王建強，李國民，湯小仁，簡崇林

（1.中國地質大學〈北京〉工程技術學院，北京100083;2.中國地質大學〈北京〉科學鉆探國家專業(yè)實驗室，北京100083;3.中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊 065000）

凸包型仿生耦合金剛石鉆頭模擬分析

王建強1，2，李國民1，2，湯小仁3，簡崇林1

（1.中國地質大學〈北京〉工程技術學院，北京100083;2.中國地質大學〈北京〉科學鉆探國家專業(yè)實驗室，北京100083;3.中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊 065000）

研究發(fā)現(xiàn)仿生耦合鉆頭較普通鉆頭鉆進時效提高很多。仿生耦合鉆頭一方面能使鉆頭唇面有較高的比壓;另一方面能使鉆頭具有很好的冷卻效果，因此在鉆探工程中有很好的應用前景。應用數值模擬軟件ansys，模擬分析了凸包型非光滑表面對金剛石鉆頭性能的影響。對比分析了4種不同非光滑度狀況下，鉆頭在一定的鉆壓作用下在巖石表面產生滑動摩擦的過程。主要分析了該過程中巖層的等效應力、鉆頭底唇面的接觸摩擦應力和接觸壓力的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，凸包型非光滑表面在一定程度上可以提高鉆頭的使用壽命和鉆進效率。

仿生學;非光滑;凸包;金剛石鉆頭;模擬分析

0 引言

隨著人類社會經濟的快速發(fā)展，能源尤其是油氣資源供需問題日益嚴峻?？碧介_發(fā)逐漸向深層拓展，所鉆地層越來越復雜，常規(guī)的鉆頭在鉆進該類地層常表現(xiàn)出壽命短，鉆進效率低，很難達到要求。因此急需要設計一種適應該類地層的鉆頭，仿生金剛石鉆頭便由此產生。它將仿生學中的非光滑理論應用到鉆頭設計上。仿生學是生物科學與技術科學有機結合而產生的一門重要的新興邊緣性學科，仿生技術被認為是原始科技創(chuàng)新的不竭動力和源泉，是發(fā)展高新技術的重要手段［1］。研究發(fā)現(xiàn)生物非光滑表面不僅具有良好的減少粘附、降低阻力的功能，而且具有非常高的耐磨性能和再生功能［2］。并且這些特性隨著非光滑表面特征的不同而不同，其中耐磨性按照凹坑、凸包、波紋、鱗片形態(tài)遞減［3］。因此仿造生物體表的特性，將仿生非光滑理論應用到鉆頭的設計上，來解決鉆頭的壽命短、鉆進效率低以及鉆頭泥包等鉆進難題，將是一種新的嘗試。

目前有不少學者在此方面作了大量的研究。如高科［4，5］系統(tǒng)地分析了非光滑表面減阻、防粘和耐磨的特性，并研制出仿生金剛石鉆頭。試驗結果表明，仿生鉆頭較普通鉆頭鉆速提高44%、使用壽命增加74%。發(fā)現(xiàn)非光滑度及非光滑表面材料性能與所鉆地層是否相適應對非光滑表面耐磨性能能否發(fā)揮有很大的影響。徐良［6］研制出新型的仿生孕鑲金剛石鉆頭，大大地提高了鉆進時效，并分析了仿生孕鑲金剛石鉆頭碎巖機理，得出仿生非光滑表面一方面使得鉆頭唇面的比壓增加，有利于鉆頭的銳化，從而提高了時效;另一方面非光滑表面改善了鉆頭和巖石的冷卻條件。王再宙［7］運用激光處理技術，生成凸包型非光滑表面，采用試驗優(yōu)化技術中的均勻設計方法進行了影響凸包型非光滑表面耐磨性的多因素復雜試驗分析，發(fā)現(xiàn)速度、負荷、時間和凸包圓周方向的距離對耐磨性有顯著影響，凸包軸向的距離對耐磨性影響不大。然而該領域尚處于起步階段，還有許多問題亟待解決，如非光滑結構各個參數對鉆頭性能的影響以及不同形式的非光滑表面對鉆頭性能影響的機理等。

本文用數值模擬軟件模擬分析了在常規(guī)的金剛石鉆頭設計中加入凸包型非光滑表面對鉆頭性能的影響。分析發(fā)現(xiàn)，凸包型仿生非光滑結構應用到鉆頭的設計中能夠提高鉆頭的碎巖效率和使用壽命。本文的結論可以為鉆頭的設計提供理論依據。

