CN110516406B - 基于全旋转指向式导向钻井工具提高破岩效率的方法 - Google Patents
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Abstract
基于全旋转指向式导向钻井工具提高破岩效率的方法，包括以下步骤：步骤一：旋转导向钻进数值模型的建立；步骤二：导向轴指向角的确定；步骤三：不同指向角的有限元仿真模型的建立；步骤四：模拟不同指向角的破岩效果，得出不同指向角大小对岩石破坏的影响规律，从而通过改变导向轴最佳指向角的大小来提高可控弯接头的破岩效率；本发明建立了一种研究基于全旋转指向式导向钻井工具——可控弯接头提高破岩效率的方法，对井下闭环旋转导向钻井系统破岩效率的提高有一定的指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及井下闭环旋转导向钻井技术领域，特别涉及基于全旋转指向式导向钻井工具提高破岩效率的方法，是一种基于全旋转指向式导向钻井工具——可控弯接头提高破岩效率的方法。
背景技术
全旋转指向式导向钻井工具是旋转导向钻井系统的一种。参照图1，现有的一种全旋转指向式导向钻井工具——可控弯接头由旋转外套7、导向轴5、导向机构、导向驱动机构和电子控制系统组成，导向机构主要由内偏心环3和外偏心环2组成，导向驱动机构主要由内偏心环驱动电机4和外偏心驱动电机1组成。在导向钻井过程中，通过改变旋转外套7、外偏心环2和内偏心环4的相对位置，改变导向轴5的空间姿态，实现导向轴的指向角大小的改变，从而使最前端的PDC钻头6定向钻进。因此，在破岩过程中，导向角随着钻井的需要随时可变，导向轴最佳指向角的确定成为了导向钻井系统提高破岩效率的关键。许多科研机构基于旋转导向钻井系统对提高破岩效率的方法讨论还比较少，这对智能旋转导向钻井工具的研究存在一定的缺陷。
发明内容
为了克服现有技术方案的缺陷，对提高旋转导向钻井工具的破岩效率进行深入研究，本发明的目的在于提供一种基于全旋转指向式导向钻井工具提高破岩效率的方法，在破岩体积一定的条件下，通过改变导向轴5指向角的大小来提高全旋转指向式导向钻具破岩效率，为井下闭环旋转导向钻井系统的破岩，尤其是全旋转指向式导向钻井工具——可控弯接头破岩效率的提高提供一定的理论指导。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
基于全旋转指向式导向钻井工具提高破岩效率的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：建立导向钻进数值模型
(1)几何模型的建立
首先，利用SolidWorks软件建立PDC钻头主切削齿整体几何模型；然后，在非线性有限元软件ABAQUS中直接建立岩石几何模型；
(2)几何模型的网格化处理
将PDC钻头主切削齿整体几何模型导入非线性有限元软件ABAQUS中，采用10节点四面体单元(C3D10M)自由网格划分；岩石几何模型采用8节点缩减积分单元(C3D8R)扫掠网格划分技术，沙漏控制，将岩石划分成中心密集、周围疏松的网格单元；
(3)几何模型材料属性的定义
岩石几何模型采用Drucker-Prage模型定义材料属性，PDC钻头主切削齿几何模型采用等效密度属性定义；
(4)接触定解条件及设置
采用罚接触算法定义PDC钻头主切削齿几何模型与岩石几何模型接触方式，法向为硬接触模型，切向为罚摩擦模型；
步骤二：导向轴指向角的确定
选用指向角分别为0°、5°、10°导向钻进模型进行仿真分析，从而确定一定岩石体积条件下的最佳破岩效率的指向角；
步骤三：建立不同指向角的有限元模型
保证其他参数定义不变的条件下，分别建立指向角为0°、5°、10°的非线性有限元导向钻进仿真模型；
步骤四：模拟不同指向角的破岩效果，确定导向钻进最优导向角；
在ABAQUS软件中，分别对指向角为0°、5°、10°的仿真模型进行模拟分析，并且将仿真模拟所得的数据导入MATLAB软件中经数据拟合，分别得到这三种情况下的岩石破坏体积、钻头扭矩、进尺深度、钻头轴向速度影响规律，确定导向钻进最优导向角。
本发明的优点：建立了一种基于全旋转指向式导向钻井工具——可控弯接头提高破岩效率的方法，通过在非线性有限元软件ABAQUS中建立指向角分别为0°、5°和10°的PDC钻头主切削齿和一定体积岩石的相互作用仿真模型，赋予材料属性，进行仿真分析，得出不同指向角变化对岩石破坏的影响规律，确定一定体积的岩石破岩效率最大的最优指向角，来提高可控弯接头的破岩效率，对井下闭环旋转导向钻井系统破岩效率的提高有一定的指导意义。
附图说明
图1是背景技术中的全旋转指向式导向钻井工具可控弯接头结构示意图。
