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PDC钻头冠部结构特征参数力学分析_论文

新  疆  石  油  科  技  2 0 1 3年 第 1期 ( 第2 3卷 )   ?1 7?   P D C钻 头冠部结构特征参数 力学分析  徐 建 飞  中 国石 油 大 学 ( 华 东) 机 电 总厂 , 2 5 7 0 0 0 山 东东 营  摘 要  在定向井钻进过程中。 P D C钻头整体结构设计特点对钻进过程影响很大。合理的钻头结构参数是成功地定向造斜, 平稳   地 稳 斜 钻 进 的 关键 。利 用 有 限 元 分析 软 件 分 析 了 不 同 内锥 和 外 锥 组 合 下 的 双 圆弧 冠 部 形 状 的 P D C钻 头与 岩 石 相 互 作 用 时 , 钻 头 和  岩石应力的大小和分布特点 . 总 结 出适 合 定 向 井 的 P D C钻 头 的 冠部 设 计 。 从而对 P D C钻 头 结构 参 数 的优 化 设 计 提供 依 据 。   关键 词 P D C钻 头 定 向井 冠部 结 构 有 限元 优 化 设计  ● l   - 刖 ●   ‘ - 0 舌  0 一  圆弧 ” 型 。“ 直线 一 圆弧一 圆弧 ”型剖 面 曲线 是传 统  P D C钻 头设 计最 常用 的剖面 形状 . 由一条 直线 段 和两  段 圆弧组 成 , 剖 内锥 部分 的直线 段与 冠顶 位 置 的内 圆  弧段相切 , 内 圆弧 段 和外 圆弧 段相 切 , 外 圆弧 曲线 段  和冠部 外径 处 的垂线 相 切 , 如 图 1所示 。   P D C钻 头 在定 向井 作 业 中 ,常 出现 初 始 造 斜 困  难、 方 位 不稳 、 钻 头偏 移 趋势 增 加 、 钻 头 进 尺缓 慢等 现  象 。在 影 响 P D C钻 头定 向钻 进 能力 的 因素 中 , 其整 体  结 构 设计 特 点 尤 为关 键 。研 究 P D C钻 头 不 同 的结 构  参 数 对定 向钻 进 的影 响 。可 以为 定 向井 P D C钻 头 的  设 计 提供 依 据 .让 P D C钻 头在 定 向钻 进 中发 挥 出更  大 的优 势 . 提高定 向钻井 速度 。 降低 钻 井成 本 。   本 文 研 究 的重 点 是 P D C钻 头本 身 的结构 特 性 及  其 受力 的影 响 。例如 不 同 的冠部 形状 的导 向性 不 同 ,   和岩石 作 用 时应力 大小分 布 也不 同 , 适 用地 层条 件 也  不 一样 。不 同保径 的特征 参 数也 对 导 向性 , 钻 头受 力  以及水 利 清洗效 果 产生不 同的影 响 。 如果 用理 论分 析  法 对这 些 结构 特 征参 数进 行 分 析则 显得 很 困难 , 结 果  也 不一 定 准确 。 随着 各种 力学 软 件 的的广 泛应 用 和发  展 ,数 值 模拟 成 为一 种 比较 好 的辅 助设 计 分析 方 法 。   D 。 一 冠部外 径 , m m;   R   冠 顶位 置 , mm;   日, 一 内锥 高度 , m m;   厂 图 1“ 直 线一 圆弧一 圆弧” 型 剖 面  有 限元 法作 为 一种 有 效 的力 学分 析手 段 , 可 求解 结 构  形状 和 边界 条件 都相 当复 杂 的力学 问题 。 应 用有 限元  法 能够 对 P D C钻头 结 构特 征 参 数进 行 分 析 ,可 以 得  出有 意义 的结论 和 建议 ,这 无 疑对 P D C钻头 的设 计  和 改进 具有 重要 意义 。   外锥 高度 , m m。   本 文 主 要 研 究 内锥 和外 锥 的长 短 变化 对 钻 头 冠  部 受力 的影 响 。设 计 了 2组实 验 . 一组 是 在外 锥高 度  一 本 文 主要 利用 有 限元 分 析软 件 A N S Y S对 不 同 的  I A D C钻 头 剖 面标 准进 行分 析 。 研 究其 受 力特 点 . 提 出  定 的情 况 下 , 内锥 的变 化对 冠 部 受 力 的 影 响 ; 另 外  一 组是 内锥 高 度一 定 的情 况下 , 外 锥 的变 化对 冠部 受  建 立钻 头 冠部 模 型 , 其 二 维视 图如 下 。钻 头模 型  针对 定 向井 的冠 部形 状优 化设 计建 议 。   力 的影 响 , 见表 1 。   为 金 刚石 材 料 , 弹性模量为 9 x 1 0 n P a , 泊松 比为 0 . 1 。   岩 石 的弹 性 模 量 为 6 . 8  ̄ 1 0 9 p a , 泊 松 比为 0 . 4 , 岩石 的  2 模 型 的选 择 与 建 立  本 文所 涉及 的钻 头冠 部形 状 都为 “ 直线一 圆弧一  作者简介 : 助 理 工程 师 , 2 0 1 0 — 0 7毕 业 于 中 国 石 油 大 学 ( 华 东) , 获硕 士 学位  新  疆  石  油  科  技  表 1 实验参数 表  2 0 1 3年 第 1期 ( 第2 3卷 )   石最 大应 力值 几乎 相等 。1 号 模型 岩石 冠顶部 位 受力  不平 稳 , 应 力 的平 均值 小 于 2号 和 3号岩 石冠 顶 的最  大应 力 值 , 内锥部 分 受力 很 小 。4号 岩 石冠 顶 应 力最  大值 也小 于 2号 和 3号 。 内锥部 分 , 其它 参数 一 定情  况下 , 随 着冠 部 内锥 高度 的降 低 , 岩 石 所 受 应 力逐 渐  增大 。   第 一组 的 1 , 2 , 3 , 4号 模 型和 岩石 相互 作 用 , 沿 着  钻头 冠部 形状 钻 头 的应 力分 布如 图 4 。   ,   皇  n   j\   一  、. ^   一  ’   :  : : i 2 _   ,.   1 【 i   / ,   ,  J   y