pdc钻头钻进仿真系统数字化方法研究

《pdc钻头钻进仿真系统数字化方法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第32卷第5期西南石油大学学报(自然科学版)Vol．32No．52010年10月JournalofSouthwestPetroleumUniversity(Science＆TechnologyEdition)Oct．2010文章编号:1674－5086(2010)05－0150－05*PDC钻头钻进仿真系统数字化方法研究11121任海涛，杨迎新，陈炼，闫静，周春晓(1．西南石油大学机电工程学院，四川成都610500;2．宝石机械成都装备制造分公司，四川成都610051)摘要:PDC钻头和岩石的数字化技术是PDC钻头钻进仿真系统的关键技术之一。介绍了PD

2、C齿、井底和井壁的数字化方法，分析、对比了PDC齿不同数字化方法的优缺点，研究了PDC齿、井底和井壁表面上各离散点坐标的计算模型，并在Matlab环境下实现了钻进仿真系统几何模型的可视化。为利用数字仿真技术研究复杂钻进条件下PDC钻头与岩石的相互作用关系奠定了基础。关键词:PDC钻头;数字化;仿真;复杂钻井;PDC齿;岩石中图分类号:TE931;TE319文献标识码:ADOI:10．3863/j．issn．1674－5086．2010．05．029PDC钻头钻进仿真技术是研究钻头与岩石互作［1］1PDC钻头的数字化方法用规律，分析和预测钻头工作性能的重

3、要手段。在该仿真系统中，系统对象包括虚拟PDC钻头和虚1．1PDC齿工作平面数字化方法拟岩石。虚拟PDC钻头主要由一系列数字化的在对PDC齿工作面进行数字化建模时，主要的［4］PDC齿构成，而虚拟岩石则由数字化的井底和井壁方法有直角坐标等间距数字化方法，极坐标等角［5］构成。无论是虚拟PDC齿、虚拟井底还是虚拟井度数字化方法和等弧长数字化方法。壁，采用科学合理的数字化方法将极大提高仿真系采用直角坐标等间距数字化方法划分出的网格［2－3］统分析过程的真实性和仿真系统的运算效率。单元面积相等，在计算PDC齿与岩石互作用的接触本文分别提出了PDC钻头钻进仿真

4、系统中的面积时运算效率很高(图1a)。但是，PDC齿的切削虚拟PDC齿、虚拟井底和虚拟井壁的数字化方法，刃轮廓线是其最重要的结构特征，采用这种方法建介绍了选择数字化方法的基本依据，研究了各对象立的齿刃特征轮廓线模型与实际的齿刃轮廓线偏差数字化节点坐标值的计算模型，从而为PDC钻头破很大，必将对虚拟PDC齿破岩过程分析的准确性产岩仿真技术的研究和软件开发奠定了基础。生显著影响。图1直角坐标等间距数字化方法和极坐标等角度数字化方法Fig．1Digitalizedmethodincartesiancoordinatesandinpolarcoordinate

5、s*收稿日期:2009－11－20基金项目:国家自然科学基金项目(50774066)。作者简介:任海涛(1982－)，男(汉族)，黑龙江五大连池人，硕士，主要从事岩石破碎学与钻头技术研究。第5期任海涛，等:PDC钻头钻进仿真系统数字化方法研究151采用极坐标等角度数字化方法划分出的切削刃邻4个有效节点围成的矩形区域即为一个PDC齿特征明显，在判断接触关系时能够真实地反映PDC工作面的面积微元。其数学模型为齿与岩石的相互作用，图1b所示。但是这种数字化xp=rcos(iθstep)方法有它自身的缺点，从整体来看PDC齿工作面的{yp=0i，j=0，1，2

6、，…，180/θstep(1)面积微元呈中间密集，边缘稀疏的趋势。在一般情zp=rsin(jθstep)况下，PDC齿与岩石的接触区域都是齿的下部区域，齿心部很少与岩石发生接触，在需要判断、计算式中齿面与岩石的下边缘接触区域时，由于面积微元较xp，yp，zp—齿面数字化节点坐标值;大会导致计算结果的误差增加，而一般接触不到的r—PDC齿半径，mm;心部区域面积微元又划分得很小，这一点显然也是θstep—数字化角度步长，(°)。不合理的。图2为PDC齿工作面数字化方法的示意图和模等弧长数字化方法是把齿刃轮廓线按一定角度型图，可以看出等弧长数字化方法所划分

7、出的网格步长进行等弧长划分，然后过轮廓线上的各等分点能够很好地体现出虚拟PDC齿的切削刃特征，并且作纵、横坐标轴的平行线，从而生成数字化单元网网格单元呈边缘密集、中间稀疏的特性有利于提高格。每两条网格线的交点即为一个数字化节点，相仿真系统的运算效率。图2直角坐标系等弧长数字化方法和模型图Fig．2Digitalizedmethodincartesiancoordinatesandit'smodel1．2PDC齿侧面数字化方法数字化方法应与前述的PDC齿工作平面数字化方在钻头的工作过程中，PDC齿的侧面也会与岩法相对应，即齿刃轮廓线也采用直角坐标等弧长的

8、［6］石发生接触，虚拟PDC齿不仅包括齿的工作平数字化方法。齿刃轮廓线的数字化方法确定以后，再