏滑振动分析[J]. 石油钻采工艺, 2018, 40(3): 287-292. LI M Q, LI J W, LI N, et al. Analysis on the stick-slip vibration of PDC bit under the effect of circumferential torque impact[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2018, 40(3): 287-292. |
[7] |
王滨, 邹德永, 李军, 等. 深部及复杂地层中PDC钻头综合改进方法[J]. 石油钻采工艺, 2018, 40(1): 44-51. WANG B, ZOU D Y, LI J, et al. A comprehensive method to improve the performance of PDC bits in deep and complex formations[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2018, 40(1): 44-51. |
[8] |
田志欣, 王国华, 李源源, 等. 喷嘴直径匹配对PDC钻头流场特性影响[J]. 钻采工艺, 2017, 40(5): 8-10. TIAN Z X, WANG G H, LI Y Y, et al. Effects of PDC bit's nozzle diameter on flow field characteristics[J]. Drilling & Production Technology, 2017, 40(5): 8-10. DOI:10.3969/J.ISSN.1006-768X.2017.05.03 |
[9] |
杨庆理.复杂地层PDC钻头个性化设计及应用研究[D].青岛: 中国石油大学, 2007. YANG Q L. Application study and personalized design of PDC bits under complex geological condition[D]. Qingdao: China University of Petroleum, 2007. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10425-2008199227.htm |
[10] |
彭军生, 杨利. PDC钻头技术的新进展[J]. 石油机械, 2001, 29(11): 49-51. PENG J S, YANG L. New developments in PDC bit technology[J]. China Petroleum Machinery, 2001, 29(11): 49-51. DOI:10.3969/j.issn.1001-4578.2001.11.019 |
[11] |
陈国庆. PDC钻头的发展趋势[J]. 石油机械, 2003, 31(增刊1): 103-106. CHEN G Q. The trend of PDC bit development[J]. China Petroleum Machinery, 2003, 31(S1): 103-106. |
[12] |
ZOU D Y, SUN Y X, YU P, et al. Experiment study on bench test of stinger PDC bit[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2015, 39(2): 48-52. |
[13] |
许利辉, 毕泗义. 国外PDC切削齿研究进展[J]. 石油机械, 2017, 45(2): 35-40. XU L H, BI S Y. Overseas researches on PDC cutters[J]. China Petroleum Machinery, 2017, 45(2): 35-40. |
[14] |
查春青, 柳贡慧, 李军, 等. PDC钻头扭转振动特性分析及减振工具设计[J]. 石油机械, 2017, 45(3): 1-5. ZHA C Q, LIU G H, LI J, et al. Analysis of torsional vibration characteristics of PDC bit and design of the damping tool[J]. China Petroleum Machinery, 2017, 45(3): 1-5. |
[15] |
况雨春, 王芳, 魏莉鸿, 等. 基于EASA的PDC钻头井底流场分析平台研究[J]. 石油机械, 2017, 45(3): 11-15. KUANG Y C, WANG F, WEI L H, et al. Study on the bottom hole flow field analysis platform of PDC bit[J]. China Petroleum Machinery, 2017, 45(3): 11-15. |
[16] |
周从明, 刘建风, 胥建华. PDC钻头布齿软件设计[J]. 石油机械, 2004, 32(7): 23-25. ZHOU C M, LIU J F, XU J H. Software design of tooth arrangement of PDC bit[J]. China Petroleum Machinery, 2004, 32(7): 23-25. DOI:10.3969/j.issn.1001-4578.2004.07.008 |
[17] |
王涛, 杨迎新, 黄奎林, 等. 基于MATLAB的PDC钻头布齿设计[J]. 地质装备, 2011, 12(3): 20-23. WANG T, YANG Y X, HUANG K L, et al. Design of tooth arrangement of PDC bit based on MATLAB[J]. Equipment for Geotechnical Engineering, 2011, 12(3): 20-23. DOI:10.3969/j.issn.1009-282X.2011.03.004 |
[18] |
TUNCDEMIR H, BILGIN N, COPUR H, et al. Control of rock cutting efficiency by muck size[J]. Inter-national Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2008, 45(2): 278-288. |
[19] |
COPUR H, TUNCDEMIR H, DEMIRCIN M A, et al. Dominant rock properties affecting the performance of conical picks and the comparison of some experimental and theoretical results[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2006, 43(1): 139-156. |
[20] |
祝春生, 王镇全, 邢树宾, 等. PDC钻头切削齿受力模拟试验装置研究[J]. 石油机械, 2008, 36(2): 6-8. ZHU C S, WANG Z Q, XING S B, et al. Study of force simulation test device of PDC bit cutting teeth[J]. China Petroleum Machinery, 2008, 36(2): 6-8. |