空气锤钻头破岩热固耦合数值分析

曾其科 ，黄志强

(1.四川科宏石油天然气工程有限公司，四川 成都 610213；2.西南石油大学 机电工程学院，四川 成都 610500)

空气钻井技术凭借其钻进机械钻速高、储层保护好，能进行随钻评价的优势，在硬质地层地区有比较广泛的应用[1]，但是在利用空气钻井实现破岩成孔时，出现了井下燃爆的问题，不能有效的发挥出空气钻井的优势，严重限制了空气钻井的应用和推广[2]。

井下燃爆影响因素之一是钻头破碎岩石过程中的热问题，分析破岩温度有利于解释井下燃爆问题。钻头破岩热力学分析的一个重要研究内容就是关于钻齿、岩石和岩屑的传热及温度场分布。由于切削破岩中的高度非线性和温度场之间复杂的耦合作用，对于切削岩石的热研究仍然是不够的深入研究，同时，钻头温度变化规律，对全面探索钻头破损机理和提高钻头使用寿命有很强的实用价值。

1 钻头-岩石系统的生热传热分析

钻头的温度与岩石及其切屑密切相关，为准确分析钻头的温度就需要把两者的影响因素予以考虑，分析过程中，将钻头、岩石、岩屑以及钻井循环介质看成一个封闭的热力学系统，热量的传递只发生在这四者之间[3-4]。

空气锤钻头破岩方式是以冲击为主，切削为辅。从能量角度分析，切削力和冲击力都做功，两者都致使钻头温度升高[5-6]。钻头生热的热源主要有两点：钻齿侵入和切削岩体时会产生剪切变形热；岩石与钻头钻齿间的摩擦热。而热能的传递主要存在以下几种形式：钻头与岩石、岩屑与钻头、钻头与循环介质、岩屑与循环介质，可以表述为公式1的平衡方程。

Q=Q牙齿+Q岩石Q岩屑Q循环介质

(1)

2 空气锤破岩温度场有限元模型

2.1 物理模型

岩石采用的立方体，尺寸为400mm×400mm×120mm。钻头采用的是平底钻头，直径为314mm，对称布置120°的切削结构和水力结构，底面结构为三翼面，钻齿采用的球形齿，齿半径为10mm，考虑钻头的三个喷嘴及排屑槽，忽略钻头边缘的小排屑槽，以及钻头打捞环及其以上部分结构。钻头与岩石的模型如图1所示。

图1 空气锤钻头与岩石的物理网格模型

2.2 材料参数及单元类型

钻头与岩石的相关材料如表1所示。

表1 钻头与岩石材料相关参数

钻头考虑为弹性体，岩石采用的塑性模型为摩尔库伦模型。采用材料剪切损伤失效准则，并结合单元删除的方法来实现切屑与岩石的分离[7-8]。

钻头单元是四结点热耦合四面体单元。岩石采用的是六面体网格，对系统接触区的网格加密处理，八结点热耦合六面体单元。

2.3 边界条件及接触分析

模型边界条件如下。

应力边界：钻头端面20KN的钻压和脉冲力，转动速度为20r/min。

温度边界：井下温度梯度为0.02℃/m，3000m井深条件下的温度为86℃。

位移边界：岩石底面及其四周完全位移约束。

时间边界：仿真时间为0.01s，以分析单次钻头冲击破岩过程的生热和传热问题。

钻头与岩石的接触属于非线性问题，钻头与岩石的切削摩擦行为用库伦摩擦公式表示：

τc=min(μp,τmax)

(2)

其中τc为临界剪切力；μ为滑动摩擦因数；p为法向接触压强；τmax为摩擦应力极限，在数值计算过程中，使用罚摩擦公式在粘结与滑移状态控制收敛问题，而滑动摩擦因数是罚摩擦公式切向行为给定的参数。

3 有限元结果分析

3.1 中心齿温度场时程分析

图2 钻齿各时刻温度示意图

图2是钻齿各时刻温度场云图。由图2可知，当钻齿冲击岩石，此刻的升温主要是依靠钻齿的冲压岩石变形挤压形成的升温，温度较小。而随着钻头旋转切削岩石，钻齿在侵入岩石后与挤压变形后的岩石形成新的摩擦面，在冲压剪切变形升温的基础上进而继续摩擦升温，钻齿的温度有较大的提升。随着钻头的侵入力下降，钻头出现回弹现象，钻头与岩石分离期间，由于热传导作用，钻齿温度逐渐的扩散，温度大幅下降。

3.2 钻齿表面温度梯度分布分析

图3为钻齿二维切面的表面温度梯度变化图。从图3可以明显看出，钻齿顶点部位温度最高，钻齿圆弧两侧逐渐降低。由于钻齿顶部最先接触岩石，接触区域小，造成温度上升比较集中，随着钻齿逐渐的侵入岩石，钻齿圆弧侧区域开始慢慢接触，形成新的接触面。

图3 钻齿表面温度梯度变化图

3.3 中心齿与边齿的温度分析

图4是中心齿和边齿在相同时刻的温度场云图。从图4中可以看出，中心齿上的温度幅值和区域要明显小于边齿。由于钻齿在冲击侵入岩石后，边齿处于钻头端面的边缘，其齿的线速度相对于中心齿大，旋转切削后升温快，温度梯度大，造成边齿温度大，由此产生的热应力大，更容易导致齿的失效。由此说明，由于钻齿冲击旋转线速度不同导致钻齿温度和区域不同。

图4 中心齿和边齿的温度场云图

3.4 岩石破碎温度分析

图5为破碎过程的岩石温度变化图，当钻齿侵入岩石时，由于接触摩擦产生的温度大约在118℃，而钻齿继续侵入后，岩石破碎后，切削面和摩擦面增大，岩石摩擦升温也较大，切削热温度最高为134℃。

图5 岩石温度云图

4 结论

根据空气锤钻头破岩的实际工况，建立了钻头与岩石互作用模型，分析了钻齿与岩石的温度变化规律，钻齿温度主要集中在钻齿与岩石的接触区域，钻齿温度变化是升温和热扩散的过程。

(1)中心齿的温度小于边齿。边齿相对大的线速度，增大了切削速度，导致温度梯度大，造成边齿产生的热应力大，从而使得边齿易失效。

(2)钻齿中心部位与岩石紧密摩擦，切削温度最高可达170℃，沿着钻齿弧形逐渐降低，而岩石破碎最高温度可达134℃。