单牙轮钻头钻进过程的计算机仿真.pdf

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1、石油机械2014年第42卷第8期CHINAPE豫0IUMMACHINERY钻井技术与装备单牙轮钻头钻进过程的计算机仿真邓嵘唐东安美杨松(西南石油大学机电X-．程学院)摘要：通过建立数学模型的方法对单牙轮钻头与岩石的互作用运动进行仿真，仿真结果不能完全准确地反映单牙轮钻头钻进的实际情况和破岩细节。鉴于此，笔者采用线性Drucker—Prager模型模拟岩石材料，并考虑岩石损伤以及钻头与岩石之间的随机接触，通过ABAQUS有限元分析软件建立了单牙轮钻头钻进过程的非线性动力学模型，对单牙轮钻头在破岩过程中的运动规律及力学性能进行了探讨，分析了不同岩石材料和不同钻压

2、情况对单牙轮钻头钻进性能的影响，得到了钻头传动比及牙轮转速。仿真结果可为单牙轮钻头的设计提供依据。关键词：单牙轮钻头；岩石；钻进；有限元；运动；仿真中图分类号：TE921文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1001—4578．2014．08．011SimulationofSingle—coneBitDrillingProcessDengRongTangDongAnMeiYangSong(SchoolofMechanicalEngineering，SouthwestPetroleumUniversity)Abstract：Astheresult

3、scouldnotcompletelyandaccuratelyreflecttheactualsituationofsingle．conebitdrillingprocessandtherockbreakingdetailsbysimulatingthesingle--conebitandrockinteractionsthroughmathe—-maticalmodel，finiteelementanalysissoftwareABAQUSisadopted．ThelinearDrucker—Pragermodelisusedtosimulatether

4、ockmateria1．Therockdamageandrandomcontactsbetweenbitandrockarealsoconsidered．Anon—lineardynamicmodelofasingleconebitdrillingprocessisestablishedwithABAQUS．Thelawofmotionandme-chaniealpropertiesofsingle—conebitinrockbreakingprocessarediscussed．Theeffectsofdifferentrockmaterialsanddi

5、fferentWOBsonthedrillingperformanceareanalyzedandthebittransmissionratioandrotaryspeedareob—tained．Thesimulationresultscouldprovidebasisforsingle—conebitdesigns．Keywords：single-conebit；rock；drilling；finiteelement；movement；simulation者将借助有限元分析软件ABAQUS建立异形单牙0引言轮钻头与岩石互作用模型，通过计算机模拟单牙轮钻头

6、的破岩过程，研究钻头运动规律和动力特性，单牙轮钻头是一种新型牙轮钻头，具有轴承寿以便在钻头设计阶段评价钻头性能，提高钻头设计命长、受冲击载荷小等特点，常用于小井眼和深井的准确性和使用的针对性。作业¨。以往牙轮钻头的设计都是通过不断试验、试制，不断修改才能够最终定型，设计周期长，且1单牙轮钻头一岩石互作用模型成本高。随着计算机技术以及有限元方法的不断发展和完善，数值仿真技术已经成为一种新的设计手1．1基本假设段和思路，人们可以借助它模拟产品的实际工况，在钻进过程中，单牙轮钻头的运动可分解为绕减少试验次数，降低研制成本，缩短研制周期。笔钻头体的公转和绕自身轴线的

7、自转。牙轮上不同部基金项目：四川省科技支撑计划项目“材料的高效切削及输送技术研究”(2013GZX0159)。—●●●墨■■单2014年第42卷第8期邓嵘等：单牙轮钻头钻进过程的计算机仿真曼至躲㈣亿啦∞舱∞等∞叭等叭叭叭叭叭∞mH2．2结果分析岩石的影响，单牙轮钻头钻进速度存在很大的波利用ABAQUS／Explicit分别对不同岩石和钻压动。图5中平均机械钻速为1O．93mm／s，波动范情况下的有限元模型进行2S的显示动力学仿真，围一10—40mm／s；图6中平均机械钻速为6．92得到岩石破碎后井底图，如图4所示。mm／s，波动范围一1O～25mm／s。图5

8、和图6说明在钻压相同的情况下，岩石越硬，钻头机械钻速