PDC鉆頭工作參數(shù)研究

　　巖層由軟變硬時(shí)，PDC鉆頭對(duì)工作參數(shù)的要求也不同，使用合適的鉆進(jìn)工藝參數(shù)，可以延長(zhǎng)鉆頭壽命，提高機(jī)械鉆速。首先對(duì)PDC鉆頭工作參數(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，然后采用計(jì)算力學(xué)有限元軟件ANSYS對(duì)PDC鉆頭作用于巖層進(jìn)行了瞬態(tài)仿真分析，通過(guò)改變邊界條件來(lái)分析鉆壓與扭矩對(duì)鉆頭受力及巖層受力的影響，發(fā)現(xiàn)隨著鉆壓的增加，鉆頭受力及巖層受力都增加的很快，而扭矩的增加對(duì)鉆頭受力及巖層受力的影響較小，這對(duì)PDC鉆頭鉆遇硬夾層時(shí)加大鉆壓可以提高鉆速的現(xiàn)象進(jìn)行了較好的解釋。

    引言
　　在軟～中硬巖層中鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆進(jìn)效率高，鉆頭壽命長(zhǎng)，PDC取心鉆頭在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，被用于地質(zhì)勘探，油田鉆井，煤田勘探，水文鉆井等諸多領(lǐng)域。
　　巖層由軟變硬時(shí)，PDC鉆頭對(duì)工作參數(shù)的要求也不同，使用合適的鉆進(jìn)工藝參數(shù)，可以延長(zhǎng)鉆頭壽命，提高機(jī)械鉆速。有較多的學(xué)者從多角度對(duì)PDC鉆頭工作參數(shù)進(jìn)行了研究，得出了很好的成就。本文在總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算力學(xué)有限元軟件ANSYS對(duì)PDC取心鉆頭作用于巖層進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析，以期待加深對(duì)PDC鉆頭工作參數(shù)選擇的研究。
　　1 PDC鉆頭工作參數(shù)的研究現(xiàn)狀
　　對(duì)PDC鉆頭工作參數(shù)的研究包括理論分析與仿真分析兩方面，分析的目的主要是為了得出工作參數(shù)對(duì)鉆速、鉆頭壽命影響，并對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。
　　1.1 對(duì)PDC鉆頭工作參數(shù)的理論分析
　　一般是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)或試驗(yàn)室PDC鉆頭使用情況，通過(guò)理論分析研究工作參數(shù)與PDC鉆頭鉆速的關(guān)系，或同時(shí)考慮工作參數(shù)與PDC鉆頭鉆速及鉆頭壽命之間的關(guān)系。
　　顧金輝，郝鐵軍從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出發(fā)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用試驗(yàn).初步探討了大港油田的使用參數(shù)，其中包括轉(zhuǎn)速、鉆壓及排量的正確使用范圍，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試用結(jié)果證實(shí)，只要選擇的鉆井參數(shù)得當(dāng)，PDC鉆頭的鉆速優(yōu)勢(shì)會(huì)進(jìn)一步得到發(fā)揮。
　　夏柏如通過(guò)對(duì)兩種其有代表性的中硬巖石（細(xì)砂巖和石灰?guī)r）進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)，探討了復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)工藝規(guī)程與各項(xiàng)參數(shù)的相互關(guān)系和變化規(guī)律，研究結(jié)果表明，在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，鉆速隨鉆壓和轉(zhuǎn)速的增大而增大。
　　孫永華、申衡及吳桐等人著重分析了慶深氣田的地質(zhì)概況，以部分已知鉆井的鉆頭參數(shù)和其它鉆井參數(shù)之間的關(guān)系為基礎(chǔ)建立了鉆速方程。
　　1.2 對(duì)PDC鉆頭工作參數(shù)的仿真分析
　　第二次世界大戰(zhàn)后不久，第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)在美國(guó)出現(xiàn)，并在以后的20年里得到了迅速的發(fā)展。美國(guó)克拉夫首先提出了有限元法，這種方法是把計(jì)算區(qū)域剖分成大小不等的三角形（或其他形狀的）單元，然后在各單元上用適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù)來(lái)代替未知函數(shù)。根據(jù)變分原理，可將偏微分方程化成代數(shù)方程來(lái)求解。有限元法引入石油鉆頭領(lǐng)域后，鉆頭受力分析水平相應(yīng)地躍上新臺(tái)階，各種專(zhuān)用設(shè)計(jì)軟件和分析軟件相繼被開(kāi)發(fā)出，得到了廣泛的應(yīng)用。
　　通過(guò)對(duì)總結(jié)前人工作，肖仕紅突破了傳統(tǒng)的理論分析方法中對(duì)鉆頭運(yùn)動(dòng)條件的限制和對(duì)鉆頭切削結(jié)構(gòu)方案的限制，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)模擬鉆頭在偏心運(yùn)動(dòng)條件下實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程，分析切削齒的金剛石工作表面以及齒的側(cè)面與巖石的相互作用。
