PDC鉆頭冠部結構特征參數力學分析

徐建飛

(中國石油大學(華東)機電總廠，山東東營 257061)

PDC鉆頭在定向井作業中，常出現初始造斜困難、方位不穩、鉆頭偏移趨勢增加、鉆頭進尺緩慢等現象。在影響PDC鉆頭定向鉆進能力的因素中，鉆頭自身的結構特點尤為重要［1］。研究PDC鉆頭不同的結構參數對定向鉆進的影響，可以為定向井PDC鉆頭的設計提供依據，讓PDC鉆頭在定向鉆進中發揮出更大的優勢，提高定向鉆井速度，降低鉆井成本。研究的重點是PDC鉆頭本身的結構特性及其受力的影響。例如不同的冠部形狀的導向性不同，和巖石作用時應力大小分布也不同，適用地層條件也不一樣。不同外徑的特征參數也對導向性、鉆頭受力以及水力清洗效果產生不同的影響。如果用理論分析法對這些結構特征參數進行分析則顯得很困難，結果也不一定準確。隨著各種力學軟件的的廣泛應用和發展，數值模擬成為一種比較好的輔助設計分析方法。有限元法作為一種有效的力學分析手段，可求解結構形狀和邊界條件都相當復雜的力學問題。應用有限元法能夠對PDC鉆頭結構特征參數進行分析，可以得出有意義的結論和建議，這無疑對PDC鉆頭的設計和改進具有重要意義。本文主要利用有限元分析軟件ANSYS對不同的PDC鉆頭剖面標準進行分析［2］，研究其受力特點，提出針對定向井的冠部形狀優化設計建議。

1 模型的選擇與建立

本文所涉及的鉆頭冠部形狀都為“直線－圓弧－圓弧”型。“直線－圓弧－圓弧”型剖面曲線是傳統PDC鉆頭設計最常用的剖面形狀［3］，由一條直線段和兩段圓弧組成，剖內錐部分的直線段與冠頂位置的內圓弧段相切，內圓弧段和外圓弧段相切，外圓弧曲線段和冠部外徑處的垂線相切，如圖1所示。

本文主要研究內錐和外錐的長短變化對鉆頭冠部受力的影響。設計了二組實驗，一組是在外錐高度一定的情況下，內錐的變化對冠部受力的影響;另一組是內錐高度一定的情況下，外錐的變化對冠部受力的影響。實驗數據見表1。

表1 實驗參數表

建立鉆頭冠部模型，其二維視圖見圖2。鉆頭模型為金剛石材料，彈性模量為9×1011Pa，泊松比為0.1。巖石的彈性模量為6.8×109Pa，泊松比為0.4，巖石的內聚力為100 kPa，內摩擦角為30°。鉆頭和巖石間的摩擦系數為 0.1。

忽略井底的圍壓，也不考慮鉆井液的影響。鉆頭和井壁的接觸面為自由面，鉆頭和井底的接觸是緊密結合的，通過施加載荷計算冠部和巖石的相互作用特性。

2 計算結果分析

2.1 內錐影響結果分析

第一組的1、2、3、4號模型和巖石相互作用，沿著鉆頭冠部形狀巖石的應力分布見圖3。

從圖3可以看出，巖石應力的最大值出現在冠頂附近，沿著內錐方向和外錐方向，應力值逐漸減小。2號模型和3號模型的曲線形狀差不多，冠頂部位巖石最大應力值幾乎相等。1號模型巖石冠頂部位受力不平穩，應力的平均值小于2號和3號巖石冠頂的最大應力值，內錐部分受力很小。4號巖石冠頂應力最大值也小于2號和3號。在其它參數一定情況下，內錐部分隨著冠部內錐高度的降低，巖石所受應力逐漸增大。

第一組的1、2、3、4號模型和巖石相互作用，沿著鉆頭冠部形狀鉆頭的應力分布見圖4。

從圖4可以看出，內錐高度越高，鉆頭冠部的受力情況越復雜。在內錐的頂點，容易出現應力集中的情況。1號鉆頭模型受力情況非常復雜，在很多點應力變化梯度都很大，鉆頭冠部應力分布不均勻。2、3、4號的應力分布都比較均勻。總體來說，1、2、3、4號鉆頭冠部的應力值范圍變化不大，都在3.5 MPa之內。

2.2 外錐影響結果分析

第二組的5、6、7號模型和巖石相互作用，沿著鉆頭冠部形狀巖石的應力分布如圖5所示。

從圖5可以看出，7號巖石受力主要集中在冠頂附近，在內錐部位和外錐部位巖石受力較少。5號和6號巖石在外錐部分所受應力差不多。從5號巖石模型可以看出，雖然外錐部分較長，但是越靠近外錐頂端，巖石所受應力很小，鉆頭不能很有效切削巖石，容易造成切削齒不能充分利用。內錐高度一定的情況下，隨著冠部外錐高度的降低，巖石所受應力逐漸增大。

第二組的5、6、7號模型和巖石相互作用，沿著鉆頭冠部形狀鉆頭的應力分布如圖6所示。

從圖6可以看出，5號和6號鉆頭冠部應力分布比較均勻，應力最大值也不超過4 MPa。但7號鉆頭的冠部應力集中現象嚴重。

3 結論

在外錐高度一定的情況下，外錐高度為鉆頭直徑的1/5左右(中度外錐)時，內錐高度為鉆頭直徑的1/5(中度內錐)和鉆頭的直徑的1/8(中淺內錐)時，鉆壓能有效傳遞到巖石上，能有效破碎巖石，鉆頭冠部受力均勻，不會出現應力集中現象。在內錐高度一定的情況下，內錐高度為鉆頭直徑的1/5左右(中度內錐)時，外錐高度為鉆頭直徑的2/5(長外錐)時，比中外錐的效果好不了多少。外錐高度為鉆頭直徑的1/10左右(淺外錐)時，巖石受力主要集中在冠頂附近，在內錐部位和外錐部位巖石受力較少，且鉆頭冠部應力集中現象較明顯。兩組實驗結論可以在實際中作為鉆頭冠部曲線設計的依據。

［1］ 鄒德永.刀翼式PDC鉆頭結構及布齒優化設計研究［D］.東營:中國石油大學(華東)，2004.

［2］ 李樹盛，蔡鏡侖.PDC鉆頭冠部設計的原理與方法［J］.石油機械，1998，26(3):1－3.

［3］ 彭燁，王福修.鉆頭冠部形狀設計模式［J］.石油鉆探技術，1996，24(4):38－39，47－48.