PDC钻头工作参数研究

　　岩层由软变硬时，PDC钻头对工作参数的要求也不同，使用合适的钻进工艺参数，可以延长钻头寿命，提高机械钻速。首先对PDC钻头工作参数研究现状进行了综述，然后采用计算力学有限元软件ANSYS对PDC钻头作用于岩层进行了瞬态仿真分析，通过改变边界条件来分析钻压与扭矩对钻头受力及岩层受力的影响，发现随着钻压的增加，钻头受力及岩层受力都增加的很快，而扭矩的增加对钻头受力及岩层受力的影响较小，这对PDC钻头钻遇硬夹层时加大钻压可以提高钻速的现象进行了较好的解释。

    引言
　　在软～中硬岩层中钻进时，由于钻进效率高，钻头寿命长，PDC取心钻头在我国得到了广泛的应用，被用于地质勘探，油田钻井，煤田勘探，水文钻井等诸多领域。
　　岩层由软变硬时，PDC钻头对工作参数的要求也不同，使用合适的钻进工艺参数，可以延长钻头寿命，提高机械钻速。有较多的学者从多角度对PDC钻头工作参数进行了研究，得出了很好的成就。本文在总结前人成果的基础上，采用计算力学有限元软件ANSYS对PDC取心钻头作用于岩层进行瞬态仿真分析，以期待加深对PDC钻头工作参数选择的研究。
　　1 PDC钻头工作参数的研究现状
　　对PDC钻头工作参数的研究包括理论分析与仿真分析两方面，分析的目的主要是为了得出工作参数对钻速、钻头寿命影响，并对钻头结构进行优化。
　　1.1 对PDC钻头工作参数的理论分析
　　一般是结合现场或试验室PDC钻头使用情况，通过理论分析研究工作参数与PDC钻头钻速的关系，或同时考虑工作参数与PDC钻头钻速及钻头寿命之间的关系。
　　顾金辉，郝铁军从现场实际出发，经过现场使用试验.初步探讨了大港油田的使用参数，其中包括转速、钻压及排量的正确使用范围，并通过现场试用结果证实，只要选择的钻井参数得当，PDC钻头的钻速优势会进一步得到发挥。
　　夏柏如通过对两种其有代表性的中硬岩石（细砂岩和石灰岩）进行钻进试验，探讨了复合片钻头钻进工艺规程与各项参数的相互关系和变化规律，研究结果表明，在试验参数范围内，钻速随钻压和转速的增大而增大。
　　孙永华、申衡及吴桐等人着重分析了庆深气田的地质概况，以部分已知钻井的钻头参数和其它钻井参数之间的关系为基础建立了钻速方程。
　　1.2 对PDC钻头工作参数的仿真分析
　　第二次世界大战后不久，第一台电子计算机在美国出现，并在以后的20年里得到了迅速的发展。美国克拉夫首先提出了有限元法，这种方法是把计算区域剖分成大小不等的三角形（或其他形状的）单元，然后在各单元上用适当的插值函数来代替未知函数。根据变分原理，可将偏微分方程化成代数方程来求解。有限元法引入石油钻头领域后，钻头受力分析水平相应地跃上新台阶，各种专用设计软件和分析软件相继被开发出，得到了广泛的应用。
　　通过对总结前人工作，肖仕红突破了传统的理论分析方法中对钻头运动条件的限制和对钻头切削结构方案的限制，利用计算机仿真技术来模拟钻头在偏心运动条件下实际钻进过程，分析切削齿的金刚石工作表面以及齿的侧面与岩石的相互作用。
　　总的说来，现有的分析都是根据PDC钻头现场钻进资料，对其工作参数进行理论分析或防真分析，为合适工作参数的提出提供了参考价值。
　　2 基于计算力学软件PDC钻头工作参数研究
　　2.1 基本假设
　　为了简化计算，参照有关文献，作如下设定：
　　（1）不考虑钻井液作用、孔壁及岩心对钻头的摩擦阻力、振动使钻头所受的力；
　　（2）将刚体与PDC复合片作为一个整体进行分析，该整体材料性质相同；
　　（3）仅取出一段钻杆进行与钻头相连进行受力分析。
