冲旋钻头破岩机理仿真研究

文章编号:1674-5086(2010)01-0148-03冲旋钻头破岩机理仿真研究*黄志强1,范永涛1,魏振强2,谭力3,卜燕1(1.西南石油大学机电工程学院,四川成都610500;2.中国石油安全环保技术研究院,北京100083;3.中国石油川庆钻探国际工程公司,四川成都610000)摘要:介绍了冲旋钻井中冲旋钻头与岩石互作用有限元模型的建立过程,并对冲旋钻头在冲击旋转和单纯冲击载荷作用下的破岩过程进行了计算机仿真研究,描述了冲旋钻头破岩过程,求出了相应的钻头破碎岩石的深度、体积时程关系对比曲线,揭示了冲旋钻头的破岩机理)))钻头在冲旋作用下破碎岩石的过程可分为4个阶段、钻头破碎岩石深度主要取决于冲击作用而与旋转作用关系不大、破岩体积在冲旋作用下比单纯冲击载荷作用下要大一倍左右,为冲旋钻头在石油工业中的进一步推广应用提供了理论依据。

关键词:计算机仿真;冲旋钻井;冲旋钻头;破岩机理中图分类号:TE921文献标识码:A DOI:10.3863/.j i ss n.1674-5086.2010.01.030冲旋钻井技术是将传统的旋转钻进和冲击钻进相结合的一种钻井技术,实质是将冲击钻进的单次破岩作用和旋转钻进的连续破岩作用相结合,其在钻遇坚硬地层时,以钻速快,钻井成本低、岩屑大、钻压低和井斜程度轻等优点受到油气田的普遍欢迎[1-3]。

不过目前冲旋钻井的钻具和钻井工艺仍存在不足,阻碍了该技术的进一步推广应用,其中一个重要原因是冲旋钻井破岩机理的基础理论研究滞后。

由于计算机仿真具有可以随时连续动态地、重复地显示事物的发展,在某种程度上计算机仿真研究比理论研究对问题的认识更为深刻、准确和全面。

本文采用有限元分析软件ANS YS/LS O DY NA进行冲旋钻头破岩机理的仿真研究,对提高冲旋钻井钻具的研制水平和钻井工艺的优化改进具有重要的参考价值和指导意义。

1建立有限元模型1.1建立实体模型以Pro/Engineer软件建立冲旋钻头的三维实体模型,如图1所示。

为了表示方便,为钻头牙齿进行了编号。

把钻头模型导入A NSYS/LS O DYN A后,用ANS YS作为前处理软件建立有限元模型。

岩石模型为长方体,在ANS YS中直接建立[4-7]。

图1冲旋钻头三维模型端面图F i g.1Th e end vie w d raw i n g of th e percu ssi on O rotary b it c st h ree O d i m en si ona lm od el1.2定义单元类型、材料属性和划分网格钻头和岩石均采用8节点3DSOLI D164单元,用缺省的常应力单元公式。

考虑到单点积分引起的沙漏问题(零能模式),因此通过采用增加模型的弹性刚度来进行控制,以使沙漏能量不会超过模型总内能的10%。

本文不考虑钻头本体与钻头牙齿的互作用,所以将钻头本体与钻头牙齿作为一个整体,其材料为YG8硬质合金。

这种材料相对岩石较硬,认为是一种线弹性/理想弹塑性材料,以关键字*M AT_EL AS2第32卷第1期西南石油大学学报(自然科学版)Vo.l32No.1 2010年2月Journal of Sout hwest Pe troleu m Un i versity(Sc i ence&Technol ogy Ed iti on)F eb.2010*收稿日期:2008-04-22基金项目:中国石油天然气集团公司资助课题/物探钻具失效分析及试验研究0(部415)。

