PDC鉆頭工作參數(shù)研究

　　巖層由軟變硬時，PDC鉆頭對工作參數(shù)的要求也不同，使用合適的鉆進工藝參數(shù)，可以延長鉆頭壽命，提高機械鉆速。首先對PDC鉆頭工作參數(shù)研究現(xiàn)狀進行了綜述，然后采用計算力學有限元軟件ANSYS對PDC鉆頭作用于巖層進行了瞬態(tài)仿真分析，通過改變邊界條件來分析鉆壓與扭矩對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，而扭矩的增加對鉆頭受力及巖層受力的影響較小，這對PDC鉆頭鉆遇硬夾層時加大鉆壓可以提高鉆速的現(xiàn)象進行了較好的解釋。

    引言
　　在軟～中硬巖層中鉆進時，由于鉆進效率高，鉆頭壽命長，PDC取心鉆頭在我國得到了廣泛的應用，被用于地質勘探，油田鉆井，煤田勘探，水文鉆井等諸多領域。
　　巖層由軟變硬時，PDC鉆頭對工作參數(shù)的要求也不同，使用合適的鉆進工藝參數(shù)，可以延長鉆頭壽命，提高機械鉆速。有較多的學者從多角度對PDC鉆頭工作參數(shù)進行了研究，得出了很好的成就。本文在總結前人成果的基礎上，采用計算力學有限元軟件ANSYS對PDC取心鉆頭作用于巖層進行瞬態(tài)仿真分析，以期待加深對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)對鉆速、鉆頭壽命影響，并對鉆頭結構進行優(yōu)化。
　　1.1 對PDC鉆頭工作參數(shù)的理論分析
　　一般是結合現(xiàn)場或試驗室PDC鉆頭使用情況，通過理論分析研究工作參數(shù)與PDC鉆頭鉆速的關系，或同時考慮工作參數(shù)與PDC鉆頭鉆速及鉆頭壽命之間的關系。
　　顧金輝，郝鐵軍從現(xiàn)場實際出發(fā)，經(jīng)過現(xiàn)場使用試驗.初步探討了大港油田的使用參數(shù)，其中包括轉速、鉆壓及排量的正確使用范圍，并通過現(xiàn)場試用結果證實，只要選擇的鉆井參數(shù)得當，PDC鉆頭的鉆速優(yōu)勢會進一步得到發(fā)揮。
　　夏柏如通過對兩種其有代表性的中硬巖石（細砂巖和石灰?guī)r）進行鉆進試驗，探討了復合片鉆頭鉆進工藝規(guī)程與各項參數(shù)的相互關系和變化規(guī)律，研究結果表明，在試驗參數(shù)范圍內，鉆速隨鉆壓和轉速的增大而增大。
　　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)之間的關系為基礎建立了鉆速方程。
　　1.2 對PDC鉆頭工作參數(shù)的仿真分析
　　第二次世界大戰(zhàn)后不久，第一臺電子計算機在美國出現(xiàn)，并在以后的20年里得到了迅速的發(fā)展。美國克拉夫首先提出了有限元法，這種方法是把計算區(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?shù)牟逯岛瘮?shù)來代替未知函數(shù)。根據(jù)變分原理，可將偏微分方程化成代數(shù)方程來求解。有限元法引入石油鉆頭領域后，鉆頭受力分析水平相應地躍上新臺階，各種專用設計軟件和分析軟件相繼被開發(fā)出，得到了廣泛的應用。
　　通過對總結前人工作，肖仕紅突破了傳統(tǒng)的理論分析方法中對鉆頭運動條件的限制和對鉆頭切削結構方案的限制，利用計算機仿真技術來模擬鉆頭在偏心運動條件下實際鉆進過程，分析切削齒的金剛石工作表面以及齒的側面與巖石的相互作用。
　　總的說來，現(xiàn)有的分析都是根據(jù)PDC鉆頭現(xiàn)場鉆進資料，對其工作參數(shù)進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值。
　　2 基于計算力學軟件PDC鉆頭工作參數(shù)研究
　　2.1 基本假設
　　為了簡化計算，參照有關文獻，作如下設定：
　?。?）不考慮鉆井液作用、孔壁及巖心對鉆頭的摩擦阻力、振動使鉆頭所受的力；
