徐建飛

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電總廠，山東東營(yíng) 257061)

PDC鉆頭在定向井作業(yè)中，常出現(xiàn)初始造斜困難、方位不穩(wěn)、鉆頭偏移趨勢(shì)增加、鉆頭進(jìn)尺緩慢等現(xiàn)象。在影響PDC鉆頭定向鉆進(jìn)能力的因素中，鉆頭自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)尤為重要［1］。研究PDC鉆頭不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)定向鉆進(jìn)的影響，可以為定向井PDC鉆頭的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，讓PDC鉆頭在定向鉆進(jìn)中發(fā)揮出更大的優(yōu)勢(shì)，提高定向鉆井速度，降低鉆井成本。研究的重點(diǎn)是PDC鉆頭本身的結(jié)構(gòu)特性及其受力的影響。例如不同的冠部形狀的導(dǎo)向性不同，和巖石作用時(shí)應(yīng)力大小分布也不同，適用地層條件也不一樣。不同外徑的特征參數(shù)也對(duì)導(dǎo)向性、鉆頭受力以及水力清洗效果產(chǎn)生不同的影響。如果用理論分析法對(duì)這些結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行分析則顯得很困難，結(jié)果也不一定準(zhǔn)確。隨著各種力學(xué)軟件的的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，數(shù)值模擬成為一種比較好的輔助設(shè)計(jì)分析方法。有限元法作為一種有效的力學(xué)分析手段，可求解結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件都相當(dāng)復(fù)雜的力學(xué)問題。應(yīng)用有限元法能夠?qū)DC鉆頭結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行分析，可以得出有意義的結(jié)論和建議，這無疑對(duì)PDC鉆頭的設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有重要意義。本文主要利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)不同的PDC鉆頭剖面標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析［2］，研究其受力特點(diǎn)，提出針對(duì)定向井的冠部形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。

1 模型的選擇與建立

本文所涉及的鉆頭冠部形狀都為“直線－圓?。瓐A弧”型?！爸本€－圓?。瓐A弧”型剖面曲線是傳統(tǒng)PDC鉆頭設(shè)計(jì)最常用的剖面形狀［3］，由一條直線段和兩段圓弧組成，剖內(nèi)錐部分的直線段與冠頂位置的內(nèi)圓弧段相切，內(nèi)圓弧段和外圓弧段相切，外圓弧曲線段和冠部外徑處的垂線相切，如圖1所示。

本文主要研究?jī)?nèi)錐和外錐的長(zhǎng)短變化對(duì)鉆頭冠部受力的影響。設(shè)計(jì)了二組實(shí)驗(yàn)，一組是在外錐高度一定的情況下，內(nèi)錐的變化對(duì)冠部受力的影響;另一組是內(nèi)錐高度一定的情況下，外錐的變化對(duì)冠部受力的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

建立鉆頭冠部模型，其二維視圖見圖2。鉆頭模型為金剛石材料，彈性模量為9×1011Pa，泊松比為0.1。巖石的彈性模量為6.8×109Pa，泊松比為0.4，巖石的內(nèi)聚力為100 kPa，內(nèi)摩擦角為30°。鉆頭和巖石間的摩擦系數(shù)為 0.1。

忽略井底的圍壓，也不考慮鉆井液的影響。鉆頭和井壁的接觸面為自由面，鉆頭和井底的接觸是緊密結(jié)合的，通過施加載荷計(jì)算冠部和巖石的相互作用特性。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 內(nèi)錐影響結(jié)果分析

