高壓水射流輔助錐形PDC齒破碎花崗巖試驗研究

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目“PDC鉆頭錐形齒與平面齒協同破碎深部硬巖機理研究”（52304014）；中國博士后科學基金項目“低溫射流輔助異形PDC齒破碎干熱巖機理研究”（2023M733873）；中國石油大學（北京）科研基金項目“高溫高壓下錐形齒-平面齒混合切削花崗巖機理研究”（2462023SZBH003）；北京高校卓越青年科學家計劃資助項目“新型射流提高深部地熱鉆井速度基礎研究”（BJJWZYJH01201911414038）。

油氣資源與工程全國重點實驗室" 4.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院

5.中國石油大學（北京）高端油氣裝備智能設計與制造研究中心 ）

王大勇，馬紅濱，李欣龍，等.高壓水射流輔助錐形PDC齒破碎花崗巖試驗研究36-44

Wang Dayong，Ma Hongbin，Li Xinlong，et al.Experimental study on high-pressure water jet assisted conical PDC cutter breaking of granite36-44

深部地層巖石硬度高、研磨性強、可鉆性差，地質條件復雜、施工難度大，高壓水射流輔助鉆井可有效延長鉆頭壽命，提高鉆進效率。采用室內試驗與理論分析相結合的方法，開展了高壓水射流輔助錐形PDC齒破碎花崗巖試驗，分析了高壓水射流輔助錐形PDC齒和常規PDC齒破碎花崗巖特性，揭示了射流壓力、噴射距離、噴嘴直徑及噴射角度等因素對錐形PDC齒破巖效果的影響規律。研究結果表明：在高壓水射流輔助破巖條件下，錐形PDC齒與常規PDC齒的破巖比能分別降低了17.36%與19.63%；射流壓力越大，射流輔助錐形PDC齒破巖效果越好；在研究條件下，噴距范圍為5～10 mm可使水射流輔助錐形PDC齒破巖效果最佳；當噴嘴直徑為2 mm時，切削力離散系數最小；噴射角度為30°時，錐形PDC齒切削力與破巖比能達到最小值；噴射角度為20°時，切削力離散系數最小，切削力最穩定。研究結果可為適用于深部硬巖鉆井的錐形PDC鉆頭水力結構設計與優化提供理論支撐。

高壓水射流；錐形PDC齒；聯合破巖；花崗巖；切削力；破巖特性

TE921

A

005

Experimental Study on High-Pressure Water Jet Assisted

Conical PDC Cutter Breaking of Granite

Wang Dayong1" Ma Hongbin2" Li Xinlong3" Xiong Chao3，4，5

Shi Huaizhong3" Huang Zhongwei3" He Wenhao3

（1.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.;2.CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited;3.National Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering，China University of Petroleum （Beijing）；4.College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum （Beijing）;5.Center of Advanced Oil and Gas Equipment，China University of Petroleum （Beijing））

Deep rocks are hard to abrade and drill，with complex geological conditions for operations.High-pressure water jet assisted drilling technology can effectively extend the service life of drill bits and improve the drilling efficiency in such deep formations.This paper presents a laboratory experiment on high-pressure water jet assisted conical PDC cutter breaking granite to compare the performance of high-pressure water jet assisted conical PDC cutter and conventional PDC cutter and clarify how jet pressure，jet distance，nozzle diameter and jet angle on the rock-breaking performance of conical PDC cutter.The results show that，with the assistance of high-pressure water jet in rock breaking，the mechanical specific energies of conical PDC cutter and conventional PDC cutter are reduced by 17.36% and 19.63%，respectively.The higher the jet pressure，the better the water jet assisted conical PDC cutters rock-breaking performance.Under the experimental conditions，the optimal jet distance range is found to be about 5-10 mm.When the nozzle diameter is 2 mm，the dispersion coefficient of the cutting force is the smallest.When the jet angle is 30°，the cutting force and mechanical specific energy of conical PDC cutter reach the minimum values.When the jet angle is 20°，the dispersion coefficient of the cutting force is the smallest and the cutting force is the most stable.The research results can provide theoretical support for hydraulic structure design and optimization of conical PDC bit for drilling deep hard rocks.