作者简介:黄志强(1968-),男(汉族),四川青神人,教授,博士,主要从事机械设计和表面工程技术的科研和教学工作。

T I C 定义。

岩石材料为花岗岩,认为是一种塑性应变失效模型,以关键字*MAT_IS OT ROPI C_EL AS T I C _FA I L URE 定义[8-10]。

钻头模型以手动分段,自由网格划分的方式采用四面体网格划分,钻头划分为13495个单元;岩石模型比较规则,采用六面体网格划分,岩石共划分为48000个单元。

钻头与岩石互作用的有限元模型如图2所示。

图2 钻头-岩石有限元模型F ig .2 T he fin ite m od el of the b it O rock in teracti on1.3 定义接触、加载、约束和求解时间牙齿和岩石之间的接触类型定义为面对面的侵蚀接触,即*CONT ACT _EROD I N G _S URFACE _T O _S URFACE ,以模拟冲旋钻头破碎岩石过程,并且确定了牙齿和岩石之间的静态和动态摩擦系数[8-10]。

将岩石和牙齿相接触的面以外的五个面进行全约束并定义为无限无反射边界,以模拟无限域[4]。

钻头获得的冲击功为110J ,冲击频率为20H z ,转速为40r /m in ,钻压为7400N [11-12],冲击力峰值为144k N,作用时间约为0.4m s ,作用力曲线为三角形脉冲[13]。

在钻头冲击岩石过程中,当岩石达到定义的塑性应变时,岩石上节点连接的单元就相互分离,从而模拟岩石的破碎现象。

求解时间定义为钻头单次冲旋作用的时间50ms 。

2 仿真计算结果及分析2.1 钻头破岩过程及分析钻头破碎岩石的过程包括4个阶段:(1)中心齿破碎岩石,形成破碎坑阶段。

岩石在钻压载荷和冲击载荷的共同作用下产生压缩弹性变形。

中心齿最先与岩石接触并将岩石压实,形成密实核。

岩石在压缩弹性变形阶段,如卸掉外载荷,其变形又会恢复。

随着破岩过程的进行,中心齿继续向下压缩岩石,当钻头施加在岩石上的作用力超过岩石的破碎强度时,岩石即发生破碎,形成3个小的破碎坑。

(2)第二排齿破碎岩石,形成破碎坑阶段。

由于第二排齿与中心齿存在高度差,随着钻头中心齿破碎岩石深度的不断增加,第二排齿逐步参与破岩,形成两个小的破碎坑。

(3)边齿破碎岩石,形成破碎坑阶段。

随着破岩过程的进行,边齿在第二排齿之后也参与破碎岩石并形成小的破碎坑。

(4)单次冲旋作用的破碎坑形成阶段。

边齿参与破岩后,钻头所有牙齿继续破碎岩石,最终钻头获得的能量被完全消耗,即在冲击破岩和旋转刮削破岩的联合作用下,一个完整的钻头单次冲旋作用下破碎岩石并形成破碎坑的过程就完成了。

如图3所示的钻头破碎岩石形成的破碎坑包括3个区域:破碎区、损伤区和无损伤区。

在钻头破岩的深度方向上,不同位置破碎区和损伤区的深度是不同的。

这种现象主要是由钻头牙齿分布和齿形不同造成的,深的地方主要靠钻头冲击形成;浅的地方(脊部)主要靠旋转刮削形成,但脊部的周围存在着大量的裂纹和间隙,大大降低了岩石的强度,有利于下一次破岩。

破碎区的深度越大,损伤区的范围越大,说明钻头破岩效率越高,钻进速度越快。

图3 钻头单次冲旋作用形成的破碎坑F i g .3 Th e brok en ho le form ed du e to the b it i m p acted ro cksi n the si m p l e i m pact l oad2.2 钻头破岩深度分析岩石破碎过程中,钻头与岩石单次作用的深度-时间曲线如图4所示。

钻头在冲击旋转和单纯冲击作用下,破碎岩石的深度是相同的,要使钻头破岩深度增加,主要是要加大冲击作用的影响,而与旋转作用关系不大。

钻头在冲击旋转作用下和单纯冲击149第1期 黄志强,等: 冲旋钻头破岩机理仿真研究作用下,虽然破碎岩石的深度相同,但作用的时间有差别,钻头在单纯冲击作用下所用的时间短,而在冲旋作用下所用的时间长。