第一組的1、2、3、4號(hào)模型和巖石相互作用，沿著鉆頭冠部形狀巖石的應(yīng)力分布見圖3。

從圖3可以看出，巖石應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在冠頂附近，沿著內(nèi)錐方向和外錐方向，應(yīng)力值逐漸減小。2號(hào)模型和3號(hào)模型的曲線形狀差不多，冠頂部位巖石最大應(yīng)力值幾乎相等。1號(hào)模型巖石冠頂部位受力不平穩(wěn)，應(yīng)力的平均值小于2號(hào)和3號(hào)巖石冠頂?shù)淖畲髴?yīng)力值，內(nèi)錐部分受力很小。4號(hào)巖石冠頂應(yīng)力最大值也小于2號(hào)和3號(hào)。在其它參數(shù)一定情況下，內(nèi)錐部分隨著冠部?jī)?nèi)錐高度的降低，巖石所受應(yīng)力逐漸增大。

第一組的1、2、3、4號(hào)模型和巖石相互作用，沿著鉆頭冠部形狀鉆頭的應(yīng)力分布見圖4。

從圖4可以看出，內(nèi)錐高度越高，鉆頭冠部的受力情況越復(fù)雜。在內(nèi)錐的頂點(diǎn)，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。1號(hào)鉆頭模型受力情況非常復(fù)雜，在很多點(diǎn)應(yīng)力變化梯度都很大，鉆頭冠部應(yīng)力分布不均勻。2、3、4號(hào)的應(yīng)力分布都比較均勻。總體來說，1、2、3、4號(hào)鉆頭冠部的應(yīng)力值范圍變化不大，都在3.5 MPa之內(nèi)。

2.2 外錐影響結(jié)果分析

第二組的5、6、7號(hào)模型和巖石相互作用，沿著鉆頭冠部形狀巖石的應(yīng)力分布如圖5所示。

從圖5可以看出，7號(hào)巖石受力主要集中在冠頂附近，在內(nèi)錐部位和外錐部位巖石受力較少。5號(hào)和6號(hào)巖石在外錐部分所受應(yīng)力差不多。從5號(hào)巖石模型可以看出，雖然外錐部分較長(zhǎng)，但是越靠近外錐頂端，巖石所受應(yīng)力很小，鉆頭不能很有效切削巖石，容易造成切削齒不能充分利用。內(nèi)錐高度一定的情況下，隨著冠部外錐高度的降低，巖石所受應(yīng)力逐漸增大。

第二組的5、6、7號(hào)模型和巖石相互作用，沿著鉆頭冠部形狀鉆頭的應(yīng)力分布如圖6所示。

從圖6可以看出，5號(hào)和6號(hào)鉆頭冠部應(yīng)力分布比較均勻，應(yīng)力最大值也不超過4 MPa。但7號(hào)鉆頭的冠部應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。

3 結(jié)論

在外錐高度一定的情況下，外錐高度為鉆頭直徑的1/5左右(中度外錐)時(shí)，內(nèi)錐高度為鉆頭直徑的1/5(中度內(nèi)錐)和鉆頭的直徑的1/8(中淺內(nèi)錐)時(shí)，鉆壓能有效傳遞到巖石上，能有效破碎巖石，鉆頭冠部受力均勻，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在內(nèi)錐高度一定的情況下，內(nèi)錐高度為鉆頭直徑的1/5左右(中度內(nèi)錐)時(shí)，外錐高度為鉆頭直徑的2/5(長(zhǎng)外錐)時(shí)，比中外錐的效果好不了多少。外錐高度為鉆頭直徑的1/10左右(淺外錐)時(shí)，巖石受力主要集中在冠頂附近，在內(nèi)錐部位和外錐部位巖石受力較少，且鉆頭冠部應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯。兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以在實(shí)際中作為鉆頭冠部曲線設(shè)計(jì)的依據(jù)。

［1］ 鄒德永.刀翼式PDC鉆頭結(jié)構(gòu)及布齒優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］.東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)(華東)，2004.

［2］ 李樹盛，蔡鏡侖.PDC鉆頭冠部設(shè)計(jì)的原理與方法［J］.石油機(jī)械，1998，26(3):1－3.

［3］ 彭燁，王福修.鉆頭冠部形狀設(shè)計(jì)模式［J］.石油鉆探技術(shù)，1996，24(4):38－39，47－48.