基于ABAQUS的钻具煤岩非线性动力学仿真分析.pdf

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1、第36卷第3期大连大学学报V．01．36NO-32015年06月JOURNALOFDALIANUNIVERSITYJun．2015基于ABAQUS的钻具煤岩非线性动力学仿真分析施荩，王建维，刘祥磊(大连大学机械工程学院，辽宁大连116622)摘要：本文以煤层瓦斯抽放钻进系统作为研究对象，综合考虑钻头的受力情况，钻杆的结构特点、边界条件及钻压、钻速、自重、摩擦力、浮力等载荷作用的影响，应用有限元软件ABAQUS建立了包含钻杆、孔壁、钻头、煤岩的钻进系统有限元模型，对煤层瓦斯抽采作业中的煤岩内部在受到切

2、削破坏后的渐进变化及钻头、钻杆的运动、受力情况进行仿真分析。仿真结果阐明了煤岩的破坏规律和钻头受力情况及运动规律，对实际工况下的钻具一煤岩系统优化具有一定指导意义。关键词：仿真分析；钻具；煤岩；ABAQUS中图分类号：TD402文献标识码：A文章编号：1008-2395(2015)03·0032-04收稿日期：2015．03．27基金项目：大连市科技计划项目(2014E14SF149o作者简介：施荩(1989．)，男，硕士研究生，研究方向：钻具煤岩耦合非线性动力学。通讯作者：王建维(1973．)，男

3、，副教授，硕士研究生导师，研究方向：机械设计及理论的反作用力以及钻头本身的动载荷。在钻进过程中钻0引言头在这些力的作用下每一时刻都要保持平衡，因此可以建立如下钻头与煤岩的纵向力学方程填切削过为有效地预测和控制钻具(钻头和钻杆)在瓦斯程受力如图1所示。抽放作业中的动力学性能和运动规律，找到钻头和钻V杆在钻进过程中在井下的运动规律和力学性能，需要建立合理的钻进系统动力学模型【1]。在钻探过程中，钻具处在充满钻井液的狭长孔眼里工作，承受着拉、压、弯扭及液力等载荷，其振动是横向、纵向及扭转的耦合，其运动方程

4、是非线性的【2J，由于钻进系统结构庞大且复杂，通过常规物理实验难以研究，因此需要进行仿真分析。图1钻头切削过程示意图通过研究钻进系统的非线性动力学模型，并在对有限元模型进行合理假设的基础上，利用有限元仿真P()+(t)+(，)：0(1)软件ABAQUS对钻进系统整体进行建模。利用式中，P(t)为任一时刻作用在钻头上的钻压：MbABAQUS强大的非线性处理能力来准确地对钻进系为钻头的质量；a(t)为钻头在任一时刻的加速度；F(t)统进行仿真分析，从而有效地预测和控制钻具的动力为钻头在任一时刻所受到的煤

5、岩的纵向反作用力。学性能和运动规律，对实际钻进作业进行指导。任意时刻，钻头受到的横向力是钻头在该时刻所有与煤岩接触的刀面受到的横向力之和，可将其分解1钻进系统的非线性动力学模型在x，Y方向，计算公式如下：1．1钻头与煤岩间的相互作用力学模型在钻进过程中，钻头纵向受力主要是钻压和煤岩第3期施荩等：基于ABAQUS的钻具煤岩jE线性动力掌仿真分析33法原理对方程进行组集即可以求出整体坐标系下的fVx(t)=∑(t)cos(x+){1(f)二钻杆动力学模型。=(t)isin(x+T／CO)Li2有限元模型

6、的建立f∈【1，6】r，、式中，和Fy是钻头的横向受力。及2．1基本假设fyf是不同时刻不同刮刀齿上的受力。Ti(t)为t时由于实际情况比较复杂，影响因素比较多，很难刻第i刀刃的刮切方向。进行直接模拟，因此必须对本模型做一定的假设。具除以上作用力外，钻头还受到切削阻力产生的阻体假设如下：力矩的作用，该阻力矩应与钻作用在钻头上的扭矩平(1)钻进前，钻杆轴线与孔眼轴线重合，并且衡。因此钻头列力矩平衡方程：没有初始变形。MR◆t)=∑L(t)flx(t)+∑Lyj(t)(t)(2)在钻进过程中，钻杆材料是

7、线弹性的。ii(3)(3)钻杆与孔壁直接的接触是随机弹性碰撞。式中，Li(t)、Li(t)分别为t时刻钻头上第i刮刀(4)钻杆的几何尺寸、材料的属性设为常数，面与在钻头坐标系中与X轴和Y轴之问的距离；矗i(t)、不考虑钻杆稳定装置的连接处和局部孔、槽的刚度。(t)分别为钻头上第i刮刀面与煤岩之司作用的横向(5)钻头的硬度和强度远大于煤岩即钻头是刚力在X和Y方向的分力。体结构，不会产生形变及磨损。1．2钻杆的动力学模型建立(6)忽略泥浆的阻尼作用，只考虑浮力。作用在钻杆上的力主要可以概括为：2．2有限

8、元计算模型的建立(1)轴向力：钻杆系统受到自身：重力与钻压作2．2．1钻杆的力学性能用，因此在钻杆上自上到下受到拉力作用，该拉力在钻杆为截面为圆环的梁单元，长度1000rfl，直孔口处最大，在孔底处为0。由于钻井：夜的影响钻杆径127mm，厚度17．5mid。弹性模量(杨氏模量)还将受到浮力作用，在向下钻进时拉力大小变弱。在E=I．7"1011Pa；泊松比u=0-3；密度=6800kg／m(考提起钻杆时，还将与孔壁和钻井液及泥浆产生摩擦阻虑浮力作用)。在计算过程中将材