空氣錘鉆頭破巖熱固耦合數值分析

曾其科 ，黃志強

(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 機電工程學院，四川 成都 610500)

空氣鉆井技術憑借其鉆進機械鉆速高、儲層保護好，能進行隨鉆評價的優勢，在硬質地層地區有比較廣泛的應用[1]，但是在利用空氣鉆井實現破巖成孔時，出現了井下燃爆的問題，不能有效的發揮出空氣鉆井的優勢，嚴重限制了空氣鉆井的應用和推廣[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。鉆頭破巖熱力學分析的一個重要研究內容就是關于鉆齒、巖石和巖屑的傳熱及溫度場分布。由于切削破巖中的高度非線性和溫度場之間復雜的耦合作用，對于切削巖石的熱研究仍然是不夠的深入研究，同時，鉆頭溫度變化規律，對全面探索鉆頭破損機理和提高鉆頭使用壽命有很強的實用價值。

1 鉆頭-巖石系統的生熱傳熱分析

鉆頭的溫度與巖石及其切屑密切相關，為準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、巖屑以及鉆井循環介質看成一個封閉的熱力學系統，熱量的傳遞只發生在這四者之間[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：鉆齒侵入和切削巖體時會產生剪切變形熱；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、鉆頭與循環介質、巖屑與循環介質，可以表述為公式1的平衡方程。

Q=Q牙齒+Q巖石Q巖屑Q循環介質

(1)

2 空氣錘破巖溫度場有限元模型

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，對稱布置120°的切削結構和水力結構，底面結構為三翼面，鉆齒采用的球形齒，齒半徑為10mm，考慮鉆頭的三個噴嘴及排屑槽，忽略鉆頭邊緣的小排屑槽，以及鉆頭打撈環及其以上部分結構。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格模型

2.2 材料參數及單元類型

鉆頭與巖石的相關材料如表1所示。

表1 鉆頭與巖石材料相關參數

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則，并結合單元刪除的方法來實現切屑與巖石的分離[7-8]。

鉆頭單元是四結點熱耦合四面體單元。巖石采用的是六面體網格，對系統接觸區的網格加密處理，八結點熱耦合六面體單元。

2.3 邊界條件及接觸分析

模型邊界條件如下。

應力邊界：鉆頭端面20KN的鉆壓和脈沖力，轉動速度為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。

時間邊界：仿真時間為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為滑動摩擦因數；p為法向接觸壓強；τmax為摩擦應力極限，在數值計算過程中，使用罰摩擦公式在粘結與滑移狀態控制收斂問題，而滑動摩擦因數是罰摩擦公式切向行為給定的參數。

3 有限元結果分析

3.1 中心齒溫度場時程分析

圖2 鉆齒各時刻溫度示意圖

圖2是鉆齒各時刻溫度場云圖。由圖2可知，當鉆齒沖擊巖石，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上進而繼續摩擦升溫，鉆齒的溫度有較大的提升。隨著鉆頭的侵入力下降，鉆頭出現回彈現象，鉆頭與巖石分離期間，由于熱傳導作用，鉆齒溫度逐漸的擴散，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，鉆齒頂點部位溫度最高，鉆齒圓弧兩側逐漸降低。由于鉆齒頂部最先接觸巖石，接觸區域小，造成溫度上升比較集中，隨著鉆齒逐漸的侵入巖石，鉆齒圓弧側區域開始慢慢接觸，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刻的溫度場云圖。從圖4中可以看出，中心齒上的溫度幅值和區域要明顯小于邊齒。由于鉆齒在沖擊侵入巖石后，邊齒處于鉆頭端面的邊緣，其齒的線速度相對于中心齒大，旋轉切削后升溫快，溫度梯度大，造成邊齒溫度大，由此產生的熱應力大，更容易導致齒的失效。由此說明，由于鉆齒沖擊旋轉線速度不同導致鉆齒溫度和區域不同。

圖4 中心齒和邊齒的溫度場云圖

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，當鉆齒侵入巖石時，由于接觸摩擦產生的溫度大約在118℃，而鉆齒繼續侵入后，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 結論

根據空氣錘鉆頭破巖的實際工況，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律，鉆齒溫度主要集中在鉆齒與巖石的接觸區域，鉆齒溫度變化是升溫和熱擴散的過程。

(1)中心齒的溫度小于邊齒。邊齒相對大的線速度，增大了切削速度，導致溫度梯度大，造成邊齒產生的熱應力大，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170℃，沿著鉆齒弧形逐漸降低，而巖石破碎最高溫度可達134℃。