凸包型仿生耦合金剛石鉆頭模擬分析

王建強(qiáng)，李國(guó)民，湯小仁，簡(jiǎn)崇林

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京100083;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉科學(xué)鉆探國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京100083;3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000）

凸包型仿生耦合金剛石鉆頭模擬分析

王建強(qiáng)1，2，李國(guó)民1，2，湯小仁3，簡(jiǎn)崇林1

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京100083;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉科學(xué)鉆探國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京100083;3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000）

研究發(fā)現(xiàn)仿生耦合鉆頭較普通鉆頭鉆進(jìn)時(shí)效提高很多。仿生耦合鉆頭一方面能使鉆頭唇面有較高的比壓;另一方面能使鉆頭具有很好的冷卻效果，因此在鉆探工程中有很好的應(yīng)用前景。應(yīng)用數(shù)值模擬軟件ansys，模擬分析了凸包型非光滑表面對(duì)金剛石鉆頭性能的影響。對(duì)比分析了4種不同非光滑度狀況下，鉆頭在一定的鉆壓作用下在巖石表面產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦的過(guò)程。主要分析了該過(guò)程中巖層的等效應(yīng)力、鉆頭底唇面的接觸摩擦應(yīng)力和接觸壓力的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，凸包型非光滑表面在一定程度上可以提高鉆頭的使用壽命和鉆進(jìn)效率。

仿生學(xué);非光滑;凸包;金剛石鉆頭;模擬分析

0 引言

隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源尤其是油氣資源供需問(wèn)題日益嚴(yán)峻。勘探開發(fā)逐漸向深層拓展，所鉆地層越來(lái)越復(fù)雜，常規(guī)的鉆頭在鉆進(jìn)該類地層常表現(xiàn)出壽命短，鉆進(jìn)效率低，很難達(dá)到要求。因此急需要設(shè)計(jì)一種適應(yīng)該類地層的鉆頭，仿生金剛石鉆頭便由此產(chǎn)生。它將仿生學(xué)中的非光滑理論應(yīng)用到鉆頭設(shè)計(jì)上。仿生學(xué)是生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)有機(jī)結(jié)合而產(chǎn)生的一門重要的新興邊緣性學(xué)科，仿生技術(shù)被認(rèn)為是原始科技創(chuàng)新的不竭動(dòng)力和源泉，是發(fā)展高新技術(shù)的重要手段［1］。研究發(fā)現(xiàn)生物非光滑表面不僅具有良好的減少粘附、降低阻力的功能，而且具有非常高的耐磨性能和再生功能［2］。并且這些特性隨著非光滑表面特征的不同而不同，其中耐磨性按照凹坑、凸包、波紋、鱗片形態(tài)遞減［3］。因此仿造生物體表的特性，將仿生非光滑理論應(yīng)用到鉆頭的設(shè)計(jì)上，來(lái)解決鉆頭的壽命短、鉆進(jìn)效率低以及鉆頭泥包等鉆進(jìn)難題，將是一種新的嘗試。

目前有不少學(xué)者在此方面作了大量的研究。如高科［4，5］系統(tǒng)地分析了非光滑表面減阻、防粘和耐磨的特性，并研制出仿生金剛石鉆頭。試驗(yàn)結(jié)果表明，仿生鉆頭較普通鉆頭鉆速提高44%、使用壽命增加74%。發(fā)現(xiàn)非光滑度及非光滑表面材料性能與所鉆地層是否相適應(yīng)對(duì)非光滑表面耐磨性能能否發(fā)揮有很大的影響。徐良［6］研制出新型的仿生孕鑲金剛石鉆頭，大大地提高了鉆進(jìn)時(shí)效，并分析了仿生孕鑲金剛石鉆頭碎巖機(jī)理，得出仿生非光滑表面一方面使得鉆頭唇面的比壓增加，有利于鉆頭的銳化，從而提高了時(shí)效;另一方面非光滑表面改善了鉆頭和巖石的冷卻條件。王再宙［7］運(yùn)用激光處理技術(shù)，生成凸包型非光滑表面，采用試驗(yàn)優(yōu)化技術(shù)中的均勻設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了影響凸包型非光滑表面耐磨性的多因素復(fù)雜試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)速度、負(fù)荷、時(shí)間和凸包圓周方向的距離對(duì)耐磨性有顯著影響，凸包軸向的距離對(duì)耐磨性影響不大。然而該領(lǐng)域尚處于起步階段，還有許多問(wèn)題亟待解決，如非光滑結(jié)構(gòu)各個(gè)參數(shù)對(duì)鉆頭性能的影響以及不同形式的非光滑表面對(duì)鉆頭性能影響的機(jī)理等。

本文用數(shù)值模擬軟件模擬分析了在常規(guī)的金剛石鉆頭設(shè)計(jì)中加入凸包型非光滑表面對(duì)鉆頭性能的影響。分析發(fā)現(xiàn)，凸包型仿生非光滑結(jié)構(gòu)應(yīng)用到鉆頭的設(shè)計(jì)中能夠提高鉆頭的碎巖效率和使用壽命。本文的結(jié)論可以為鉆頭的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬有限元模型

