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1、 第 l 8 卷 2 0 1 3 年 1 1 月 煤矿开采 C o a l mi n i n g T e c h n o l o g y V 1 8 NO V 2 0 1 3 ( 1 中国地质大学( 武汉) ： T 程学 P D C钻头工作参数研究 、 1 程投术研究院， 河南 濮阳4 5 7 0 0 1 ) 摘要 岩层由软变硬时， P D C钻头对工作参数的要求也不同， 使用合适的钻进工艺参数， 可以 延长钻头寿命， 提高机械钻速。首先对 P D C钻头工作参数研究现状进行了综述 ， 然后采用计算力学有限 元软件 A N S Y S对 P D C钻头作用于岩层进行了瞬态仿真分析， 通过改变边
2、界条件来分析钻压与扭矩对钻 头受力及岩层受力的影响， 发现随着钻压的增加， 钻头受力及岩层受力都增加的很快， 而扭矩的增加对钻 头受力及岩层受力的影响较小，这对 P D C钻头钻遇硬夹层时加大钻压可以提高钻速的现象进行了较好 的解释。 关键词 计算力学； A N S Y S软件；工作参数；钻头受力；岩层受力 0引言 在软 中硬岩层中钻进时，由于钻进效率高， 钻 头寿命长， P D C 取心钻头在我国得到了广泛的应用， 被用于地质勘探 ， 油田钻井， 煤田勘探， 水文钻井等 诸多领域。 岩层 由软变硬时 ， P D C 钻头对工作参数 的要求 也不同， 使用合适的钻进工艺参数 ， 可以延长钻头寿
3、 命， 提高机械钻速。 有较多的学者从多角度对P D C 钻 头工作参数进行了研究， 得出了很好的成就。 本文在 总结前人成果的基础上，采用计算力学有限元软件 A N S Y S 对P D C 取心钻头作用于岩层进行瞬态仿真分 析 ， 以期待加深对P D C 钻头工作参数选择的研究。 1 P D C钻头工作参数的研究现状 对P D C 钻头工作参数的研究包括理论分析与仿 真分析两方面 ，分析的 目的主要是为了得 出1 一 作参 数对钻速、 钻头寿命影响， 并对钻头结构进行优化。 1 1 对P DC 钻头工作参数 的理论分析 一般是结合现场或试验室P DC 钻头使用情况 ， 通过理 论分析研究工
4、作参数 与P D C 钻 头钻速 的关 系，或同时考虑工作参数与P D C 钻头钻速及钻头寿 命之间的关系。 顾金辉， 郝铁军从现场实际出发， 经过现场使用 试验初步探讨了大港油田的使用参数， 其中包括转 速、 钻压及排量的正确使用范围， 并通过现场试用结 果证实 ， 只要选择 的钻井参数得当 ， P D C 钻头的钻速 优势会进一步得到发挥。 夏柏如通过对两种其有代表性的中硬岩石 ( 细 砂岩和石灰岩) 进行钻进试验， 探讨了复合片钻头钻 进工艺规程与各项参数的相互关系和变化规律 ， 研 究结果表明， 在试验参数范围内， 钻速随钻压和转速 的增大而增大。 孙永华 、 申衡及吴桐等人着重分析
5、了庆深气 田 的地质概况， 以部分已知钻井的钻头参数和其它钻 井参数之间的关系为基础建立 了钻速方程 。 1 2 对P D C 钻头工作参数的仿真分析 第二次世界大战后不久 ， 第一 台电子计算机在 美 国出现 ，并在 以后 的2 0 年里得到了迅速的发展。 美国克拉夫首先提出了有限元法， 这种方法是把计 算区域剖分成大小不等的三角形( 或其他形状的) 单 元 ， 然后在各单元上用适当的插值 函数来代替未知 函数。根据变分原理， 可将偏微分方程化成代数方 程来求解。有限元法引入石油钻头领域后 ， 钻头受 力分析水平相应地跃上新 台阶 ， 各种专用设计软件 和分析软件相继被开发出， 得到了广泛
6、的应用。 通过对总结前人工作 ， 肖仕红突破了传统的理 论分析方法中对钻头运动条件 的限制和对钻头切削 结构方案的限制， 利用计算机仿真技术来模拟钻头 在偏心运动条件下实际钻进过程 ， 分析切削齿 的金 刚石工作表面以及齿的侧面与岩石的相互作用。 总的说来，现有的分析都是根据P D C 钻头现场 钻进资料， 对其工作参数进行理论分析或防真分析， 为合适工作参数的提出提供了参考价值。 2 基于计算力学软件P DC 钻头工作参数研究 2 1 基本假设 为了简化计算， 参照有关文献， 作如下设定： ( 1 ) 不考虑钻井液作用、 孔壁及岩心对钻头的摩 作者简介 王亚军( 1 9 7 7 一 ) ，