图4 钻头破碎岩石深度-时间曲线F i g.4 Th e dep th O ti m e cur ves of t h at t h e b it b rok en rock s2.3 岩石破碎体积分析图5是钻头单次破碎岩石的体积变化曲线图。

钻头在冲旋作用下破碎岩石的体积要比钻头在单纯冲击作用下破碎岩石的体积大一倍左右。

在岩石破碎后期钻头不能紧贴岩石,不能对岩石进行剪切破碎,应该优化相应的钻井参数使钻头充分紧贴井底,充分利用岩石剪切强度远远小于其抗压强度这一特点[14-15],使钻头充分刮削破碎岩石,提高破岩效率。

图5 岩石的破碎体积变化图F ig .5 T he ch anged vo l um e O ti m e curv es o f th e rock s3 结 论(1)钻头单次冲旋作用下破碎岩石的过程分为中心齿破碎岩石、第二排齿破碎岩石、边齿破碎岩石、单次冲旋作用下完整的破碎坑形成4个阶段。

(2)冲旋作用下岩石的破碎坑包括破碎区、损伤区和无损伤区3个区域。

由于钻头牙齿的齿型及布齿方案的不同,故破碎区和损伤区的深度不同。

(3)钻头在冲旋作用下和单纯冲击作用下,破碎岩石的深度是相同的,这表明钻头破碎岩石的深度主要取决于冲击作用,而与旋转作用关系不大。

要使钻头破岩深度增加,主要是要加大冲击作用的影响。

(4)钻头在冲旋作用下的破岩体积比其在单纯冲击作用下的破岩体积大一倍左右,这表明旋转刮削作用对钻头破碎岩石有着重要影响,能提高钻头破岩效率。

参考文献:[1] 袁新梅,孙起昱,王爱芳,等.旋冲钻井技术及装备的发展现状和展望[J].石油矿场机械,2007,36(3):7-10.[2] 陶兴华.冲击回转钻井技术的现状及发展方向[J].钻采工艺,1996,19(1):10-12.[3] 高建强.冲旋钻钻速影响因素研究[J].西安石油学院学报,1999,14(6):11-12,23.[4] H art wan ,H o ward L .The s i m u l a tio n of pe rcussi on d illi ng inthe l aboratory by i ndexed O blo w st udies[C].SPE 500O PA ,1963.[5] 时党勇,李裕春,张胜民.基于ANS YS /LS O D YNA8.1进行显示动力分析[M ].北京:清华大学出版社,2005.[6] 孙江宏,段大高,黄小龙.P ro/Engi neer W ildfire 入门与实例教程[M ].北京:中国铁道出版社,2004.[7] 刘德顺,李夕兵.冲击机械系统的波动力学研究[J].机械工程学报,1997,33(4):104-106.[8]John O H.U ser c s m anua l f or DYNA3D [R ].Ca lif orn i a :La wrence L i ver m ore Nati onal Laboratory ,1998.[9] 何涛,杨竞,金鑫.ANS YS10.0/LS O DYN A 非线性有限元分析实例指导教程[M ].北京:机械工业出版社,2007.[10] 任重.A NSYS 实用分析教程[M ].北京:北京大学出版社,2003.[11] 何宜章.潜孔锤技术及其国内市场分析[J].岩土钻凿工程,2000(5):25-30.[12] 赵伏军,李夕兵,冯涛.动静载组合破碎脆性岩石试验研究[J].岩土力学,2005,26(7):1038-1042.[13] 屠厚泽,高森.岩石破碎学[M ].北京:地质出版社,1990.[14]Javi e r A F .C riticall y O stressed frac t ure analysis co ntri b 2u tes to de ter m i n i ng t he opti m a l drilli ng trajectory in nat u 2rall y fractured reserv oirs[C].SPE 12669,2008.[15] 蔡美峰.岩石力学与工程[M ].北京:科学出版社,2002.(编辑:张云云)150西南石油大学学报(自然科学版) 2010年K ey w ord s :(PbS)nanocr ystallites ;si n gle O source molecular precursor ;hydrother m a l/solvother m a;l petroleum che m 2ica l engi n eering ;che m ica l engi n eeri n g cata l y stEXPER IM ENTAL S TUDY ON COM PO SITE REPA IR W ELDI NG ON STRENGTH EN I NG TH E S UR 2FACE O F STEEL TOOTH RO LLER CONE BI THUANG Ben O sheng 1,2,FAN Zhou 2,TANG An O j u n 2,Y ANG M ei 2,LI U Q ing O you 1(1.State K ey Lab of O il and Gas Reservoir Geology and Exploitati o n,Southwest Petroleum University ,Chengdu Sichuan 610500,Ch i n a ;2.School of M ateria ls Science and Engi n eeri n g ,Southwest Petr oleum Un iversity ,Chengdu Sichuan 610500,Ch i n a)JOU R NA L OF S OU T HW ES T PETROL EU M U N IV ERSI TY(SCI E NCE &TEC HNOL OGY ED I TI O N ),V OL .32,NO.1,141-144,2010(I SS N 1674O 5086,in Chinese)Abstr act :Co mposite repa ir weldi n g layers with d ia mond are obta i n ed by Repair W elding w ith Co mposite welding rod con taining d ia mond and Carbide through O 2O C 2H 2fla m ing .Morphology of co mposite repair welding layers and dia mond surf ace after m etalizi n g are ana l y zed w it h opti c al m icroscope and XRD ,and bond i n g