1.1 計(jì)算模型的簡(jiǎn)化

考慮到計(jì)算時(shí)間的因素，本文取鉆頭底唇面上某一區(qū)域?yàn)槟M對(duì)象，區(qū)域尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，取一40 mm×10 mm×10 mm的矩形塊代表所模擬的花崗巖地層。鉆頭在一定鉆壓下在矩形塊表面產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦。本次模擬選擇固定的凸包半徑為1 mm，采用均勻排列的方式，分析不同凸包個(gè)數(shù)條件下，仿生耦合表面形態(tài)對(duì)鉆頭性能的影響，目的是為了獲得最優(yōu)的非光滑度。非光滑度可以定義為所有凸包在底面上的投影面積之和占整個(gè)底面積的比例。本文選擇固定的凸包半徑（1 mm），那么非光滑度就只與凸包的個(gè)數(shù)有關(guān)，建立的凸包型仿生耦合表面形態(tài)模型參數(shù)如表1所示。

表1 凸包型仿生耦合表面形態(tài)模型參數(shù)

1.2 材料模型

鉆頭材料取鎢鈷合金材料，地層取花崗巖地層，具體參數(shù)［8］如表2所示。

表2 模擬鉆頭和地層參數(shù)

1.3 接觸算法及網(wǎng)格劃分

本文采用面與面的接觸算法，選取大矩形塊的上表面為目標(biāo)面，小矩形塊的底面為接觸面，并采用SOLID45和SOLID65兩種實(shí)體單元以及TARGE170目標(biāo)單元和CONTA174接觸單元。為了提高收斂性，設(shè)置接觸剛度為1.0，選取 NEWTON-RAPHSON平衡迭代選項(xiàng)，并打開非線性大變形效應(yīng)和自動(dòng)時(shí)間來(lái)幫助收斂。網(wǎng)格劃分采用四面體自由網(wǎng)格劃分，出于對(duì)計(jì)算精度的考慮，凸包處采用加密網(wǎng)格劃分。圖1為非光滑度為16%的網(wǎng)格劃分圖。

圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

2 仿真結(jié)果與分析

在鉆進(jìn)過(guò)程中影響鉆頭碎巖效率和鉆頭使用壽命的因素有等效應(yīng)力、接觸壓力和接觸摩擦應(yīng)力。等效應(yīng)力和接觸壓力可以判斷鉆頭碎巖效率;接觸摩擦應(yīng)力可以判斷鉆頭的耐磨性。本文通過(guò)模擬，對(duì)比分析了4種不同非光滑度狀況下，這些因素的變化規(guī)律，以及對(duì)鉆頭性能的影響，得出以下結(jié)論。

2.1 巖層的等效應(yīng)力分析

在鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭的底面形狀對(duì)鉆進(jìn)效率有很大的影響，關(guān)于不同形狀壓頭侵入巖石時(shí)的單位體積破碎功問(wèn)題，許多學(xué)者進(jìn)行過(guò)研究，得到了基本一致的結(jié)論:平端壓頭比尖銳的壓頭單位體積破碎功小，刃頂鈍的壓頭比刃頂銳的壓頭單位體積破碎功小。本文采用半球型凸包模擬鉆頭在孔底碎巖情況，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著非光滑度的增加，巖層所受的等效應(yīng)力在減小，而巖層所受等效應(yīng)力作用面積在增大。從巖石的等效應(yīng)力云圖（圖2）可以明顯地看出，整個(gè)巖層在鉆頭的作用下可以分為以下3個(gè)區(qū)域:破損區(qū)、損傷區(qū)和無(wú)損傷區(qū)。隨著非光滑度的增加，破損區(qū)和損傷區(qū)的面積在擴(kuò)大，當(dāng)非光滑度達(dá)到16%時(shí)，損傷區(qū)基本上聯(lián)通，利于巖石的破碎;且隨著非光滑度的增加，在巖石內(nèi)部也出現(xiàn)了應(yīng)力的變化，并且隨著非光滑度的增加，應(yīng)力變化區(qū)域在不斷擴(kuò)大，這樣在鉆頭的循環(huán)摩擦碎巖的作用下，會(huì)使巖石內(nèi)部出現(xiàn)疲勞損傷，在一定程度上可以降低巖石的強(qiáng)度，利于鉆頭碎巖。但也可以看出不能一味地增加非光滑度，當(dāng)非光滑度達(dá)到一定值時(shí)，鉆頭與巖層接觸面都進(jìn)入損傷區(qū)并且會(huì)出現(xiàn)重疊，這會(huì)造成重復(fù)碎巖，增大能量消耗，降低鉆進(jìn)時(shí)效;同時(shí)當(dāng)非光滑度過(guò)大時(shí)，會(huì)使巖石所受的等效應(yīng)力降低，以至低于巖石的抗壓強(qiáng)度，也是不利破碎巖石的。