7、男 ， 湖北 黄冈人 ， T程师 ， 在读博士 ， 主要从事岩土工程与工程地 质方面 的T作。 1 54 第 1 8 卷 2 0 1 3 年 1 1 月 煤矿开采 Co a l mi ni n g T e c hn o l o g y V0 L 1 8 NO V 2 0 1 3 图4 岩层Mi s e s 应力云 图 为 了分 析钻 压 对 钻进 的影 响 ，固定 扭 矩 为 5 0 0 N m m 改变钻压进行仿真分析，提取钻头及岩石 受到的最大m i s e s 应力 ， 如下表2 所示 ； 为了分析扭矩 对钻进 的影响， 固定钻压为1 0 0 0 0 N 改变扭矩进行仿 真分析，提取钻头
8、及岩石受到的最大m i s e s 应力， 如 图3 所示 。 表2 固定扭矩为5 0 0 N m m仿真分析结果 ! ! ! 钻头受力1 1 91 7 2 1 3 9 3 3 5 1 5 7 1 6 41 7 6 0 2 3 1 9 s 2 3 5 2 1 3 6 9 6 ( Mp a ) 7 5 , 0 01 8 3 8 0 3 9 07 0 3 9 9 脚1 0 8 83 7 1 l 7 - 6 7 7 ( Mp a ) 表3 固定钻压为I O 0 0 0 N 仿真分析结果 扭矩 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 ( N mm) 钻头受力 1 7 6
9、0 4 6 1 7 6 3 4 9 1 7 6 2 4 3 1 7 6 1 3 2 1 7 6 0 2 3 1 7 5 9 1 5 ( Mp a ) 岩石受力 9 9 6 6 0 9 9 6 7 4 9 9 6 8 O 9 9 6 8 8 II K a - J 9 9 6 5 6 9 9 6 7 1M pa 1 56 根据表2 与表3 绘制图5 与图6 。 7 0 0 0 8 0 O 0 9 0 O 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 2 0 00 WOB( N) 图5 钻压对P D C 钻头钻进影响图 由表2 及图5 可知 ，在转盘输出扭矩不变 的情况 下 ， 随着钻压的提升 ，
10、 钻 头及岩石受到 的最大rai s e s 应力都基本呈线性增加，这说明在硬岩地层钻头及 岩层受力对钻压 比较敏感。 1 8 O 7 O 1 6 0 1 5 0 曼 。 1 2 O 1 1 0 1 O O 1 O 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 t o r q u e ( Nm m) 图6 扭矩对P D C 钻头钻进影响图 由表3 及图6 可知 ， 在钻压一定的情况下 ， 随着扭 矩的增加 ， 钻头及岩石受到的最大mi s e s 应力变化很 小 ，这说明在硬岩地层钻头及岩层受力对扭矩不敏 感 。 在实际钻井 中， P D C 钻头在钻遇硬岩夹层 时可 以适当
11、的提高钻压 ， 提高钻头的机械钻速 ， 但长期的 高钻压也使钻头受到的最大集中应力变大 ，减少 P D C 钻头的寿命 。 3 结 论 ( 1 )对P DC 钻头工作参数的研究 目的应同时考 虑钻头的机械钻速与钻头的寿命。 ( 2 )对P D C 取心钻头作用于岩层的瞬态过程进 行 了仿真分析。 ( 3 ) 在硬岩地层钻进时 ， P D C 钻头及岩层受力对 钻压 比较敏感 ， 但对扭矩不敏感。 ( 4 ) 在硬岩地层钻进时 ， 提高钻压能提高P D C 钻 头的攻击力 ， 加快机械钻速 ， 但钻头受到的最大局部 应力也提高很快，即加快机械钻速是以减少P D C 钻 头的寿命为代价的。 参考文
12、献 1 】 顾金辉， 郝铁军 P D C 钻头的钻井参数选择 J ， 石油钻采工艺 1 9 9 1 ( 3 ) ：4 5 - 4 7 2 】 夏宏南， 刘小利， 王小建等 针对江汉油田拖市地区的P D C 钻头设计 _ J 】 _断块油气田2 0 0 5 9 3 】 夏柏如 复合片钻头钻进规程参数的试验研究 f J 1 _ 现代地质 1 9 9 0 1 0 ： 1 2 0 1 2 6 【 4 】 孙永华， 申衡， 吴桐等庆深气田钻头类型与钻井参数优选研究 J 钻 采工艺2 0 0 7 1 ： 2 1 2 5 5 】 彭烨， 侯庆勇，李百胜， 刘以明 P D C 钻头的“ 低转速一高钻压” 钻井参 数模式 及应用 J 钻 采工艺 2 0 0 4 ( 2 ) ： 1 8 - 2 0 责任编辑： 忆夕 瑚 一 叮 一 呻