图2是PDC钻头主切削齿的模型图。
图3是岩石模型图。
图4是主切削齿的网格划分效果图。
图5是岩石模型网格划分效果图。
图6是主切削齿钻进模型图。
图7是切削轨迹、切削方向及侧向力示意图。
图8是切削齿受力示意图。
图9是PDC钻头与岩石施加荷载模型图。
图10是井下闭环旋转导向钻具钻进简化模型。
图11是指向角为0°的导向钻井模型图。
图12是指向角为5°的导向钻进模型图。
图13是指向角为10°的导向钻井模型图。
图14是不同指向角岩石破坏能量与时间关系曲线图。
图15是不同指向角扭矩与时间关系曲线图。
图16是不同指向角钻头进尺与时间关系曲线图。
图17是不同指向角钻头轴向速度与时间关系曲线图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明做详细叙述。
基于全旋转指向式钻井工具——可控弯接头提高破岩效率的方法，包括以下步骤：
步骤一：建立导向钻进数值模型
(1)几何模型的建立
首先，利用SolidWorks软件建立外径φ1为252mm的PDC钻头主切削齿整体几何模型，如图2所示，并导入非线性有限元ABAQUS分析软件中；然后，在该软件中直接建立直径φ2为400mm，厚度为100mm的岩石几何模型，如图3所示。
(2)几何模型的网格化处理
在ABAQUS软件中，将SolidWorks软件所建立的PDC钻头主切削齿几何模型，采用10节点四面体单元(C3D10M)自由网格划分，得到钻头网格划分效果如图4所示；岩石几何模型采用8节点缩减积分单元(C3D8R)扫掠网格划分技术，沙漏控制，将岩石划分成中心密集周围疏松的网格单元，这样既节省计算时间，又保证计算精度，岩石网格划分效果图，如图5所示。
(3)几何模型材料属性的定义
岩石几何模型采用Drucker-Prage模型，该模型为线弹性模型和扩展Drucker-Prage破坏准则联合使用的一种理想弹塑性模型，被广泛应用于岩土力学数值计算分析中。PDC钻头几何模型的密度采用等效密度，因为其质量惯量全部集中于简化后的钻头切削齿上。由此可得，有限元分析材料基本参数，如表1所示。
表1有限元分析材料基本参数
(4)边界条件荷载及分析步的设置
对岩石几何模型施加围压，岩石上表面与PDC切削齿作用区域施加压力，其余区域施加上覆岩层压力。定义切削齿在水平方向上的吃进速度及旋转方向，控制切削齿的水平位移，如图6所示。在模型中，水平方向的速度为Vy，围绕y的旋转速度为ωy，则切削齿在y方向上第i步的吃进位移Uyi和围绕轴旋转的角度ψyi分别为：
式中：t为数值分析步中第i步的时间步长。
在可控弯接头导向钻进过程中，包括两个显示动力学分析步：第一个分析步为施加钻压：钻进过程中的钻压即确定钻头与地层的相互作用力，本仿真施加钻压为10t；第二个分析步为施加转速：在钻头顶端施加一个恒定的转速，带动整个钻头旋转，模拟PDC钻头开始破岩过程，钻进时间为5s。
PDC钻头切削齿在破岩钻进过程中，在图7中，岩石对其的反作用力可分为轴向力Fn、切向力Fh和侧向力Fr。切向力Fh与切削齿的运动方向相反，并且与轴向力Fn垂直，在图8中，
为后倾角，d为切削深度。
钻头切削齿破碎岩石是一个非线性的过程。假设在t时刻钻头与岩石相互接触占据空间域为Ω，作用在接触系统内的体积力、边界及柯西内应力分别为b,q,qc,σ，则接触问题可归纳为：
式中：Γf为给定边界力的边界；Γc为边界条件；
为虚应变；
为虚位移；ρ为密度；a为加速度。
将空间域Ω利用有限元离散化处理并引入虚位移场，可得：
式中：m为质量矩阵；
为加速度矢量；t为时间变量；p为外力矢量；c为接触力与摩擦力矢量；f为内应力矢量；u为钻头位移；γ为与接触表面特性相关的变量；λ为与材料本构关系相关的变量。
由于钻头在钻进过程中要吃入地层，其外表面与岩石破碎区域的点集合之间需要施加面-面接触，采用罚接触算法，法向为硬接触模型，切向为罚摩擦模型，摩擦系数取0.4。由此，建立PDC钻头与岩石相互作用装配模型，如图9所示。
步骤二：导向轴指向角的确定
在旋转导向钻井过程中，可控弯接头通过改变旋转外套、外偏心环和内偏心环的相对位置，改变导向轴的空间姿态，实现可控弯接头工具角和工具面角的调整，实现井下闭环可控弯接头的定向钻进。就可控弯接头而言，最大可以实现10°/100m的变化，即在钻进100m的距离内可控弯接头可以实现从0°到10°的任意变化。如图10为导向机构钻进简化模型图，指向角θ为可控弯接头钻头中心线与钻进水平中心线的夹角，即可以实现从0°到10°的变化。因此，我们选用指向角分别为θ＝0°、θ＝5°和θ＝10°导向钻进模型为研究对象，确定破岩效率的最优指向角。
步骤三：不同指向角的有限元模型建立