high-pressure water jet;conical PDC cutter;combined rock breaking;granite;cutting force;rock-breaking performance

0" 引" 言

王大勇，等：高壓水射流輔助錐形PDC齒破碎花崗巖試驗研究

經過多年的石油勘探和開采，在中淺地層中尋找新的大型油氣藏愈發困難，世界各地的油氣勘探已擴展到深層（4 500～6 000 m）和超深層（gt;6 000 m）［1-2］。深層石油作為全球石油工業的戰略“三新”領域之一，也是中國石油工業重要的勘探與發展方向［3-4］。據統計，中國深部地層石油儲量為304億t，約占石油總儲量的40%，其中已探明儲量為17.93億t，探明率僅為5.9%［5］。鉆井作為深層油氣勘探開發必不可少的關鍵環節和手段，近年來取得了重要進展。但由于深部地層巖石硬度高、研磨性強、可鉆性差，與淺部地層相比地質條件更加復雜、施工難度更大，鉆井面臨機械鉆速低、周期長、成本高等嚴峻挑戰，如何高效經濟地鉆井是開發深地資源亟需解決的問題［6-10］。

鉆頭作為破碎巖石的核心工具，對安全高效鉆進至關重要。目前，PDC鉆頭進尺已經超過鉆頭總進尺的90%，常規PDC鉆頭在堅硬地層中仍面臨嚴重的崩齒、碎齒和磨損等挑戰［11］。近年來，隨著PDC齒加工工藝的不斷進步，各種異形PDC齒不斷涌現，極大地增強了PDC鉆頭在堅硬、強研磨性以及非均質地層中的鉆進能力［12］。錐形PDC齒作為異形PDC齒，國內外學者對其開展了大量試驗和數值模擬研究，探究了其破巖過程與巖石應力響應特征，分析了切削深度、切削角度、切削速度、鉆壓、錐頂角及齒徑等因素對破巖效率的影響，揭示了其破巖機理［13-20］。此外，為了提高硬巖地層破巖效率，有學者研究了激光［21］、水射流［22］及微波［23］等新型輔助破巖方法。其中，水射流破巖技術因其效率高、安全環保的特點在油氣行業廣泛應用。20世紀50年代，美國基于噴嘴組合系統提出鉆頭水力學理論，并設計噴射式鉆頭［24］。李根生和沈忠厚等也對石油鉆井中水力-機械聯合破巖開展了理論與試驗研究，探究了水力預破碎作用、水楔作用及沖蝕作用等輔助破巖機理，建立了新型射流理論與應用體系［24-28］。張文華等［29］建立了高壓水射流-機械聯合破巖數值模型，發現水力-機械聯合破巖效率約為高壓水射流和切削齒單獨破巖之和的2倍。盧義玉等［30］基于水射流輔助刀具切割巖石室內試驗，發現水射流布置在合適位置可使刀具受力減小30%～50%，且刀具受力減小百分比不受切割深度的影響。HE L.P.等［31］研究了射流壓力、沖擊距離和沖擊時間等對砂巖破碎效果的影響，確定了直徑為1.0 mm，傾角為20°、30°和60°噴嘴合理的結構。蔡燦等［32］分析了噴嘴直徑、噴距及壓降等對高壓CO2射流-PDC齒復合破巖井底流場的影響，揭示了高壓射流破巖、射流-機械聯合破巖和射流輔助攜巖機理，展望了射流輔助鉆井技術的發展趨勢［32-33］。