　　總的說(shuō)來(lái)，現(xiàn)有的分析都是根據(jù)PDC鉆頭現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)資料，對(duì)其工作參數(shù)進(jìn)行理論分析或防真分析，為合適工作參數(shù)的提出提供了參考價(jià)值。
　　2 基于計(jì)算力學(xué)軟件PDC鉆頭工作參數(shù)研究
　　2.1 基本假設(shè)
　　為了簡(jiǎn)化計(jì)算，參照有關(guān)文獻(xiàn)，作如下設(shè)定：
　?。?）不考慮鉆井液作用、孔壁及巖心對(duì)鉆頭的摩擦阻力、振動(dòng)使鉆頭所受的力；
　?。?）將剛體與PDC復(fù)合片作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，該整體材料性質(zhì)相同；
　?。?）僅取出一段鉆桿進(jìn)行與鉆頭相連進(jìn)行受力分析。
　　2.2 基于Ansys軟件仿真分析
　　建模過(guò)程主要包括單元類(lèi)型選擇、材料定義、導(dǎo)入模型與網(wǎng)格劃分、建立接觸對(duì)、加載邊界條件并求解、后處理。
　　（1）選擇單元類(lèi)型
　　選擇單元類(lèi)型為SOLID187，SOLID187是一個(gè)八節(jié)點(diǎn)的四面體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平移自由度UX，UY，UZ，接觸面選用Targe170與Conta174，Targe170模擬PDC鉆頭目標(biāo)面，Conta174模擬巖石接觸面。分布式負(fù)荷可作用于這個(gè)單元的各個(gè)側(cè)面，用這個(gè)單元求解的輸出結(jié)果包括節(jié)點(diǎn)位移，X，Y，Z向的正應(yīng)力，剪應(yīng)力及主應(yīng)力。
　?。?）定義材料屬性
　　鉆頭體的材料屬性用PDC復(fù)合片材料代替，定義了彈性模量，泊松比，密度及摩擦系數(shù)。鉆桿材料的材料性能參照普通鋼材。巖石選擇細(xì)砂巖作為模擬對(duì)象，細(xì)砂巖成分較均質(zhì)，試驗(yàn)過(guò)程假設(shè)巖石呈脆性破壞，破壞前為彈性變形，根據(jù)教程選擇巖石力學(xué)參數(shù)。總體材料屬性如表1所示。
　?。?）導(dǎo)入模型并劃分網(wǎng)格
　　采用PROE軟件建立三維模型，然后導(dǎo)入ANSYS軟件。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)建立適合于硬巖的PDC取心鉆頭模型，鉆頭有六個(gè)切削齒，選用的PDC直徑為8mm，模型中復(fù)合片后傾角為15°，旁通角5°，PDC在鉆頭中出刃高度為4mm，鉆頭與巖石接觸形狀選取半月形，巖石模型為圓柱體。
　　網(wǎng)格劃分時(shí)先整體劃分為四面體網(wǎng)格，再局部細(xì)化，最后優(yōu)化網(wǎng)格。如下圖1為劃分網(wǎng)格后鉆頭模型，圖2為劃分網(wǎng)格后鉆頭作用于巖石模型。
　?。?）定義接觸對(duì)
　　在contact manager下定義接觸對(duì)，分別選擇鉆頭體與巖石體，接觸類(lèi)為面面接觸，定義好剛度與侵入深度后，建立接觸對(duì)，選擇接觸對(duì)為standard，允許復(fù)合片與巖石間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。定義剛性結(jié)點(diǎn)，將與鉆桿尾部環(huán)形表面建立接觸對(duì)，保持定義的剛性結(jié)點(diǎn)與環(huán)形面各個(gè)方向的自由度相同。 　?。?）施加必須的邊界條件并求解
　　關(guān)于位移約束，將巖石除去與鉆頭接觸面以外的其它表面全部約束住。對(duì)于力的加載，給剛結(jié)點(diǎn)施加垂直于環(huán)形面的集中壓力及扭矩，集中力與扭矩將通過(guò)環(huán)形面?zhèn)鬟f到各切削齒，作用在巖石面上。加載后進(jìn)行求解。
　　（6）后處理
　　后處理包括在后處理程序中獲得PDC鉆頭Mises應(yīng)力云圖（圖3）及巖石Mises應(yīng)力云圖（圖4）。
　　為了分析鉆壓對(duì)鉆進(jìn)的影響，固定扭矩為500Nmm改變鉆壓進(jìn)行仿真分析，提取鉆頭及巖石受到的最大mises應(yīng)力，如下表2所示；為了分析扭矩對(duì)鉆進(jìn)的影響，固定鉆壓為10000N改變扭矩進(jìn)行仿真分析，提取鉆頭及巖石受到的最大mises應(yīng)力，如圖3所示。
　　由表2及圖5可知，在轉(zhuǎn)盤(pán)輸出扭矩不變的情況下，隨著鉆壓的提升，鉆頭及巖石受到的最大mises應(yīng)力都基本呈線性增加，這說(shuō)明在硬巖地層鉆頭及巖層受力對(duì)鉆壓比較敏感。
　　由表3及圖6可知，在鉆壓一定的情況下，隨著扭矩的增加，鉆頭及巖石受到的最大mises應(yīng)力變化很小，這說(shuō)明在硬巖地層鉆頭及巖層受力對(duì)扭矩不敏感。
　　在實(shí)際鉆井中，PDC鉆頭在鉆遇硬巖夾層時(shí)可以適當(dāng)?shù)奶岣咩@壓，提高鉆頭的機(jī)械鉆速，但長(zhǎng)期的高鉆壓也使鉆頭受到的最大集中應(yīng)力變大，減少PDC鉆頭的壽命。
　　3 結(jié)論
　　（1）對(duì)PDC鉆頭工作參數(shù)的研究目的應(yīng)同時(shí)考慮鉆頭的機(jī)械鉆速與鉆頭的壽命。
　　（2）對(duì)PDC取心鉆頭作用于巖層的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。
　?。?）在硬巖地層鉆進(jìn)時(shí)，PDC鉆頭及巖層受力對(duì)鉆壓比較敏感，但對(duì)扭矩不敏感。
　?。?）在硬巖地層鉆進(jìn)時(shí)，提高鉆壓能提高PDC鉆頭的攻擊力，加快機(jī)械鉆速，但鉆頭受到的最大局部應(yīng)力也提高很快，即加快機(jī)械鉆速是以減少PDC鉆頭的壽命為代價(jià)的。