關(guān)于PDC鉆頭工作參數(shù)研究

　　在軟～中硬巖層中鉆進(jìn)時，由于鉆進(jìn)效率高，鉆頭壽命長，PDC取心鉆頭在我國得到了廣泛的應(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，PDC鉆頭對工作參數(shù)的要求也不同，使用合適的鉆進(jìn)工藝參數(shù)，可以延長鉆頭壽命，提高機械鉆速。有較多的學(xué)者從多角度對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，采用計算力學(xué)有限元軟件ANSYS對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(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。
　　1.1 對PDC鉆頭工作參數(shù)的理論分析
　　一般是結(jié)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(guān)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(guān)系。
　　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(zhuǎn)速、鉆壓及排量的正確使用范圍，并通過現(xiàn)場試用結(jié)果證實，只要選擇的鉆井參數(shù)得當(dāng)，PDC鉆頭的鉆速優(yōu)勢會進(jìn)一步得到發(fā)揮。
　　通過對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，探討了復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)工藝規(guī)程與各項參數(shù)的相互關(guān)系和變化規(guī)律，研究結(jié)果表明，在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，鉆速隨鉆壓和轉(zhuǎn)速的增大而增大。
　　1.2 對PDC鉆頭工作參數(shù)的仿真分析
　　通過對總結(jié)前人工作，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(jié)構(gòu)方案的限制，利用計算機仿真技術(shù)來模擬鉆頭在偏心運動條件下實際鉆進(jìn)過程，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。
　　總的說來，現(xiàn)有的分析都是根據(jù)PDC鉆頭現(xiàn)場鉆進(jìn)資料，對其工作參數(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值。
　　2 基于計算力學(xué)軟件PDC鉆頭工作參數(shù)研究
　　2.1 基本假設(shè)
　　為了簡化計算，參照有關(guān)文獻(xiàn)，作如下設(shè)定：
　　（1）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(fù)合片作為一個整體進(jìn)行分析，該整體材料性質(zhì)相同；
　　（3）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
　　建模過程主要包括單元類型選擇、材料定義、導(dǎo)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。
　　（1）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(biāo)面，Conta174模擬巖石接觸面。分布式負(fù)荷可作用于這個單元的各個側(cè)面，用這個單元求解的輸出結(jié)果包括節(jié)點位移，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)砂巖作為模擬對象，細(xì)砂巖成分較均質(zhì)，試驗過程假設(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)?？傮w材料屬性如表1所示。
　　（3）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
　　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(fù)合片與巖石間發(fā)生相對滑動。定義剛性結(jié)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(jié)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(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。對于力的加載，給剛結(jié)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(jìn)行求解。
　?。?）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(yīng)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(dāng)?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(yīng)力變大，減少PDC鉆頭的壽命。
　　3 結(jié)論
　?。?）對PDC鉆頭工作參數(shù)的研究目的應(yīng)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(jìn)行了仿真分析。
　?。?）在硬巖地層鉆進(jìn)時，PDC鉆頭及巖層受力對鉆壓比較敏感，但對扭矩不敏感。
　?。?）在硬巖地層鉆進(jìn)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(yīng)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。