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1、石油机械2009年第37卷第9期CHINAPETROLEUMMACHINERY17专题研究*PDC钻头钻进过程的动态仿真121华剑程永瑞陈明(1长江大学机械工程学院2江汉机械研究所)摘要计算机软件模拟试验可对各种形式的PDC钻头在不同的岩层条件和钻井参数下进行试验。将井架、钻柱和钻头作为一个系统,建立了PDC钻头动力学模型,包括纵向振动、横向振动、扭转振动以及钻头与井壁碰撞模型。通过面向对象的编程方法,在VisualC60的环境下将模型实现为计算机软件。实例证明,仿真软件计算结果与PDC钻头实际工况吻合
2、。利用该软件可在不同岩石性质和钻井参数下,对PDC钻头进行仿真,研究各种设计方案在钻进过程中的工作性能,进行分析对比,优选出较好的设计方案。关键词PDC钻头钻进过程动力学模型面向对象仿真软件动和扭转振动模型。0引言11钻头纵向振动模型钻头在钻进过程中,钻头与钻柱会沿Z轴方PDC钻头在钻进过程中的受力情况及振动特向产生纵向振动。作用在钻头上的载荷除了给定的性是评价钻头设计是否合理的重要依据。近年来,静钻压和钻头自重外,还有钻柱产生的动载荷、钻国内对PDC钻头切削齿与岩石相互作用规律的研头本身的动载荷以及岩石反作用力,其受力如图1究主要是在
3、不同性质的岩样上进行单齿或多齿切削所示。[1-3]试验。总的来说,实验室条件下的切削试验具有较高的可靠性,但是需要大量的人力、物力和财力,试验周期长,不利于对设计方案进行反复修改。计算机软件模拟试验可对各种形式的PDC钻头在不同的岩层条件和钻井参数下进行试验。该方法突破了硬件试验的局限性,可显著提高PDC钻头的设计效率。图1钻头纵向受力图上述各力处于动平衡状态。因此可将PDC钻1PDC钻头动力学模型头纵向振动动力学模型表示为:WOBO+dWOB(t)+mBg+井下测量与数值分析清楚地表明,在常规转盘mBaB(t)=FZ(t)(1)钻进过程中,钻头是以
4、几种不同的方式振动的。井式中FZ(t)钻头反作用力,即瞬时钻压;下振动经常导致钻头性能不稳定、钻柱失效并产生WOBO静钻压;[4]方向控制方面的问题。为了能更好地认识、理dWOB(t)钻柱作用在钻头上的瞬时动解钻进过程中出现的一些复杂现象,必须对钻柱特载荷;性进行数值模拟。笔者将井架、钻柱和钻头作为一mB钻头的质量;个系统,分别建立PDC钻头的纵向振动、横向振aB(t)钻头的纵向振动加速度。*辽河油田项目根据电测资料识别岩性设计个性钻头(08H0513)。18石油机械2009年第37卷第9
5、期12钻头横向振动模型14钻头与井壁碰撞模型钻进过程中,PDC钻头所受到的横向力除了钻头与井壁的碰撞问题,可理解成是考虑摩擦与钻头的结构参数、岩石性质、钻井参数及水力性的2刚体相碰撞问题,运用刚体碰撞理论来求解。质有关外,还与钻柱的结构和钻头的力学性能有假定钻头与井壁接触点相对速度的切向分量为S,关。钻头上部一般都有2~3个扶正器,由于扶正法向分量为C,则有:器刚度较大,所以可以假设最下端的扶正器以上的S=S0+B1Px-B3Py(4)钻柱对钻头的横向位移没有影响,而只考虑离钻头C=C0-B3Px+B2Py[5]最近一个扶正器以下钻柱部分的影响。钻头
6、的式中S0、C0切向速度和法向速度的初始值;横向振动模型是以钻铤为弹簧、钻头为质点并考虑B1、B2、B3与系统几何与质量特性相关弹簧质量的悬臂梁振动系统,如图2所示。的常数;Px、Py接触点处的切向冲量和法向冲量。钻头与井壁发生碰撞时有5种接触模式,分别是:滑动、在压缩期间粘住、在回弹期间粘住、在压缩期间反向滑动、在回弹期间反向滑动。这5种模式下的冲量可分别表示为:141滑动图2钻头的横向振动模型Px=-SPy为此,笔者将钻头、钻柱简化为弹簧-阻尼-质C0(5)Py=-(1+e)量系统,则钻头横向振动动力学模型为:B2+
7、SB3mxyx+Cxyx+Kxyx=Fx(t)142在压缩期间粘住(2)mxyy+Cxyy+Kxyy=Fy(t)B3Py-S0Px=式中mxy钻头振动系统的横向质量;B1(6)Cxy钻头的横向阻尼系数;B1C0+B2S0Py=-(1+e)2Kxy钻头的横向刚度系数;B1B2-B3143在回弹期间粘住x、x、x和y、y、y钻头在X轴和Y轴方向的横向振动加速度、横向振动速度和横向B3Py-S0Px=位移;B1(7)Fx(t)、Fy(t)钻头与岩石瞬时互作C0Py=-(1+e)用横向力。B2+S
8、B313钻头扭转振动模型144在压缩期间