1 數值模擬有限元模型

1.1 計算模型的簡化

考慮到計算時間的因素，本文取鉆頭底唇面上某一區(qū)域為模擬對象，區(qū)域尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，取一40 mm×10 mm×10 mm的矩形塊代表所模擬的花崗巖地層。鉆頭在一定鉆壓下在矩形塊表面產生滑動摩擦。本次模擬選擇固定的凸包半徑為1 mm，采用均勻排列的方式，分析不同凸包個數條件下，仿生耦合表面形態(tài)對鉆頭性能的影響，目的是為了獲得最優(yōu)的非光滑度。非光滑度可以定義為所有凸包在底面上的投影面積之和占整個底面積的比例。本文選擇固定的凸包半徑（1 mm），那么非光滑度就只與凸包的個數有關，建立的凸包型仿生耦合表面形態(tài)模型參數如表1所示。

表1 凸包型仿生耦合表面形態(tài)模型參數

1.2 材料模型

鉆頭材料取鎢鈷合金材料，地層取花崗巖地層，具體參數［8］如表2所示。

表2 模擬鉆頭和地層參數

1.3 接觸算法及網格劃分

本文采用面與面的接觸算法，選取大矩形塊的上表面為目標面，小矩形塊的底面為接觸面，并采用SOLID45和SOLID65兩種實體單元以及TARGE170目標單元和CONTA174接觸單元。為了提高收斂性，設置接觸剛度為1.0，選取 NEWTON-RAPHSON平衡迭代選項，并打開非線性大變形效應和自動時間來幫助收斂。網格劃分采用四面體自由網格劃分，出于對計算精度的考慮，凸包處采用加密網格劃分。圖1為非光滑度為16%的網格劃分圖。

圖1 計算模型網格劃分

2 仿真結果與分析

在鉆進過程中影響鉆頭碎巖效率和鉆頭使用壽命的因素有等效應力、接觸壓力和接觸摩擦應力。等效應力和接觸壓力可以判斷鉆頭碎巖效率;接觸摩擦應力可以判斷鉆頭的耐磨性。本文通過模擬，對比分析了4種不同非光滑度狀況下，這些因素的變化規(guī)律，以及對鉆頭性能的影響，得出以下結論。

2.1 巖層的等效應力分析

在鉆進過程中鉆頭的底面形狀對鉆進效率有很大的影響，關于不同形狀壓頭侵入巖石時的單位體積破碎功問題，許多學者進行過研究，得到了基本一致的結論:平端壓頭比尖銳的壓頭單位體積破碎功小，刃頂鈍的壓頭比刃頂銳的壓頭單位體積破碎功小。本文采用半球型凸包模擬鉆頭在孔底碎巖情況，模擬結果發(fā)現(xiàn)，隨著非光滑度的增加，巖層所受的等效應力在減小，而巖層所受等效應力作用面積在增大。從巖石的等效應力云圖（圖2）可以明顯地看出，整個巖層在鉆頭的作用下可以分為以下3個區(qū)域:破損區(qū)、損傷區(qū)和無損傷區(qū)。隨著非光滑度的增加，破損區(qū)和損傷區(qū)的面積在擴大，當非光滑度達到16%時，損傷區(qū)基本上聯(lián)通，利于巖石的破碎;且隨著非光滑度的增加，在巖石內部也出現(xiàn)了應力的變化，并且隨著非光滑度的增加，應力變化區(qū)域在不斷擴大，這樣在鉆頭的循環(huán)摩擦碎巖的作用下，會使巖石內部出現(xiàn)疲勞損傷，在一定程度上可以降低巖石的強度，利于鉆頭碎巖。但也可以看出不能一味地增加非光滑度，當非光滑度達到一定值時，鉆頭與巖層接觸面都進入損傷區(qū)并且會出現(xiàn)重疊，這會造成重復碎巖，增大能量消耗，降低鉆進時效;同時當非光滑度過大時，會使巖石所受的等效應力降低，以至低于巖石的抗壓強度，也是不利破碎巖石的。

圖2 巖層Mises應力云圖

2.2 鉆頭底唇的接觸摩擦應力分析

研究發(fā)現(xiàn)，對鉆頭磨損起決定性作用的是摩擦功率，在相同的時間內，決定性因素可以轉化成摩擦功。摩擦功越大，對鉆頭的磨損就越嚴重;摩擦功越小，鉆頭的壽命越長［9］。而對于固定底面積的試塊，摩擦功與摩擦力成正比，因此鉆頭的磨損程度可以由摩擦力來體現(xiàn)。通過曲線圖3可以看出，在相同非光滑度條件下，鉆頭底唇接觸摩擦應力隨時間變化比較小，是一條平滑水平線，這是由于該模擬只考慮了鉆頭在孔壁平穩(wěn)摩擦碎巖，沒有考慮切削碎巖對鉆頭產生的震動，對模擬計算精度有一定的影響，但摩擦應力在鉆進過程中的總體發(fā)展趨勢是符合實際的;隨著非光滑度的增加，接觸摩擦應力在減小，說明隨著非光滑度的增加，鉆頭的耐磨性在增加，鉆頭的壽命越長，即提高鉆頭唇面非光滑度可以提高鉆頭的使用壽命。