圖2 巖層Mises應(yīng)力云圖

2.2 鉆頭底唇的接觸摩擦應(yīng)力分析

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)鉆頭磨損起決定性作用的是摩擦功率，在相同的時(shí)間內(nèi)，決定性因素可以轉(zhuǎn)化成摩擦功。摩擦功越大，對(duì)鉆頭的磨損就越嚴(yán)重;摩擦功越小，鉆頭的壽命越長(zhǎng)［9］。而對(duì)于固定底面積的試塊，摩擦功與摩擦力成正比，因此鉆頭的磨損程度可以由摩擦力來(lái)體現(xiàn)。通過(guò)曲線圖3可以看出，在相同非光滑度條件下，鉆頭底唇接觸摩擦應(yīng)力隨時(shí)間變化比較小，是一條平滑水平線，這是由于該模擬只考慮了鉆頭在孔壁平穩(wěn)摩擦碎巖，沒有考慮切削碎巖對(duì)鉆頭產(chǎn)生的震動(dòng)，對(duì)模擬計(jì)算精度有一定的影響，但摩擦應(yīng)力在鉆進(jìn)過(guò)程中的總體發(fā)展趨勢(shì)是符合實(shí)際的;隨著非光滑度的增加，接觸摩擦應(yīng)力在減小，說(shuō)明隨著非光滑度的增加，鉆頭的耐磨性在增加，鉆頭的壽命越長(zhǎng)，即提高鉆頭唇面非光滑度可以提高鉆頭的使用壽命。

圖3 接觸摩擦應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線圖

2.3 鉆頭底唇的接觸壓力分析

接觸壓力可以衡量鉆頭碎巖效率，接觸壓力越大，作用在巖石表面的壓力也就越大，當(dāng)其值大于巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)，巖石就會(huì)產(chǎn)生屈服破壞，形成破碎坑，并在鉆頭回轉(zhuǎn)扭矩的作用下，被切削掉，從而實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)進(jìn)尺。通過(guò)曲線圖4可以看出，隨著非光滑度的增加，鉆頭底唇的接觸壓力在減小，這對(duì)于破碎巖石是不利的。這主要是由于隨著非光滑度的增加，鉆頭底唇與巖石接觸面積增大，使得單位面積上的比壓在減小。

3 結(jié)論

利用大型通用數(shù)值分析軟件ansys對(duì)凸包型非光滑表面金剛石鉆頭在孔底滑動(dòng)摩擦碎巖的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。從得出的結(jié)果分析，非光滑度對(duì)鉆頭的使用壽命和碎巖效率有很大的影響。隨著非光滑度的增加，鉆頭唇面上比壓降低，不利用破碎巖石，但可以提高鉆頭的耐磨性。所以在設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)一定要選擇一個(gè)最優(yōu)的非光滑度，在提高鉆頭耐磨性的同時(shí)還能滿足高效碎巖的要求。

圖4 接觸壓力隨時(shí)間變化曲線圖

［1］ D.S.哈拉西.仿生學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，1975.

［2］ 任露泉，楊卓娟，韓志武.生物非光滑耐磨表面仿生應(yīng)用研究展望［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36（7）.

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［4］ 高科，孫友宏，高潤(rùn)峰，等.仿生非光滑理論在鉆井工程中的應(yīng)用與前景［J］.石油勘探與開發(fā)，2009，36（4）:519-522.

［5］ Ke Gao，You-hong Sun，Lu-quan Ren，et al.Design and Analysis of Ternary Coupling Bionic Bits［J］.Journal of Bionic Engineering Suppl，2008，（5）:53-59.

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［9］ А.И.斯彼瓦克，А.Н.波波夫.鉆井巖石破碎學(xué)［M］.吳光琳，張祖培，譯.北京:地質(zhì)出版社，1983.

Simulation Analysis on Bionic Coupling Diamond Bit with Convex Domes

WANG Jian-qiang1，2，LI Guo-min1，2，TANG Xiao-ren3，JIAN Chong-lin1（1.School of Engineering and Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.National Lab on Scientific Drilling，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;3.The Institute of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000，China）

It was found that bionic coupling bits have higher drilling efficiency than ordinary drill bits by study.On the one hand，bionic coupling bits with higher pressure on the bottom lip surface;on the other hand，it improves the cooling condition.So it has a good prospect in drilling engineering.In this paper，the numerical simulation software ansys was used to analyze the impact of the convex and non-smooth surface on the performance of diamond bit.Comparison was made on the process of drill bits sliding friction on the rock surface with certain pressure under 4 different non-smoothness conditions.A-nalysis was made mainly on the variation of rock’s equivalent stress，contact friction stress and contact pressure on the bottom lip surface of bit.The convex and non-smooth surface can increase the service life and drilling efficiency of drill bit.

bionics;non-smooth;convex dome;diamond bit;simulation analysis

P634.4+1

A

1672-7428（2012）01-0077-03

2011-09-13;

2011-11-29

王建強(qiáng)（1985-），男（漢族），陜西延安人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）碩士研究生在讀，地質(zhì)工程專業(yè)，從事地質(zhì)工程數(shù)值模擬及非開挖技術(shù)的學(xué)習(xí)和研究，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院S09，wangjianqiang555@163.com。