曾其科 ，黃志強(qiáng)

(1.四川科宏石油天然氣工程有限公司，四川 成都 610213；2.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500)

空氣鉆井技術(shù)憑借其鉆進(jìn)機(jī)械鉆速高、儲(chǔ)層保護(hù)好，能進(jìn)行隨鉆評(píng)價(jià)的優(yōu)勢(shì)，在硬質(zhì)地層地區(qū)有比較廣泛的應(yīng)用[1]，但是在利用空氣鉆井實(shí)現(xiàn)破巖成孔時(shí)，出現(xiàn)了井下燃爆的問題，不能有效的發(fā)揮出空氣鉆井的優(yōu)勢(shì)，嚴(yán)重限制了空氣鉆井的應(yīng)用和推廣[2]。

井下燃爆影響因素之一是鉆頭破碎巖石過程中的熱問題，分析破巖溫度有利于解釋井下燃爆問題。鉆頭破巖熱力學(xué)分析的一個(gè)重要研究內(nèi)容就是關(guān)于鉆齒、巖石和巖屑的傳熱及溫度場(chǎng)分布。由于切削破巖中的高度非線性和溫度場(chǎng)之間復(fù)雜的耦合作用，對(duì)于切削巖石的熱研究仍然是不夠的深入研究，同時(shí)，鉆頭溫度變化規(guī)律，對(duì)全面探索鉆頭破損機(jī)理和提高鉆頭使用壽命有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

1 鉆頭-巖石系統(tǒng)的生熱傳熱分析

鉆頭的溫度與巖石及其切屑密切相關(guān)，為準(zhǔn)確分析鉆頭的溫度就需要把兩者的影響因素予以考慮，分析過程中，將鉆頭、巖石、巖屑以及鉆井循環(huán)介質(zhì)看成一個(gè)封閉的熱力學(xué)系統(tǒng)，熱量的傳遞只發(fā)生在這四者之間[3-4]。

空氣錘鉆頭破巖方式是以沖擊為主，切削為輔。從能量角度分析，切削力和沖擊力都做功，兩者都致使鉆頭溫度升高[5-6]。鉆頭生熱的熱源主要有兩點(diǎn)：鉆齒侵入和切削巖體時(shí)會(huì)產(chǎn)生剪切變形熱；巖石與鉆頭鉆齒間的摩擦熱。而熱能的傳遞主要存在以下幾種形式：鉆頭與巖石、巖屑與鉆頭、鉆頭與循環(huán)介質(zhì)、巖屑與循環(huán)介質(zhì)，可以表述為公式1的平衡方程。

Q=Q牙齒+Q巖石Q巖屑Q循環(huán)介質(zhì)

(1)

2 空氣錘破巖溫度場(chǎng)有限元模型

2.1 物理模型

巖石采用的立方體，尺寸為400mm×400mm×120mm。鉆頭采用的是平底鉆頭，直徑為314mm，對(duì)稱布置120°的切削結(jié)構(gòu)和水力結(jié)構(gòu)，底面結(jié)構(gòu)為三翼面，鉆齒采用的球形齒，齒半徑為10mm，考慮鉆頭的三個(gè)噴嘴及排屑槽，忽略鉆頭邊緣的小排屑槽，以及鉆頭打撈環(huán)及其以上部分結(jié)構(gòu)。鉆頭與巖石的模型如圖1所示。

圖1 空氣錘鉆頭與巖石的物理網(wǎng)格模型

2.2 材料參數(shù)及單元類型

鉆頭與巖石的相關(guān)材料如表1所示。

表1 鉆頭與巖石材料相關(guān)參數(shù)

鉆頭考慮為彈性體，巖石采用的塑性模型為摩爾庫倫模型。采用材料剪切損傷失效準(zhǔn)則，并結(jié)合單元?jiǎng)h除的方法來實(shí)現(xiàn)切屑與巖石的分離[7-8]。

鉆頭單元是四結(jié)點(diǎn)熱耦合四面體單元。巖石采用的是六面體網(wǎng)格，對(duì)系統(tǒng)接觸區(qū)的網(wǎng)格加密處理，八結(jié)點(diǎn)熱耦合六面體單元。

2.3 邊界條件及接觸分析

模型邊界條件如下。

應(yīng)力邊界：鉆頭端面20KN的鉆壓和脈沖力，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為20r/min。

