异形PDC切削齿破碎塑性泥岩热固耦合数值模拟研究

中国南海莺琼盆地存在大量高温高压塑性泥岩地层，面临PDC钻齿难以吃入岩层、钻井速度慢的难题，开展该岩层破岩机理研究对于提高钻井速度有重要意义。本文通过离散单元法建立了由平行粘结颗粒组成的岩样二维、三维热固耦合数值模型，并标定了模型细观参数，开展了不同温度下圆柱形齿、楔形齿、屋脊齿和尖圆齿切削塑性泥岩的数值模拟研究。研究结果表明：随着楔形齿侵入时间增加，泥岩损伤区域增大，且径向裂纹向下扩展一定范围后停止扩展，岩石表现为塑性破碎；温度升高对楔形齿侵入岩石产生的径向裂纹和侧向裂纹扩展具有抑制作用；高温环境下，尖圆齿破岩效果明显好于屋脊齿和圆柱齿。现场应用结果表明，相同工况下尖圆齿PDC钻头机械钻速明显高于邻井圆柱齿PDC钻头，与数值模拟结果一致。本文研究成果可为南海高温高压储层破岩提速钻头优化提供理论依据。