沖旋鉆頭與巖石互作用仿真研究

沖旋鉆頭與巖石互作用仿真研究

沖旋鉆孔技術(shù)是一種將傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆孔與沖擊鉆孔相結(jié)合的鉆孔技術(shù)。其本質(zhì)是結(jié)合了影響鉆頭的單次破巖作用和旋轉(zhuǎn)鉆孔的連續(xù)破巖作用。當(dāng)鉆頭被堅硬的土層壓著時，它以快速的速度建造，成本高、巖屑大、壓井、斜井斜等優(yōu)點而聞名。由于計算機仿真具有可以隨時連續(xù)動態(tài)地、重復(fù)地顯示事物的發(fā)展,在某種程度上計算機仿真研究比理論研究對問題的認(rèn)識更為深刻、準(zhǔn)確和全面。本文采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA進行沖旋鉆頭破巖機理的仿真研究,對提高沖旋鉆井鉆具的研制水平和鉆井工藝的優(yōu)化改進具有重要的參考價值和指導(dǎo)意義。11.1ansys/ls-dyna的建立以Pro/Engineer軟件建立沖旋鉆頭的三維實體模型,如圖1所示。為了表示方便,為鉆頭牙齒進行了編號。把鉆頭模型導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA后,用ANSYS作為前處理軟件建立有限元模型。巖石模型為長方體,在ANSYS中直接建立1.2鉆頭網(wǎng)格劃分鉆頭和巖石均采用8節(jié)點3DSOLID164單元,用缺省的常應(yīng)力單元公式?？紤]到單點積分引起的沙漏問題(零能模式),因此通過采用增加模型的彈性剛度來進行控制,以使沙漏能量不會超過模型總內(nèi)能的10%。本文不考慮鉆頭本體與鉆頭牙齒的互作用,所以將鉆頭本體與鉆頭牙齒作為一個整體,其材料為YG8硬質(zhì)合金。這種材料相對巖石較硬,認(rèn)為是一種線彈性/理想彈塑性材料,以關(guān)鍵字*MAT_ELASTIC定義。巖石材料為花崗巖,認(rèn)為是一種塑性應(yīng)變失效模型,以關(guān)鍵字*MAT_ISOTROPIC_ELASTIC_FAILURE定義鉆頭模型以手動分段,自由網(wǎng)格劃分的方式采用四面體網(wǎng)格劃分,鉆頭劃分為13495個單元;巖石模型比較規(guī)則,采用六面體網(wǎng)格劃分,巖石共劃分為48000個單元。鉆頭與巖石互作用的有限元模型如圖2所示。1.3鉆頭沖旋時間牙齒和巖石之間的接觸類型定義為面對面的侵蝕接觸,即*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE,以模擬沖旋鉆頭破碎巖石過程,并且確定了牙齒和巖石之間的靜態(tài)和動態(tài)摩擦系數(shù)將巖石和牙齒相接觸的面以外的五個面進行全約束并定義為無限無反射邊界,以模擬無限域求解時間定義為鉆頭單次沖旋作用的時間50ms。22.1鉆頭破碎巖石的形成階段鉆頭破碎巖石的過程包括4個階段:(1)中心齒破碎巖石,形成破碎坑階段。巖石在鉆壓載荷和沖擊載荷的共同作用下產(chǎn)生壓縮彈性變形。中心齒最先與巖石接觸并將巖石壓實,形成密實核。巖石在壓縮彈性變形階段,如卸掉外載荷,其變形又會恢復(fù)。隨著破巖過程的進行,中心齒繼續(xù)向下壓縮巖石,當(dāng)鉆頭施加在巖石上的作用力超過巖石的破碎強度時,巖石即發(fā)生破碎,形成3個小的破碎坑。(2)第二排齒破碎巖石,形成破碎坑階段。由于第二排齒與中心齒存在高度差,隨著鉆頭中心齒破碎巖石深度的不斷增加,第二排齒逐步參與破巖,形成兩個小的破碎坑。(3)邊齒破碎巖石,形成破碎坑階段。隨著破巖過程的進行,邊齒在第二排齒之后也參與破碎巖石并形成小的破碎坑。(4)單次沖旋作用的破碎坑形成階段。邊齒參與破巖后,鉆頭所有牙齒繼續(xù)破碎巖石,最終鉆頭獲得的能量被完全消耗,即在沖擊破巖和旋轉(zhuǎn)刮削破巖的聯(lián)合作用下,一個完整的鉆頭單次沖旋作用下破碎巖石并形成破碎坑的過程就完成了。如圖3所示的鉆頭破碎巖石形成的破碎坑包括3個區(qū)域:破碎區(qū)、損傷區(qū)和無損傷區(qū)。在鉆頭破巖的深度方向上,不同位置破碎區(qū)和損傷區(qū)的深度是不同的。這種現(xiàn)象主要是由鉆頭牙齒分布和齒形不同造成的,深的地方主要靠鉆頭沖擊形成;淺的地方(脊部)主要靠旋轉(zhuǎn)刮削形成,但脊部的周圍存在著大量的裂紋和間隙,大大降低了巖石的強度,有利于下一次破巖。破碎區(qū)的深度越大,損傷區(qū)的范圍越大,說明鉆頭破巖效率越高,鉆進速度越快。2.2沖擊作用下破巖深度的影響巖石破碎過程中,鉆頭與巖石單次作用的深度-時間曲線如圖4所示。鉆頭在沖擊旋轉(zhuǎn)和單純沖擊作用下,破碎巖石的深度是相同的,要使鉆頭破巖深度增加,主要是要加大沖擊作用的影響,而與旋轉(zhuǎn)作用關(guān)系不大。鉆頭在沖擊旋轉(zhuǎn)作用下和單純沖擊作用下,雖然破碎巖石的深度相同,但作用的時間有差別,鉆頭在單純沖擊作用下所用的時間短,而在沖旋作用下所用的時間長。2.3體積大圖5是鉆頭單次破碎巖石的體積變化曲線圖。鉆頭在沖旋作用下破碎巖石的體積要比鉆頭在單純沖擊作用下破碎巖石的體積大一倍左右。在巖石破碎后期鉆頭不能緊貼巖石,不能對巖石進行剪切破碎,應(yīng)該優(yōu)化相應(yīng)的鉆井參數(shù)使鉆頭充分緊貼井底,充分利用巖石剪切強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其抗壓強度這一特點3下巖石破碎坑的范圍(1)鉆頭單次沖旋作用下破碎巖石的過程分為中心齒破碎巖石、第二排齒破碎巖石、邊齒破碎巖石、單次沖旋作用下完整的破碎坑形成4個階段。(2)沖旋作用下巖石的破碎坑包括破碎區(qū)、損傷區(qū)和無損傷區(qū)3個區(qū)域。由于鉆頭牙齒的齒型及布齒方案的不同,故破碎區(qū)和損傷區(qū)的深度不同。(3)鉆頭在沖旋作用下和單純沖擊作用下,破碎巖石的深度是相同的,這表明鉆頭破碎巖石的深度主要取決于沖擊作用