溫度邊界：井下溫度梯度為0.02℃/m，3000m井深條件下的溫度為86℃。

位移邊界：巖石底面及其四周完全位移約束。

時(shí)間邊界：仿真時(shí)間為0.01s，以分析單次鉆頭沖擊破巖過程的生熱和傳熱問題。

鉆頭與巖石的接觸屬于非線性問題，鉆頭與巖石的切削摩擦行為用庫倫摩擦公式表示：

τc=min(μp,τmax)

(2)

其中τc為臨界剪切力；μ為滑動(dòng)摩擦因數(shù)；p為法向接觸壓強(qiáng)；τmax為摩擦應(yīng)力極限，在數(shù)值計(jì)算過程中，使用罰摩擦公式在粘結(jié)與滑移狀態(tài)控制收斂問題，而滑動(dòng)摩擦因數(shù)是罰摩擦公式切向行為給定的參數(shù)。

3 有限元結(jié)果分析

3.1 中心齒溫度場(chǎng)時(shí)程分析

圖2 鉆齒各時(shí)刻溫度示意圖

圖2是鉆齒各時(shí)刻溫度場(chǎng)云圖。由圖2可知，當(dāng)鉆齒沖擊巖石，此刻的升溫主要是依靠鉆齒的沖壓巖石變形擠壓形成的升溫，溫度較小。而隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)切削巖石，鉆齒在侵入巖石后與擠壓變形后的巖石形成新的摩擦面，在沖壓剪切變形升溫的基礎(chǔ)上進(jìn)而繼續(xù)摩擦升溫，鉆齒的溫度有較大的提升。隨著鉆頭的侵入力下降，鉆頭出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，鉆頭與巖石分離期間，由于熱傳導(dǎo)作用，鉆齒溫度逐漸的擴(kuò)散，溫度大幅下降。

3.2 鉆齒表面溫度梯度分布分析

圖3為鉆齒二維切面的表面溫度梯度變化圖。從圖3可以明顯看出，鉆齒頂點(diǎn)部位溫度最高，鉆齒圓弧兩側(cè)逐漸降低。由于鉆齒頂部最先接觸巖石，接觸區(qū)域小，造成溫度上升比較集中，隨著鉆齒逐漸的侵入巖石，鉆齒圓弧側(cè)區(qū)域開始慢慢接觸，形成新的接觸面。

圖3 鉆齒表面溫度梯度變化圖

3.3 中心齒與邊齒的溫度分析

圖4是中心齒和邊齒在相同時(shí)刻的溫度場(chǎng)云圖。從圖4中可以看出，中心齒上的溫度幅值和區(qū)域要明顯小于邊齒。由于鉆齒在沖擊侵入巖石后，邊齒處于鉆頭端面的邊緣，其齒的線速度相對(duì)于中心齒大，旋轉(zhuǎn)切削后升溫快，溫度梯度大，造成邊齒溫度大，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力大，更容易導(dǎo)致齒的失效。由此說明，由于鉆齒沖擊旋轉(zhuǎn)線速度不同導(dǎo)致鉆齒溫度和區(qū)域不同。

圖4 中心齒和邊齒的溫度場(chǎng)云圖

3.4 巖石破碎溫度分析

圖5為破碎過程的巖石溫度變化圖，當(dāng)鉆齒侵入巖石時(shí)，由于接觸摩擦產(chǎn)生的溫度大約在118℃，而鉆齒繼續(xù)侵入后，巖石破碎后，切削面和摩擦面增大，巖石摩擦升溫也較大，切削熱溫度最高為134℃。

圖5 巖石溫度云圖

4 結(jié)論

根據(jù)空氣錘鉆頭破巖的實(shí)際工況，建立了鉆頭與巖石互作用模型，分析了鉆齒與巖石的溫度變化規(guī)律，鉆齒溫度主要集中在鉆齒與巖石的接觸區(qū)域，鉆齒溫度變化是升溫和熱擴(kuò)散的過程。

(1)中心齒的溫度小于邊齒。邊齒相對(duì)大的線速度，增大了切削速度，導(dǎo)致溫度梯度大，造成邊齒產(chǎn)生的熱應(yīng)力大，從而使得邊齒易失效。

(2)鉆齒中心部位與巖石緊密摩擦，切削溫度最高可達(dá)170℃，沿著鉆齒弧形逐漸降低，而巖石破碎最高溫度可達(dá)134℃。