前人對水力-機械聯合破巖開展了相關試驗與數值模擬研究，取得了一定的研究成果［34-36］，但對于高壓水射流輔助PDC齒聯合切削破巖的破巖規律研究仍然相對匱乏。本文采用室內試驗與理論分析相結合的方法，利用自主研發的射流輔助PDC齒破巖試驗裝置，模擬鉆頭使用時水力-機械聯合破巖狀態，開展高壓水射流輔助錐形PDC齒破碎花崗巖試驗，分析高壓水射流輔助錐形PDC齒和常規PDC齒破碎花崗巖特性，揭示射流壓力、噴射距離、噴嘴直徑及噴射角度等因素對錐形PDC齒破巖效果的影響規律，以期為適用于深部硬巖鉆井的錐形PDC鉆頭水力結構設計與優化提供理論支撐。

1" 高壓水射流輔助破巖試驗

1.1" 試驗裝置

高壓水射流輔助錐形PDC齒破巖試驗在中國石油大學（北京）高壓水射流鉆井與完井實驗室自主研發設計的射流輔助PDC齒破巖試驗系統上開展。圖1為射流輔助PDC齒破巖試驗裝置，主要由切削系統、控制系統和射流系統3部分組成。切削系統在立式車床上改造而成，包括巖樣夾持裝置、切削底座、三軸測力傳感器及刀具夾持裝置等。控制系統由編程系統、運動控制系統、數據采集系統和機柜等組成。射流系統主要由電動控制柜、高壓柱塞泵、管道泵、空壓機、電動機、供水箱和其他輔助裝置組成。該柱塞泵額定壓力為60 MPa，最高壓力為80 MPa，額定排量為200 L/min，電動機功率為220 kW，最高排量為700 L/min。該設備可以實現PDC齒單齒和多齒的耐磨損測試、旋轉破巖測試、直線破巖測試等功能，以及不同種類流體噴射情況下的PDC齒耐磨損及破巖測試。

1.2" 試驗材料

試驗采用的巖石是產自山東的花崗巖露頭，切割成150 mm×150 mm×150 mm的立方體，嚴格控制巖石表面的平整度和平行度。對花崗巖的基本物理力學性質進行測試，結果如表1所示。

采用武漢玖石超硬材料有限公司生產的S1913型常規齒和C1621型錐形齒開展破巖試驗。2種齒的幾何參數如圖2所示。

試驗采用的C304不銹鋼材質的錐直形噴嘴結構示意圖如圖3所示。噴嘴的出口直徑d分別為1、2、3和4 mm；噴嘴的入口直徑D為10 mm；收縮角α為13°；圓柱段長度l與直徑d的比值為3。

1.3" 試驗方案及流程

為了探究高壓水射流輔助PDC齒破巖特性，優選射流輔助錐形PDC齒破碎花崗巖參數，共設

計16組試驗，以切削力與破巖比能為目標；利用控制變量法探究有無射流、不同射流壓力、不同噴距、不同噴嘴直徑及不同噴射角度條件下，高壓水射流對PDC齒破碎花崗巖特性的影響規律。具體試驗方案如表2所示。

試驗原理和射流角度調節如圖4所示。

通過編程調節PDC齒的切削深度，改變噴嘴位置，調節噴射距離和噴射角度等參數。噴嘴利用特殊夾具進行固定，保持與切削齒相對位置不變。切削刀頭的上端連接固定背板，背板連接三軸測力傳感器，破巖過程中實時動態監測齒與巖石之間的相互作用力，評價不同射流參數下PDC齒破巖的切削力特性。試驗結束后，對切槽進行三維形貌掃描，測量破巖體積，計算破巖比能，進而評價破巖效果。

