牙轮钻头与岩石互作用下系统纵向振动研究

摘要

在钻井过程中，牙轮钻头的工作性能直接影响钻井工作效率、钻井质量和钻井成本.钻柱的纵向振动是一种危害最明显、发生频率最频繁的振动形式，钻柱纵向振动通常使钻压不能均匀的加在钻头上而导致钻头跳离井底产生冲击载荷，使钻头轴承和牙齿过早破坏，影响了钻头的使用寿命和机械钻速。因此开展对牙轮钻头动力学特性的研究具有十分重要的理论意义和工程实用价值。 本文对实际钻井过程中钻头在钻压下与岩石碰撞的破岩机理进行了探讨，在研究牙轮钻头几何学和运动学的基础上，将钻头视为弹性体，岩石视为各项异性塑脆性体，采用Drucker-Prager弹塑性模型来定义岩石的本构关系，建立了牙轮钻头与岩石互作用下系统纵向振动分析模型，讨论了纵向振动模型的数值求解方法。在引入接触边界条件和接触判定条件的情况下，利用ABAQUS软件对某具体牙轮钻头楔形齿冲击碰撞破岩进行了有限元仿真。预测钻头与岩石碰撞时撞击力大小，钻头的纵向振动速度、加速度，钻头牙齿与岩石碰撞的恢复系数；对接触碰撞过程中破碎坑进行了研究，根据岩石应力应变关系研究破碎坑模型，提出不同的牙齿和岩石，其破碎坑的形状特点和体积存在较大差异，提出了使破岩效率最优的最优齿间距模型，对了解钻头的运动规律、工作性能以及掌握井底岩石状态上具有一定理论意义和使用价值。