strength bet w een re 2pa ir welding layers and substrate and wear resi s tance of repa ir welding layers are tested bym aterial testi n g machine and abrasion tester .The resu lts sho w that dia mond surf ace a f ter metalizi n g has certai n meta llic ity and wettab ility .The co mp lex layers are co mpacted and we ll O proporti o ned,the shear strength ofwh ich is 625MPa and wear val u e is reduced by 10%~70%.The co mp lex layers pr olong t h e wor k i n g lif e of stee l tooth roller cone bi.t K ey w ord s :steel tooth roller cone b i;t dia mond ;co mposite repa ir we l d i n g ;shear strength ;wear resistanceDR ILLABIL ITY BASED ON LEA ST S QUARES S UPPORT VECTO R MACH INEXIE X iang O j u n 1,Z HANG H u 1,FA N X iang O yu 2(1.School of Science ,Sout h west Petr oleum Un i v ersity ,Chengdu Si 2chuan 610500,Ch i n a ;2.Petr oleum Engi n eeri n g W e ll Loggi n g Lab ,Southwest Petr oleum Un iversity ,Chengdu Si 2chuan 610500,Ch i n a)JOU R NA L OF SOU T HW ES T PETROL EU M U NIV ERSI TY(SCIENCE &TEC HNOL OGYED I 2TIO N ),V OL .32,NO.1,145-147,2010(ISS N 1674O 5086,in Ch i n ese)Abstr act :D rillab ility has a direct i m pact on the deter m inati o n of drill b it type selecti o n and drilling rate f orecas,t t h e ma j o r oil fields at ho me and abroad f or the deter m i n ation of lit h ology are very serious .H o wever ,su itability f or the conditions of oil and gas we lls drillab ility has not yet been co mp letely resolved .I n t h e b it type selection ,based on t h e c urrent do mesti c d ifficu lties and prob le m s that exis,t the use ofLS O S V M to stri k e a drillab ility practica lm et h od is presented .Loggi n g data are selected as para meter ,w ith LS O S V M Support Vector Mach i n e technology ,drillab ility mathe maticalmodel is bu il,t and the model is applied to wellDU4S C O ilfield and good resu lt ach ieved .K ey w ord s :drillability ;support vector machine ;mathe maticalmode;l LS O S V M ;well logging para meterE M ULAT I ON STUDY ON RO CK O BREAK ING M ECHAN IS M OF PERCUSSI ON O RO TARY BI T HUANG Zh i O qiang 1,FAN Yong O tao 1,WE I Zhen O qiang 2,T AN L i 3,BU Yan 1(1.Mechatron ic Engineeri n g College ,#15#Jo urna l of So uth west P etrol eu m Universit y(Science &Technology Ed i tio n) No .1Southwest Petroleum Un i v ersity ,Chengdu Sichuan 610500,Ch i n a ;2.Research I nstitute of Safety and Environmenta l Protection Technology ,CNPC ,Be iji n g 100083,Ch i n a ;3.Inter national Engineeri n g Co mpany ,CCOS ,Chengdu Si 2chuan 610000,Ch i n a)JOU R NA L OF SOU T HW ES T PETROL EU M U NIV ERSI TY(SCIENCE &TEC HNOL OGYED I 2TIO N ),V OL .32,NO.1,148-150,2010(ISS N 1674O 5086,in Ch i n ese)Abstr act :The process of establishi n g the fi n ite ele ment model of the bit O rock i n teraction i n the percussion O rotary dr ill is i n troduced .What c smore ,the process of the rock O break i n g by the percussi o n O r otary b it under rotati n g i