井下破巖過程計算機仿真分析

實際油井、氣井開采時，在幾千米的井下進行破巖是一件看不見、摸不著的過程，由于井壁有直井、斜井、分支井、水平井等多種形式，且巖層多種多樣，導致了研發工程師們需要為不同的油氣井類型制定不同的開采方案，并研制多種多樣的開采工具。一般來講，最常見的是旋進式鉆井過程，巖石在鉆頭的旋轉切割作用下被粉碎，然后在鉆井液的攜帶作用下被運送至數千米以上的地面。

今天以一種典型的井下造穴刀具為例，和大家探討破巖工具在破巖過程中的受力分析和優化的過程。

這個結構很簡單，刀柄與刀頭通過銷軸連接，不過內部有通道，從刀柄一直到刀頭的端部，是走泥漿或水的。初步鉆井完成后，采用此工具將指定部位直徑擴大，形成洞穴。

工具下井后，在水力反推作用下，刀頭折疊抵住井壁，刀柄旋轉，則刀頭部位的金剛石顆粒對井壁巖石開始切割，可以將直筒形狀的井壁切出一個很大的直徑，這種刀具適用于比較軟的巖層。

 

ABAQUS中提供了多種材料失效模式，我們根據巖石的材料特性定義材料模型，

由于切割過程中巖石不多脫落，刀頭與周邊巖石的表面及內部的任何部位都有可能接觸，因此需要定義整體模型的接觸關系：

計算時采用顯式分析方法，對刀柄施加一定的下壓力和轉速，便實現了刀具的旋轉和切割：

根據刀具的受力分布對刀具進行結構優化：

根據刀具表面的磨損情況在刀具表面焊接防磨涂層：

通過計算機仿真分析可以完成的工作有：

1、  判斷刀具的主要磨損區域，從而在磨損區域焊接抗磨材料，提高工具壽命；

2、  得到各零部件受力情況，從而控制井上鉆壓及轉盤扭矩，避免產生斷裂事故或塑變問題，因為工具斷裂是小事，但是打撈不上來廢掉的是一口井，是大事故；

3、  對刀具進行結構優化

此方法還可以解決沖擊、金屬切削、巖土爆破等工程問題。

文章轉載自微信公眾號SmartFEA   歡迎關注微信公眾號