文档介绍：第卷第期西南石油大学学报自然科学版. .
年月.
文章编号:———
冲旋钻头破岩机理仿真研究
黄志强,范永涛,魏振强,谭力。,卜燕
.西南石油大学机电工程学院,四川成都;.中国石油安全环保技术研究院,北京
.中国石油川庆钻探国际工程公司,成都
摘要:介绍了冲旋钻井中冲旋钻头与岩石互作用有限元模型的建立过程,并对冲旋钻头在冲击旋转和单纯中击载
荷作用下的破岩过程进行了计算机仿真研究,描述了冲旋钻头破岩过程,求出了相应的钻头破碎岩石的深度、体积时
程关系对比曲线,揭示了冲旋钻头的破岩机理——钻头在冲旋作用下破碎岩石的过程可分为个阶段、钻头破碎岩
石深度主要取决于冲击作用而与旋转作用关系不大、破岩体积在冲旋作用下比单纯冲击载荷作用下要大一倍左右,
为冲旋钻头在石油工业中的进一步推广应用提供了理论依据。
关键词:计算机仿真;冲旋钻井;冲旋钻头;破岩机理
中图分类号: 文献标识码: :./..—...
冲旋钻井技术是将传统的旋转钻进和冲击钻进
相结合的一种钻井技术,实质是将冲击钻进的单次破
岩作用和旋转钻进的连续破岩作用相结合,其在钻遇
坚硬地层时,以钻速快,钻井成本低、岩屑大、钻压低
和井斜程度轻等优点受到油气田的普遍欢迎¨ 。
不过目前冲旋钻井的钻具和钻井工艺仍存在不足,阻
碍了该技术的进一步推广应用,其中一个重要原因是
冲旋钻井破岩机理的基础理论研究滞后。
由于计算机仿真具有可以随时连续动态地、重
复地显示事物的发展,在某种程度上计算机仿真研
一中心齿;一第二排齿;一边齿。
究比理论研究对问题的认识更为深刻、准确和全面。图冲旋钻头三维模型端面图
本文采用有限元分析软件/—进行冲.
旋钻头破岩机理的仿真研究,对提高冲旋钻井钻具—
的研制水平和钻井工艺的优化改进具有重要的参考. 定义单元类型、材料属性和划分网格
价值和指导意义。钻头和岩石均采用节点单元,
用缺省的常应力单元公式。考虑到单点积分引起的
建立有限元模型
沙漏问题零能模式,因此通过采用增加模型的弹
. 建立实体模型性刚度来进行控制,以使沙漏能量不会超过模型总
以/软件建立冲旋钻头的三维实体内能的% 。
模型,如图所示。为了表示方便,为钻头牙齿进行本文不考虑钻头本体与钻头牙齿的互作用,所
了编号。把钻头模型导人/—后,用以将钻头本体与钻头牙齿作为一个整体,其材料为
作为前处理软件建立有限元模型。岩石模硬质合金。这种材料相对岩石较硬,认为是一
型为长方体,在中直接建立。种线弹性/理想弹塑性材料,以关键字一
收稿日期:——
基金项目:中国石油天然气集团公司资助课题“物探钻具失效分析及试验研究”部。
作者简介:黄志强一,男汉族,四川青神人,教授,博士,主要从事机械设计和表面工程技术的科研和教学工作。
第期黄志强,等: 冲旋钻头破岩机理仿真研究
定义。岩石材料为花岗岩,认为是一种塑性应其变形又会恢复。
变失效模型,以关键字~—随着破岩过程的进行,中心齿继续向下压缩岩
—定义”。石,当钻头施加在岩石上的作用力超过岩石的破碎
钻头模型以手动分段,自由网格划分的方式采强度时,岩石即发生破碎,形成个小的破碎坑。
用四面体网格划分,钻头划分为个单元;岩