試驗具體操作流程如下。

（1）戴好護目鏡安全帽，穿戴好防護服飾，檢查設備通電是否正常，調節切削力采集系統的切削程序，測試切削裝置是否運作正常，確保沒有安全隱患。

（2）準備試驗材料，包括高壓水射流噴嘴、花崗巖巖樣、PDC齒及刀具等。

（3）花崗巖巖樣調平，確保實際切削深度與預設切削深度一致。

（4）依據試驗原理，調整水射流參數及射流角度。

（5）對噴嘴、切削齒、巖樣進行夾持與固定操作。

（6）根據預設切削深度編輯數控程序，執行程序，采集切削力數據，結束本組試驗。

（7）改變參數，重復試驗過程，完成16組切削破碎試驗，得到試驗數據并進行后處理。

（8）采用三維形貌儀對切削槽進行形貌掃描，分析破巖體積，計算破巖比能。

1.4" 試驗數據處理方法

不同射流參數下的切削距離-切削力幅值變化曲線如圖5所示。由于花崗巖的脆性破碎特征和非均質性，切削力呈現明顯的波動，切削速度為10 mm/s，采集率為100次/s。為減小試驗誤差，提取切削距離為25～125 mm相對平穩切削階段的切削力數據，計算切削力平均值與離散系數并進行分析。

cutting distance （Group 2）

平均切削力的計算公式如下：

F—=1n∑ni=1Fi（1）

切削力離散系數計算公式如下：

C=σF—=" ∑ni=1Fi－F—2nF—

（2）

式中：F—為平均切削力，N；Fi為載荷傳感器測量的瞬時切削力，N；n為采集到的瞬時切削力數量，本研究中n=1 000；σ為標準差，N。

破巖比能是衡量鉆井效率的重要指標。在巖石破碎學中，破巖比能從能量的角度反映巖石的破碎效率，其定義為單位體積巖石破碎所需的能耗［37-38］。破巖比能EMSE定義為：

EMSE=WV（3）

式中：W為巖石破碎所消耗的能量，J；V為巖石破碎產生巖屑的總體積，m3。

在本研究中，高壓水射流從側向輔助錐形PDC齒破碎花崗巖，水射流作用面垂直于PDC齒運動方向，因此巖石破碎所消耗的能量W等于切削力所做的功，可以表示為：

W=∫L0Fdx=∑ni=0FiLn=L1n∑ni=1Fi=LF—（4）

式中：L為切削距離，m，本研究提取切削距離為巖石樣品的25～125 mm，即L=0.1 m。

利用Mountains Map Premium軟件對切槽進行三維形貌掃描與后處理，通過切片處理可以獲取破巖體積V與切槽的寬度。

破巖體積V可以表示為：

V=VtVkVc=abcVkVc（5）

式中：Vt為形貌掃描區域的實際體積，m3；a、b、c分別為掃描區域的長、寬、高，m，在本試驗中，a=0.1 m，b=0.03 m；Vk與Vc分別為后處理軟件讀取空間的體積與材料的體積，m3。

2" 試驗結果與分析

根據1.3所述的試驗方案，結合1.4所述的數據處理方法與計算結果，本節分析了有無射流、不同射流壓力、不同噴距、不同噴嘴直徑及不同噴射角度等射流參數對PDC齒切削力、離散系數、破巖體積和破巖比能的影響規律，探究了高壓水射流輔助錐形PDC齒破碎花崗巖特性并優選了射流參數。

2.1" 有、無射流輔助對PDC齒破巖特性的影響

圖6為錐形PDC齒與常規PDC齒在有、無高壓水射流條件下的切削力、離散系數、破巖體積和破巖比能的對比圖。

切削深度和切削角度分別為2 mm和20°，G2與G4的噴嘴直徑為2 mm，射流壓力為10 MPa，噴距為15 mm，噴射角度為20°。從圖6可以看出：相較于PDC齒單齒破巖，在射流參數下，錐形PDC齒與常規PDC齒切削力分別減小了12.30%與19.05%，破巖比能分別降低了17.36%與19.63%；在射流輔助破巖條件下，切削過程的破巖體積增大，切削力離散系數減小，切削過程更加平穩；在PDC齒切削破巖過程中，水射流滲入巖石裂縫中加速裂縫擴展，有效輔助了巖石破碎。