　　2.2 基于Ansys软件仿真分析
　　建模过程主要包括单元类型选择、材料定义、导入模型与网格划分、建立接触对、加载边界条件并求解、后处理。
　　（1）选择单元类型
　　选择单元类型为SOLID187，SOLID187是一个八节点的四面体单元，每个节点有3个平移自由度UX，UY，UZ，接触面选用Targe170与Conta174，Targe170模拟PDC钻头目标面，Conta174模拟岩石接触面。分布式负荷可作用于这个单元的各个侧面，用这个单元求解的输出结果包括节点位移，X，Y，Z向的正应力，剪应力及主应力。
　　（2）定义材料属性
　　钻头体的材料属性用PDC复合片材料代替，定义了弹性模量，泊松比，密度及摩擦系数。钻杆材料的材料性能参照普通钢材。岩石选择细砂岩作为模拟对象，细砂岩成分较均质，试验过程假设岩石呈脆性破坏，破坏前为弹性变形，根据教程选择岩石力学参数。总体材料属性如表1所示。
　　（3）导入模型并划分网格
　　采用PROE软件建立三维模型，然后导入ANSYS软件。根据有关文献建立适合于硬岩的PDC取心钻头模型，钻头有六个切削齿，选用的PDC直径为8mm，模型中复合片后倾角为15°，旁通角5°，PDC在钻头中出刃高度为4mm，钻头与岩石接触形状选取半月形，岩石模型为圆柱体。
　　网格划分时先整体划分为四面体网格，再局部细化，最后优化网格。如下图1为划分网格后钻头模型，图2为划分网格后钻头作用于岩石模型。
　　（4）定义接触对
　　在contact manager下定义接触对，分别选择钻头体与岩石体，接触类为面面接触，定义好刚度与侵入深度后，建立接触对，选择接触对为standard，允许复合片与岩石间发生相对滑动。定义刚性结点，将与钻杆尾部环形表面建立接触对，保持定义的刚性结点与环形面各个方向的自由度相同。 　　（5）施加必须的边界条件并求解
　　关于位移约束，将岩石除去与钻头接触面以外的其它表面全部约束住。对于力的加载，给刚结点施加垂直于环形面的集中压力及扭矩，集中力与扭矩将通过环形面传递到各切削齿，作用在岩石面上。加载后进行求解。
　　（6）后处理
　　后处理包括在后处理程序中获得PDC钻头Mises应力云图（图3）及岩石Mises应力云图（图4）。
　　为了分析钻压对钻进的影响，固定扭矩为500Nmm改变钻压进行仿真分析，提取钻头及岩石受到的最大mises应力，如下表2所示；为了分析扭矩对钻进的影响，固定钻压为10000N改变扭矩进行仿真分析，提取钻头及岩石受到的最大mises应力，如图3所示。
　　由表2及图5可知，在转盘输出扭矩不变的情况下，随着钻压的提升，钻头及岩石受到的最大mises应力都基本呈线性增加，这说明在硬岩地层钻头及岩层受力对钻压比较敏感。
　　由表3及图6可知，在钻压一定的情况下，随着扭矩的增加，钻头及岩石受到的最大mises应力变化很小，这说明在硬岩地层钻头及岩层受力对扭矩不敏感。
　　在实际钻井中，PDC钻头在钻遇硬岩夹层时可以适当的提高钻压，提高钻头的机械钻速，但长期的高钻压也使钻头受到的最大集中应力变大，减少PDC钻头的寿命。
　　3 结论
　　（1）对PDC钻头工作参数的研究目的应同时考虑钻头的机械钻速与钻头的寿命。
　　（2）对PDC取心钻头作用于岩层的瞬态过程进行了仿真分析。
　　（3）在硬岩地层钻进时，PDC钻头及岩层受力对钻压比较敏感，但对扭矩不敏感。
　　（4）在硬岩地层钻进时，提高钻压能提高PDC钻头的攻击力，加快机械钻速，但钻头受到的最大局部应力也提高很快，即加快机械钻速是以减少PDC钻头的寿命为代价的。