圖3 接觸摩擦應力隨時間變化曲線圖

2.3 鉆頭底唇的接觸壓力分析

接觸壓力可以衡量鉆頭碎巖效率，接觸壓力越大，作用在巖石表面的壓力也就越大，當其值大于巖石的抗壓強度時，巖石就會產生屈服破壞，形成破碎坑，并在鉆頭回轉扭矩的作用下，被切削掉，從而實現(xiàn)鉆進進尺。通過曲線圖4可以看出，隨著非光滑度的增加，鉆頭底唇的接觸壓力在減小，這對于破碎巖石是不利的。這主要是由于隨著非光滑度的增加，鉆頭底唇與巖石接觸面積增大，使得單位面積上的比壓在減小。

3 結論

利用大型通用數值分析軟件ansys對凸包型非光滑表面金剛石鉆頭在孔底滑動摩擦碎巖的過程進行了數值模擬。從得出的結果分析，非光滑度對鉆頭的使用壽命和碎巖效率有很大的影響。隨著非光滑度的增加，鉆頭唇面上比壓降低，不利用破碎巖石，但可以提高鉆頭的耐磨性。所以在設計鉆頭時一定要選擇一個最優(yōu)的非光滑度，在提高鉆頭耐磨性的同時還能滿足高效碎巖的要求。

圖4 接觸壓力隨時間變化曲線圖

［1］ D.S.哈拉西.仿生學［M］.北京:科學出版社，1975.

［2］ 任露泉，楊卓娟，韓志武.生物非光滑耐磨表面仿生應用研究展望［J］.農業(yè)機械學報，2005，36（7）.

［3］ 任露泉，王再宙，韓志武.仿生非光滑表面滑動摩擦磨損試驗研究［J］.農業(yè)機械學報，2003，34（2）:86-88.

［4］ 高科，孫友宏，高潤峰，等.仿生非光滑理論在鉆井工程中的應用與前景［J］.石油勘探與開發(fā)，2009，36（4）:519-522.

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［6］ 徐良，孫友宏，高科.仿生孕鑲金剛石鉆頭高效碎巖機理［J］.吉林大學學報（地球科學版），2008，38（6）:1016-1018.

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［8］ 徐良.硬巖鉆進用仿生耦合金剛石取心鉆頭研究［D］.吉林長春:吉林大學，2009.

［9］ А.И.斯彼瓦克，А.Н.波波夫.鉆井巖石破碎學［M］.吳光琳，張祖培，譯.北京:地質出版社，1983.

Simulation Analysis on Bionic Coupling Diamond Bit with Convex Domes

WANG Jian-qiang1，2，LI Guo-min1，2，TANG Xiao-ren3，JIAN Chong-lin1（1.School of Engineering and Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.National Lab on Scientific Drilling，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;3.The Institute of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000，China）

It was found that bionic coupling bits have higher drilling efficiency than ordinary drill bits by study.On the one hand，bionic coupling bits with higher pressure on the bottom lip surface;on the other hand，it improves the cooling condition.So it has a good prospect in drilling engineering.In this paper，the numerical simulation software ansys was used to analyze the impact of the convex and non-smooth surface on the performance of diamond bit.Comparison was made on the process of drill bits sliding friction on the rock surface with certain pressure under 4 different non-smoothness conditions.A-nalysis was made mainly on the variation of rock’s equivalent stress，contact friction stress and contact pressure on the bottom lip surface of bit.The convex and non-smooth surface can increase the service life and drilling efficiency of drill bit.

bionics;non-smooth;convex dome;diamond bit;simulation analysis

P634.4+1

A

1672-7428（2012）01-0077-03

2011-09-13;

2011-11-29

王建強（1985-），男（漢族），陜西延安人，中國地質大學（北京）碩士研究生在讀，地質工程專業(yè)，從事地質工程數值模擬及非開挖技術的學習和研究，北京市海淀區(qū)學院路29號中國地質大學工程技術學院S09，wangjianqiang555@163.com。