PDC钻头冠部结构特征参数力学分析

徐建飞

(中国石油大学(华东)机电总厂，山东东营 257061)

PDC钻头在定向井作业中，常出现初始造斜困难、方位不稳、钻头偏移趋势增加、钻头进尺缓慢等现象。在影响PDC钻头定向钻进能力的因素中，钻头自身的结构特点尤为重要［1］。研究PDC钻头不同的结构参数对定向钻进的影响，可以为定向井PDC钻头的设计提供依据，让PDC钻头在定向钻进中发挥出更大的优势，提高定向钻井速度，降低钻井成本。研究的重点是PDC钻头本身的结构特性及其受力的影响。例如不同的冠部形状的导向性不同，和岩石作用时应力大小分布也不同，适用地层条件也不一样。不同外径的特征参数也对导向性、钻头受力以及水力清洗效果产生不同的影响。如果用理论分析法对这些结构特征参数进行分析则显得很困难，结果也不一定准确。随着各种力学软件的的广泛应用和发展，数值模拟成为一种比较好的辅助设计分析方法。有限元法作为一种有效的力学分析手段，可求解结构形状和边界条件都相当复杂的力学问题。应用有限元法能够对PDC钻头结构特征参数进行分析，可以得出有意义的结论和建议，这无疑对PDC钻头的设计和改进具有重要意义。本文主要利用有限元分析软件ANSYS对不同的PDC钻头剖面标准进行分析［2］，研究其受力特点，提出针对定向井的冠部形状优化设计建议。

1 模型的选择与建立

本文所涉及的钻头冠部形状都为“直线－圆弧－圆弧”型。“直线－圆弧－圆弧”型剖面曲线是传统PDC钻头设计最常用的剖面形状［3］，由一条直线段和两段圆弧组成，剖内锥部分的直线段与冠顶位置的内圆弧段相切，内圆弧段和外圆弧段相切，外圆弧曲线段和冠部外径处的垂线相切，如图1所示。

本文主要研究内锥和外锥的长短变化对钻头冠部受力的影响。设计了二组实验，一组是在外锥高度一定的情况下，内锥的变化对冠部受力的影响;另一组是内锥高度一定的情况下，外锥的变化对冠部受力的影响。实验数据见表1。

表1 实验参数表

建立钻头冠部模型，其二维视图见图2。钻头模型为金刚石材料，弹性模量为9×1011Pa，泊松比为0.1。岩石的弹性模量为6.8×109Pa，泊松比为0.4，岩石的内聚力为100 kPa，内摩擦角为30°。钻头和岩石间的摩擦系数为 0.1。

忽略井底的围压，也不考虑钻井液的影响。钻头和井壁的接触面为自由面，钻头和井底的接触是紧密结合的，通过施加载荷计算冠部和岩石的相互作用特性。

2 计算结果分析

2.1 内锥影响结果分析

第一组的1、2、3、4号模型和岩石相互作用，沿着钻头冠部形状岩石的应力分布见图3。

从图3可以看出，岩石应力的最大值出现在冠顶附近，沿着内锥方向和外锥方向，应力值逐渐减小。2号模型和3号模型的曲线形状差不多，冠顶部位岩石最大应力值几乎相等。1号模型岩石冠顶部位受力不平稳，应力的平均值小于2号和3号岩石冠顶的最大应力值，内锥部分受力很小。4号岩石冠顶应力最大值也小于2号和3号。在其它参数一定情况下，内锥部分随着冠部内锥高度的降低，岩石所受应力逐渐增大。

第一组的1、2、3、4号模型和岩石相互作用，沿着钻头冠部形状钻头的应力分布见图4。

从图4可以看出，内锥高度越高，钻头冠部的受力情况越复杂。在内锥的顶点，容易出现应力集中的情况。1号钻头模型受力情况非常复杂，在很多点应力变化梯度都很大，钻头冠部应力分布不均匀。2、3、4号的应力分布都比较均匀。总体来说，1、2、3、4号钻头冠部的应力值范围变化不大，都在3.5 MPa之内。

2.2 外锥影响结果分析

第二组的5、6、7号模型和岩石相互作用，沿着钻头冠部形状岩石的应力分布如图5所示。

从图5可以看出，7号岩石受力主要集中在冠顶附近，在内锥部位和外锥部位岩石受力较少。5号和6号岩石在外锥部分所受应力差不多。从5号岩石模型可以看出，虽然外锥部分较长，但是越靠近外锥顶端，岩石所受应力很小，钻头不能很有效切削岩石，容易造成切削齿不能充分利用。内锥高度一定的情况下，随着冠部外锥高度的降低，岩石所受应力逐渐增大。

第二组的5、6、7号模型和岩石相互作用，沿着钻头冠部形状钻头的应力分布如图6所示。

从图6可以看出，5号和6号钻头冠部应力分布比较均匀，应力最大值也不超过4 MPa。但7号钻头的冠部应力集中现象严重。

3 结论

在外锥高度一定的情况下，外锥高度为钻头直径的1/5左右(中度外锥)时，内锥高度为钻头直径的1/5(中度内锥)和钻头的直径的1/8(中浅内锥)时，钻压能有效传递到岩石上，能有效破碎岩石，钻头冠部受力均匀，不会出现应力集中现象。在内锥高度一定的情况下，内锥高度为钻头直径的1/5左右(中度内锥)时，外锥高度为钻头直径的2/5(长外锥)时，比中外锥的效果好不了多少。外锥高度为钻头直径的1/10左右(浅外锥)时，岩石受力主要集中在冠顶附近，在内锥部位和外锥部位岩石受力较少，且钻头冠部应力集中现象较明显。两组实验结论可以在实际中作为钻头冠部曲线设计的依据。

［1］ 邹德永.刀翼式PDC钻头结构及布齿优化设计研究［D］.东营:中国石油大学(华东)，2004.

［2］ 李树盛，蔡镜仑.PDC钻头冠部设计的原理与方法［J］.石油机械，1998，26(3):1－3.

［3］ 彭烨，王福修.钻头冠部形状设计模式［J］.石油钻探技术，1996，24(4):38－39，47－48.