潜孔钻头破岩机理仿真研究

文章编号:1000-2634(2007)-11-0113-03

潜孔钻头破岩机理仿真研究*

宋嘉宁1,李琴1,谭力1,刘成2,魏振强1

(1.西南石油大学机电工程学院,四川成都610500; 2.新疆石油管理局供热公司)

摘要:利用ANSYS/LS DYNA显式动力学分析软件建立潜孔钻头与岩石的互作用动力学模型,对潜孔钻头的破岩过程进行仿真分析,通过对破岩总体过程、钻头的应力、破碎坑的形状和分布及钻头的位移等四个方面的分析,完整地描述潜孔钻头的破岩机理,认为钻头破碎岩石的过程分为三个阶段:中间齿破碎岩石,形成破碎坑阶段;边齿破碎岩石,形成破碎坑阶段;钻头的反弹阶段。在钻头侵入岩石的过程当中,钻头既有轴向的位移,也有横向的位移。破岩过程中,牙齿3峰值最大,最容易发生破坏。

关键词:冲旋钻井;潜孔钻头;ANSYS/LS DYNA;仿真;破岩机理

中图分类号:TE921 文献标识码:A

引 言

随着石油资源的不断开发,石油钻探的难度不断增大,尤其是在钻进硬地层时进度缓慢,成为制约石油钻探的一个重要因素。冲旋钻井技术具有的钻进速度快,成孔质量好的特点,是解决硬地层钻进的有效途径[1-3],受到各国钻井专家的关注。通过对冲击载荷作用下潜孔钻头与岩石的互作用进行探讨,研究潜孔钻头的破岩机理,为潜孔钻头的设计和改进提供理论依据,最终达到提高潜孔钻头破岩效率和钻进速度的目的。为了准确地模拟钻头与岩石的互作用的情况,选用著名的动力学仿真软件ANSYS/LS DYNA对破岩过程进行分析。

1 仿真模型的建立

1.1 三维实体模型的建立

利用Pro/E建立潜孔钻头的三维模型,为研究方便,将钻头各牙齿进行图1所示的编号,其中6颗边齿为球形齿,3颗中间齿为锥形齿。岩石的模型相对简单,可直接用ANSYS建立。

1.2 定义材料

分析中,将岩石的材料设置为MAT I STROPI C ELASTI C F A I LURE,一种塑性应变失效模型,将钻头的材料设置为MAT ELASTI C,一种线弹性模型[4-6]

。

图1 钻头牙齿编号图

基准单位采用时间(m s)、长度(mm)、质量(g),相应的导出单位为压力(MPa)、速度(mm/m s)、角速度(rad/m s)、力(N)。具体参数设置如表1和表2所示:

表1 钻头参数设置

弹性模量/M Pa泊松比密度/(kg/m3)参数数值2100000.287700

表2 岩石参数设置

剪切模量

/M Pa

密度/

(kg/m3)

塑性硬化

模量/M Pa

体积模量

/M Pa

破裂压力

/M Pa

参数数值24002000331200080

1.3 定义单元属性

岩石和钻头均采用8节点的SOLI D164实体单

第29卷 西南石油大学学报 V o.l29

2007年 11月 Journa l o f South w est Pe tro leum U n i versity N ov 2007

*收稿日期:2007-09-30

作者简介:宋嘉宁(1984-),男(汉族),山西临汾人,过程装备与控制工程2003级本科生。

元,用缺省的常应力公式,尽管单点高斯积分可以较好的应用于大变形、材料失效和接触非线性问题,但存在单点积分所引起的沙漏问题,因此可设置总体沙漏能不超过总能量的10%[6]。

1.4 划分网格

在仿真分析中网格划分质量的高低直接影响到仿真结果的准确性和可靠性。岩石三维模型较简单,因此采用映射网格划分,划分为6面体网格单元,钻头与岩石接触区域网格划分较密,其他区域网格划分较稀疏。而钻头由于结构复杂,尤其是头部结构如牙齿、排屑槽、喷嘴等,采用映射网格划分很难成功,因此采用手动网格划分。

1.5 定义接触类型和边界条件

将钻头与岩石的接触类型定义为面对面(sur face to surface)的侵蚀(E rod i n g)接触,并选择自动接触,来模拟钻头侵彻岩石的过程,同时定义了钻头与岩石之间动摩擦系数、静摩擦系数和接触刚度。

除与钻头相接触的表面外,岩石的其余5个面的位移自由度全部设置为0,此外是采用一个有限域来表示大块岩体,为避免边界处波的反射对求解域的影响,因此对有限域的表面施加无反射边界条件来模拟无限大空间[7,8]。

在计算冲击载荷过程中,采用的冲击器的主要参数和钻井参数如下:冲击频率(20次/s)、冲击功(70 J)、钻压(750N/c m)、钻头的直径(74c m)、钻头质量(2.86kg)、转速(45r/m in)。冲击力曲线为三角波形曲线,峰值为1.0555 105N,作用时间为400 s。

2 仿真结果

2.1 破岩过程分析

钻头破碎岩石的过程分为三个阶段:

(1)中间齿破碎岩石,形成破碎坑阶段

岩石在钻压和冲击载荷的作用下,产生压缩弹性变形,最早与岩石接触的是中心齿。接触的岩石被压实,形成密实核。岩石处于压缩弹性变形阶段,如果卸掉外载荷,这部分变形又会恢复。随着破岩过程的进行,钻头中心齿继续向下侵入,岩石继续受压变形,当钻头施加在岩石的作用力大于岩石的破碎强度时,岩石发生破碎,形成三个小的破碎坑,如图2所示。

(2)边齿破碎岩石,形成破碎坑阶段

随着破岩过程的进行,接着参与破岩的是边齿。边齿与岩石相接触,首先也是对岩石产生压缩弹性变形,然后破碎岩石,形成小的破碎坑,如图3所示。此后,钻头继续向下运动,所有牙齿继续侵入并破碎岩石。

图2 中间齿破碎岩石

图3 边齿破碎岩石

(3)钻头反弹阶段

当钻头所受到的岩石反作用力超过钻压后,使钻头的加速度反向,在时间达到38m s时,钻头速度为最大,此后由于加速度反向,钻头的速度逐渐减为0,当时间达到49m s时,钻头开始反向运动,最终出现反弹现象。

此外在钻头破碎岩石的整个过程当中,均含有钻头的旋转剪切破碎岩石的脊部,与单纯的冲击破碎相比提高了破岩效率。

2.2 钻头的位移分析

在钻头破碎岩石的过程中,钻头既有纵向的位移,同时也有横向位移,即产生横向振动。产生横向位移的原因是岩石破碎坑的不平整。从图4看出随着钻头破碎岩石的时间的增加,钻头横向位移也在增大,y方向的最大值达到0.0075mm,z方向的最大值达到0.0070mm,钻头的过大横向位移会使钻头出现偏斜,在整体上造成钻头碰撞井壁、钻柱振动、井眼轨迹难于控制等问题。

114西南石油大学学报 2007年