　?。?）將剛體與PDC復合片作為一個整體進行分析，該整體材料性質相同；
　?。?）僅取出一段鉆桿進行與鉆頭相連進行受力分析。
　　2.2 基于Ansys軟件仿真分析
　　建模過程主要包括單元類型選擇、材料定義、導入模型與網(wǎng)格劃分、建立接觸對、加載邊界條件并求解、后處理。
　?。?）選擇單元類型
　　選擇單元類型為SOLID187，SOLID187是一個八節(jié)點的四面體單元，每個節(jié)點有3個平移自由度UX，UY，UZ，接觸面選用Targe170與Conta174，Targe170模擬PDC鉆頭目標面，Conta174模擬巖石接觸面。分布式負荷可作用于這個單元的各個側面，用這個單元求解的輸出結果包括節(jié)點位移，X，Y，Z向的正應力，剪應力及主應力。
　?。?）定義材料屬性
　　鉆頭體的材料屬性用PDC復合片材料代替，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。巖石選擇細砂巖作為模擬對象，細砂巖成分較均質，試驗過程假設巖石呈脆性破壞，破壞前為彈性變形，根據(jù)教程選擇巖石力學參數(shù)?？傮w材料屬性如表1所示。
　?。?）導入模型并劃分網(wǎng)格
　　采用PROE軟件建立三維模型，然后導入ANSYS軟件。根據(jù)有關文獻建立適合于硬巖的PDC取心鉆頭模型，鉆頭有六個切削齒，選用的PDC直徑為8mm，模型中復合片后傾角為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)格劃分時先整體劃分為四面體網(wǎng)格，再局部細化，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
　　在contact manager下定義接觸對，分別選擇鉆頭體與巖石體，接觸類為面面接觸，定義好剛度與侵入深度后，建立接觸對，選擇接觸對為standard，允許復合片與巖石間發(fā)生相對滑動。定義剛性結點，將與鉆桿尾部環(huán)形表面建立接觸對，保持定義的剛性結點與環(huán)形面各個方向的自由度相同。 　?。?）施加必須的邊界條件并求解
　　關于位移約束，將巖石除去與鉆頭接觸面以外的其它表面全部約束住。對于力的加載，給剛結點施加垂直于環(huán)形面的集中壓力及扭矩，集中力與扭矩將通過環(huán)形面?zhèn)鬟f到各切削齒，作用在巖石面上。加載后進行求解。
　　（6）后處理
　　后處理包括在后處理程序中獲得PDC鉆頭Mises應力云圖（圖3）及巖石Mises應力云圖（圖4）。
　　為了分析鉆壓對鉆進的影響，固定扭矩為500Nmm改變鉆壓進行仿真分析，提取鉆頭及巖石受到的最大mises應力，如下表2所示；為了分析扭矩對鉆進的影響，固定鉆壓為10000N改變扭矩進行仿真分析，提取鉆頭及巖石受到的最大mises應力，如圖3所示。
　　由表2及圖5可知，在轉盤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應力都基本呈線性增加，這說明在硬巖地層鉆頭及巖層受力對鉆壓比較敏感。
　　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應力變化很小，這說明在硬巖地層鉆頭及巖層受力對扭矩不敏感。
　　在實際鉆井中，PDC鉆頭在鉆遇硬巖夾層時可以適當?shù)奶岣咩@壓，提高鉆頭的機械鉆速，但長期的高鉆壓也使鉆頭受到的最大集中應力變大，減少PDC鉆頭的壽命。
　　3 結論
　　（1）對PDC鉆頭工作參數(shù)的研究目的應同時考慮鉆頭的機械鉆速與鉆頭的壽命。
　?。?）對PDC取心鉆頭作用于巖層的瞬態(tài)過程進行了仿真分析。
　　（3）在硬巖地層鉆進時，PDC鉆頭及巖層受力對鉆壓比較敏感，但對扭矩不敏感。
　　（4）在硬巖地層鉆進時，提高鉆壓能提高PDC鉆頭的攻擊力，加快機械鉆速，但鉆頭受到的最大局部應力也提高很快，即加快機械鉆速是以減少PDC鉆頭的壽命為代價的。