破巖仿真的案例
井下破巖過程計算機仿真分析
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。
展開 PDC多齒破巖仿真
利用RP-1參考點沿X軸正向的運動來帶動兩個PDC切削齒的破巖運動，其速度大小設置為2000mm/s。
(3) 溫度邊界條件
PDC切削齒在破巖之前，巖石和PDC齒均有一定溫度，通常與室外環境溫度相近，本文將其設置為25℃。分別建立切削齒和巖石的節點集合，并設置其初始溫度場數值為25℃，如圖#所示。
1.4 PDC切削齒和巖石接觸設置
在破巖過程中，PDC切削齒底端部分與巖石上表面發生了接觸，在力的作用下，巖石上表面部分區域被切除，實現了材料去除過程。故在此過程中，需設置巖石和PDC切削齒的相互接觸區域，如圖#所示。本文創建了兩個PDC切削齒的表面集合和巖石上表面被加工區域節點集合，并將前者設為第一接觸表面，后者設置為第二接觸節點。此外，需設置二者的接觸屬性，由于切削齒在與巖屑相互作用會產生接觸應力和摩擦應力，故設置法向行為選擇“硬接觸”，切向行為選擇“罰摩擦接觸”，并設置摩擦系數為0.3。
二、有限元仿真結果與分析
2.1 應力場分析
PDC切削齒破巖過程中不同時刻下巖石的應力場如圖#所示。由圖可知，破巖過程中的應力最大區域集中在切削齒前方待加工區域，數值大約為27MPa左右，在巖石切削深度方向有11MPa左右的應力集中現象，且應力產生范圍沿切深方向可達20mm左右。在巖石的上表面，由于PDC切削齒存在側轉角，被切削材料沿垂直于切削齒齒面方向移動，故導致了切削齒兩側的應力產生范圍并不對稱。
由圖#(c)可知，此時加工時間t=0.0225s，當切削齒即將切出巖石表面時，在巖石的切出端沿切深方向有較大的應力集中現象，數值大約為20MPa左右。當PDC切削齒切出巖石表面時，如圖#(d)所示，巖石加工區域附近有殘余應力存在，數值大約為10MPa左右。
展開 剛性/彈性刀具工進旋轉切削、滾刀破巖仿真 ￥10
針對室內試驗研究盤形滾刀破巖過程的成本高、周期長、不便于重復性教學演示的問題，可采用數值試驗方法作為輔助或替代，用于揭示滾刀破巖機制、優化滾刀結構和切削參數。
在LS-DYNA中，常把滾刀模型整體作為剛性材料，采用MAT_RIGID進行材料參數的定義，對于剛性材料，可以通過關鍵字BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID來實現滾刀的強制位移和轉動設置。在輸出設置中，可以通過二進制文件DATABASE_ASCII_option來輸出滾刀的接觸力。該方法可實現穩定計算，計算時間較少，但不能觀察到滾刀材料的受力云圖。
將滾刀定義為剛度較大的彈塑性材料時，可以觀察到刀面及軸的受力云圖，但無法實現強制性轉動及位移，因此，可通過定義剛性殼的柔性接觸來完成這一步操作。
展開 超聲波振動破巖仿真分析
超聲波振動破巖仿真分析
LS-DYNA MPP并行計算性能優化【6月20直播】
仿真服務、Ansys 2025R1系列往期錄播免費領取，更多資料，掃碼添加技術鄰客服詳細咨詢~
（??添加客服回復【ANR1】了解更多??）
●基于Ansys Workbench Ls-dyna模擬蹦床上球體的彈跳過程案例講解（含模型文件）
●采用SPH法進行Ls-dyna水射流破巖仿真分析案例講解（附K文件）
基于Ls-Dyna的電池包密封圈壓縮仿真【11月26日直播】
（??添加客服領取報名福利??）
更多福利、行業內精彩直播、研討會，添加技術鄰客服，及時獲取~
如您需要仿真服務、對認證感興趣，有任何問題，也可聯系技術鄰客服詳細咨詢~
往期推薦
采用SPH法進行Ls-dyna水射流破巖仿真分析案例講解（附K文件）
基于Ansys Workbench Ls-dyna模擬蹦床上球體的彈跳過程案例講解（含模型文件）
基于Ls-dyna的水下遠場爆炸結構毀傷工程算法分析（含K文件及視頻講解）
ABAQUS在土體取樣方面的實例材料
在鉆井取樣工程領域幾個應用
基于ABAQUS的重力活塞取樣器理論分析與研究_英文_.pdf
取樣鉆頭在水合物巖層中破巖溫度場仿真模擬.pdf
天然氣水合物地層PCS取樣擾動有限元仿真分析.pdf
水平定向鉆回拖速度對孔壁穩定性的影響.pdf