m pact and si m ple i m pact l o ad is e mulated w ith co mputer ,then the process is described herei n .The related depth O ti m e and vol u me O ti m e con trasting curves when the b its break rocks are obtai n ed ,and the rock O break i n g mechan is m of the percussi o n O rotary b it is concluded .The process of t h e rock O break i n g under rotati n g i m pact can be d i v i d ed i n to f our phases ,the depth of the rock O break i n g isma i n ly deci d ed by i m pact eff ect but not the eff ect of rotar y ,rock O breaking vol u me under rotati n g i m pact is about t w ice as l a rge as that under si m ple i m pact load.Theref ore ,t h e theoretic f oun 2dations f or the f urther use of percussi o n O rotary b it in the oil industry are pr ovi d ed .K ey w ord s :co mputer e mu lation ;percussi o n O rotary drilli n g ;percussion O r otary bi;t rock O break i n g mechanis mDOWN HO LE FLOW M EA S UREM ENT BA SED ON VENTUR IFENG D i n g 1,X U Guan O j u n 1,HUA NG Chao O b i n 2(1.School ofM echan ica l Engi n eering ,Y angtze U niversity ,Ji n g 2z hou H ube i 434023,Ch i n a ;2.SJ Petroleum Mach i n ery Co mpany of Jianghan Petr oleum A d m inistrati o n ,SI N OPEC ,Ji n gz hou H ube i 434024,Ch i n a)JOU R NA L OF SOU T HWES T PETROL EU M U N IV ERSI TY(SCIE NCE &TEC HNOL 2OGYEDITIO N ),V OL .32,NO.1,151-154,2010(ISS N 1674O 5086,in Ch i n ese)Abstr act :The meteri n g and controlli n g of down hole fl o w have beco me an i m portant and i n d ispensab le technology i n oilfield development and the i n te lli g ent oilfiel d technology ,t h e correlative data which are measured by the m can pro 2vide a reliable theoretical basis f or the producti o n and manage ment of t h e oilfield .Bases on the metering technology of three phase m i x ed measure m ent the working princ i p les of the do wn hole Ven t u ri fl o w measure ment is intr oduced i n th is paper ,the working pr ocess d iscussed and a ne w fl o w measure m ent device which can adapt to the comp lex do wn hol e envir onment developed ,especially ,the calcu lati o n of t h e hard ware part c l e arl y der i v ed .This device ,whose str ucture is si m p le ,no p l u g O i n is needed ,no i n terf erence with the fl u i d fl o w w ith a little pressure l o ss ,it is not apt to be aff ected by t h e change of fl u id properties ,is easy to i n sta l,l saf e and reliab l e ,h i g h in precision and su itable f or down hole flo w measure m ent and contro.lK ey w ord s :downhole ;flo w measure men;t str ucture ;V entur;i oilfield deve l o pmentAPPL ICAT I ON OF AN S Y S TO SE IS M IC T I M E O H ISTORY RESPON S E ANALYSIS ON CABLE O SUS 2PENDED PIPEL INE BR IDGEG AO Jian 1,WANG D e O guo 1,H E Ren O yang 2,GENG Dai 1(1.College of Mechan ica l and E lectrical Engi n eeri n g ,China Un i v ersity of Petr oleum,Changpi n g Be ijing 102249,China ;2.China Spec ial Equ i p ment I nspecti o n and R e 2#16#2010 Abstrac t。