PDC钻头工作参数研究

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1、第l8卷煤矿开采V182013年11月CoalminingTechnologyNOV．2013PDC钻头工作参数研究’、(1．中国地质大学(武汉)：T程学1程投术研究院，河南濮阳457001)[摘要]岩层由软变硬时，PDC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PDC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ANSYS对PDC钻头作用于岩层进行了瞬态仿真分析，通过改变边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

2、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PDC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；ANSYS软件；工作参数；钻头受力；岩层受力0引言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，钻速随钻压和转速在软～中硬岩层中钻进时，由于钻进效率高，钻的增大而增大。头寿命长，PDC取心钻头在我国得到了广泛的应用，孙永华、申衡及吴桐等人着重分析了庆深气田被用于地质勘探，油田钻井，煤田勘探，水文钻井等的地质概况，以部分已

3、知钻井的钻头参数和其它钻诸多领域。井参数之间的关系为基础建立了钻速方程。岩层由软变硬时，PDC钻头对工作参数的要求1．2对PDC钻头工作参数的仿真分析也不同，使用合适的钻进工艺参数，可以延长钻头寿第二次世界大战后不久，第一台电子计算机在命，提高机械钻速。有较多的学者从多角度对PDC钻美国出现，并在以后的20年里得到了迅速的发展。头工作参数进行了研究，得出了很好的成就。本文在美国克拉夫首先提出了有限元法，这种方法是把计总结前人成果的基础上，采用计算力学有限元软件算区域剖分成大小不等的三角形(或其他形状的)单A

4、NSYS对PDC取心钻头作用于岩层进行瞬态仿真分元，然后在各单元上用适当的插值函数来代替未知析，以期待加深对PDC钻头工作参数选择的研究。函数。根据变分原理，可将偏微分方程化成代数方1PDC钻头工作参数的研究现状程来求解。有限元法引入石油钻头领域后，钻头受对PDC钻头工作参数的研究包括理论分析与仿力分析水平相应地跃上新台阶，各种专用设计软件真分析两方面，分析的目的主要是为了得出1一作参和分析软件相继被开发出，得到了广泛的应用。数对钻速、钻头寿命影响，并对钻头结构进行优化。通过对总结前人工作，肖仕红突破了传统

5、的理1．1对PDC钻头工作参数的理论分析论分析方法中对钻头运动条件的限制和对钻头切削一般是结合现场或试验室PDC钻头使用情况，结构方案的限制，利用计算机仿真技术来模拟钻头通过理论分析研究工作参数与PDC钻头钻速的关在偏心运动条件下实际钻进过程，分析切削齿的金系，或同时考虑工作参数与PDC钻头钻速及钻头寿刚石工作表面以及齿的侧面与岩石的相互作用。命之间的关系。总的说来，现有的分析都是根据PDC钻头现场顾金辉，郝铁军从现场实际出发，经过现场使用钻进资料，对其工作参数进行理论分析或防真分析，试验．初步探讨了大港油

6、田的使用参数，其中包括转为合适工作参数的提出提供了参考价值。速、钻压及排量的正确使用范围，并通过现场试用结2基于计算力学软件PDC钻头工作参数研究果证实，只要选择的钻井参数得当，PDC钻头的钻速2．1基本假设优势会进一步得到发挥。为了简化计算，参照有关文献，作如下设定：夏柏如通过对两种其有代表性的中硬岩石(细(1)不考虑钻井液作用、孔壁及岩心对钻头的摩砂岩和石灰岩)进行钻进试验，探讨了复合片钻头钻[作者简介]王亚军(1977一)，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。154

7、第18卷煤矿开采V0L182013年11月CoalminingTechnologyNOV．2013下，随着钻压的提升，钻头及岩石受到的最大raises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。18O’7O160150曼¨。§12O图4岩层Mises应力云图110为了分析钻压对钻进的影响，固定扭矩为1OO500Nmm改变钻压进行仿真分析，提取钻头及岩石1O0200300400500600torque(Nmm)受到的最大mises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

8、10000N改变扭矩进行仿图6扭矩对PDC钻头钻进影响图由表3及图6可知，在钻压一定的情况下，随着扭真分析，提取钻头及岩石受到的最大mises应力，如矩的增加，钻头及岩石受到的最大mises应力变化很图3所示。表2固定扭矩为500Nmm仿真分析结果小，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，PDC钻头在钻遇硬岩夹层时可钻头受力119．172139．335157．164176．02319s．