2.2" 不同射流壓力對錐形PDC齒破巖特性的影響

圖7為不同射流壓力下錐形PDC齒破巖切削力、離散系數、破巖體積和破巖比能的變化規律。從圖7可以看出：隨著射流壓力的增大，錐形PDC齒切削力逐漸減小，破巖體積逐漸增大，破巖比能逐漸減小；在試驗范圍內，當射流壓力達到20 MPa時，相較于單齒破巖，高壓水射流輔助錐形PDC齒破巖切削力減小31.09%，破巖比能降低達39.76%；隨著射流壓力的增大，水射流更容易進入裂縫，流體輔助裂縫擴展效果增強。

2.3" 不同噴射距離對錐形PDC齒破巖特性的影響

圖8為不同噴射距離下錐形PDC齒破巖切削力、離散系數、破巖體積和破巖比能的變化規律。

從圖8可以看出：在試驗范圍內，切削力與破巖體積隨著噴射距離的增大先減小后增大；當噴距為10 mm時，錐形PDC齒切削力最小，此時相較于單齒破巖，高壓水射流輔助錐形PDC齒破巖切削力減小了18.54%；在噴距為5～10 mm的范圍內，破巖比能基本不變；當噴射距離大于10 mm時，破巖比能逐漸增大。射流噴距對水力-機械聯合破巖能力有著顯著影響，破巖效果隨著射流噴距的增加先增強后減弱，在本文試驗研究范圍內，最優噴距范圍為5～10 mm。

2.4" 不同噴嘴直徑對錐形PDC齒破巖特性的影響

圖9為不同噴嘴直徑下錐形PDC齒破巖切削力、離散系數、破巖體積和破巖比能的變化規律。從圖9可以看出：隨著噴嘴直徑的增大，錐形PDC齒切削力與破巖比能逐漸減小，切削過程的破巖體積基本保持不變，僅有微小幅度上升；在本文試驗范圍內，當噴嘴直徑為4 mm時，切削力與破巖比能最小，相較于單齒破巖分別減小30.04%與34.55%；當噴嘴直徑為2 mm時，切削力離散系數最小，此時切削力最穩定。

2.5" 不同噴射角度對錐形PDC齒破巖特性的影響

圖10為不同噴射角度下錐形PDC齒破巖切削力、離散情況、破巖體積和破巖比能的變化規律。從圖10可以看出：在試驗范圍內，隨著噴射角度的增大，錐形PDC齒切削力與破巖比能先減小后增大，而破巖體積先增大后減小；當噴射角度約30°時，錐形PDC齒切削力與破巖比能達到最小值，相較于單齒破巖分別降低32.50%與37.72%；當噴射角度為20°時，切削力離散系數最小，此時切削力最穩定。在現場應用中，如果需求側重于提高破巖效率，可以設置噴嘴噴射角度約為30°；如果需求側重于鉆進過程的穩定性，可以設置噴嘴噴射角度約為20°。

3" 結" 論

（1）在射流輔助破巖條件下，錐形PDC齒與常規PDC齒的切削力與破巖比能不同程度降低，切削過程的破巖體積增大，切削力離散系數減小，切削過程較為平穩。且隨著射流壓力的增大，水射流更容易進入裂縫，流體輔助裂縫擴展效果增強。

（2）高壓水射流的噴射距離對聯合破巖能力有著顯著影響，破巖效果隨著射流噴距的增加先增大后減小，在試驗研究范圍內，最優噴距范圍為5～10 mm。

（3）當噴射角度約30°時，錐形PDC齒切削力與破巖比能達到最小值，此時相較于單齒破巖分別降低32.50%與37.72%。當噴射角度約20°時，破巖過程的切削力離散系數最小，此時切削力最穩定。

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第一王大勇，高級工程師，生于1976年，1998年畢業于石油大學（華東）機械設計與制造專業，現從事鉆井提速技術研究工作。地址：（300461）天津市港保稅區。電話：（022）59898788。

通信作者：熊超，email：xiongc@cup.edu.cn。

2024-01-25

王剛慶