由于可控弯接头导向钻进过程中，导向轴指向角的大小是随时可变的。因此，在破岩过程中，导向轴最佳指向角的确定成为了导向钻井系统提高破岩效率的关键，并且对可控弯接头而言，每导向钻进100m可以实现0°到10°的任意改变。因此，利用非线性有限元ABAQUS软件模拟旋转导向系统在100m范围内的钻进过程中，指向角分别为θ＝0°、θ＝5°和θ＝10°的破岩过程，建立有限元仿真模型图，如图11～图13所示。
步骤四：模拟不同指向角的破岩效果
在ABAQUS软件中，保证其他参数不变的条件下，分别对指向角θ＝0°、θ＝5°和θ＝10°的仿真模型进行模拟分析，并且将模拟所得的数据导入MATLAB软件经数据拟合，分别得到这三种情况下的岩石破坏能量、钻头扭矩、进尺深度、钻头轴向速度影响规律。
在不考虑其他因素对破岩效率影响，能量的消耗可以参考表示岩石破坏体积的变化，由图14可以看出，对于单位体积的岩石，指向角θ＝0°时，其破岩体积明显比指向角θ＝5°和θ＝10°的大，这是由于对于单位体积的岩石，指向角θ＝0°可以保证在破岩过程中，在整个过程，PDC钻头的切削齿能够充分的和岩石接触，增大了接触面积，提高了破岩体积；还可以看出：指向角θ＝10°的破岩体积明显比θ＝5°破岩体积要大，但是在最后趋于相同，是因为指向角θ＝10°的PDC钻头的切削齿与岩石接触面积比指向角θ＝5°的面积要大，所以破岩体积大，最后由于岩石体积一定，岩石破坏破碎体积趋于相同，破岩效率不变。
如图15所示，在旋转导向钻进过程中，初始阶段，不同指向角对PDC钻头扭矩的影响作用并不明显，但是随着时间推移，钻头扭矩波动比较大，并且指向角θ＝10°钻头扭矩要比指向角θ＝5°的扭矩要大，是因为指向角越大，每个切削齿与井眼中心的距离要大，在导向钻进过程中，其扭矩也就比较大。
如图16所示，在时间为0s到50s过程中，指向角θ＝0°时，岩石进尺波动比较大，随后，进尺波动变化明显比其他指向角范围要小，这是因为钻头切削齿垂直作用于岩石，刚开始时岩屑比较少，作用深度比较大，岩石损伤位移比较大且波动大，波动大是由钻头与岩石相互作用是一个非线性的过程所导致的，并且随着岩屑积累，钻头作用深度减少，此时岩屑与钻头同时作用，钻进过程比较平稳，波动较小。
破岩速度可用钻头轴向速度表示，如图17所示为这三种情况下的钻头轴向速度变化规律曲线。可以发现，当岩石体积一定时，在旋转导向钻进过程中，破岩速度逐渐减小并且最后趋于0，这可能和岩石体积一定有关；可以发现，指向角θ＝0°的初始破岩效率比较高，但随着时间推移，其破岩效率明显低于指向角θ＝5°和θ＝10°的破岩效率，这是因为初始阶段指向角θ＝0°的PDC钻头的切削齿全部与岩石接触，接触面积最大，破岩效率最高，但随破岩时间延长，岩屑积累过多，切削齿与岩石作用深度减少，破岩速度降低；指向角θ＝10°的破岩速度总体上来说比指向角θ＝5°要快，这是由于指向角越大，切削齿和岩屑共同作用于岩石的接触面积比较大，破岩速度快。
Claims (1)
1.基于全旋转指向式导向钻井工具提高破岩效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立导向钻进数值模型；
（1）几何模型的建立
首先，利用SolidWorks软件建立PDC钻头主切削齿整体几何模型；然后，在非线性有限元软件ABAQUS中直接建立岩石几何模型；
（2）几何模型的网格化处理
将PDC钻头主切削齿几何模型导入ABAQUS软件中，采用10节点四面体单元自由网格划分；岩石几何模型采用8节点缩减积分单元扫掠网格划分技术，沙漏控制，将岩石划分成中心密集周围疏松的网格单元；
（3）几何模型材料属性的定义
岩石几何模型采用Drucker-Prage模型定义材料属性，PDC钻头主切削齿几何模型采用等效密度属性定义；
（4）边界条件荷载及分析步的设置
采用罚接触算法定义PDC钻头主切削齿几何模型与岩石几何模型接触方式，法向为硬接触模型，切向为罚摩擦模型；
步骤二：确定导向轴指向角；
选用指向角分别为0º、5º、10º导向钻进模型进行仿真分析，从而确定一定岩石体积条件下的最佳破岩效率的指向角；
步骤三：建立不同指向角的有限元模型；
保证其他参数定义不变的条件下，分别建立指向角为0º、5º、10º的非线性有限元导向钻进仿真模型；
步骤四：模拟不同指向角的破岩效果，确定导向钻进最优导向角；
在ABAQUS软件中，分别对指向角为0º、5º、10º的仿真模型进行模拟分析，并且将仿真模拟所得的数据导入MATLAB软件中经数据拟合，分别得到这三种情况下的岩石破坏体积、钻头扭矩、进尺深度、钻头轴向速度影响规律，确定导向钻进最优导向角。
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