基于单刀具破岩机制的机械特定能量改进计算模型

摘要 随着油气勘探向超深和10000米深度的推进，井下多晶体金刚石复合钻头(PDC)在破岩过程中能量供应不足是一个关键挑战。因此，量化PDC刀具与岩石相互作用中消耗的能量对于提高钻头效率和最小化钻探过程中的非生产性能量损失至关重要。因此，在本研究中，我们分析并计算了与PDC刀具在岩石切割过程中刀具与岩石相互作用相关的机械功和能量消耗。首先，通过室内单刀具破岩实验，以及高速摄像机实时观察和切屑的三维形态分析，揭示了单刀具破岩机制，并阐明了刀具前方破岩区在单刀具切割过程中力传递中的关键作用。基于岩石切割机制，推导出了一种改进的单刀具破岩时岩石切割机械特定能量(MSE)计算模型，该模型全面考虑了PDC刀具的基本力相互作用。此外，从全尺度钻头MSE计算原理出发，得出了相同的计算结果，实现了岩石切割机制和数学推导之间的相互验证。最后通过室内单刀具切割实验和使用两种平面刀具轮廓的全尺度钻头破岩实验，验证了改进的岩石切割能量计算模型在评估单平面刀具效率及全尺度钻头的入井速度(ROP)方面的有效性。本研究的发现对合理应用PDC钻头和技术创新以提高ROP具有重要的参考价值。