空气锤钎头的结构设计及仿真分析

2022-09-10

引言

气体钻井用空气锤钎头由牙齿和本体组成, 本体主要包括母体、花键及端面。空气锤钎头是关键部件, 影响钻井作业;空气锤钎头也是易损件。对于钻探石油天然气井用的空气锤钎头的研究较少。随着近30多年的发展, 端部固合金齿, 齿面为单斜面和双斜面的三翼整体结构空气锤钎头现场使用效果较好, 该结构可改善布齿条件和排气孔的设计, 提高钎头的整体强度[1]。

一、空气锤钎头结构设计

1. 本体的结构设计

通过现场调研发现, 1214″空气锤钎头在油气田气体钻井中使用率达90%以上, 故针对极硬和坚硬研磨性地层, 设计了1214″空气锤钎头。参照矿山凿岩用钎头的结构特点, 将空气锤钎头设计为三翼整体结构, 如图1所示。

空气锤钎头本体主要由冲击端面、花键和打捞螺纹三个部分组成。花键与空气锤内花键槽配合, 传递破岩扭矩;冲击端面承受空气锤活塞的冲击作用, 将冲击功传递给钎头。冲击端面在外圆柱表面上铣削四个对称的平面, 用于与空气锤配合;中心有一大于流道直径的圆孔, 用于安装钎尾。钎头花键把钎头和空气锤连接起来, 一起在井下旋转。同时还作为钎头向下运动冲击岩石的轨道。为减小应力集中效应, 将花键设计成弧形, 空气锤作用在钎头上的扭矩就更加稳定可靠, 从而减少钎头的失效。打捞螺纹设计成一个3牙螺纹和一个大的弧形槽结构, 当钎头在井底发生掉落、折断等事故时, 用于打捞钎头。

2. 端面的结构设计

参照矿山凿岩用钎头的结构特点, 根据空气锤的工作特点, 使整个钎头所有牙齿达到比较均匀的磨损, 同时便于制造, 初步设计成中心平面-双斜面结构 (简称双斜面, 如图2所示) 的端面。端面中心所布置的牙齿要垂直于地平面, 这样能量的传递和岩石受力较好, 牙齿寿命长[1]。

3.边齿倾角设计

边齿倾角的选择是球齿钎头设计中的重要内容。球齿钎头边齿的断齿、磨齿以及掉齿占球齿钎头失效的90%以上[2], 球齿钎头边齿的结构参数及其受力条件, 与钎头的边齿倾角有很大关系。合理确定球齿钎头工作端面形状、边齿倾角和出露高度, 可显著改善边齿的受力状况, 提高钎头的钻速和钎头的使用寿命。目前国外设计的钎头边齿倾角为30°, 国内一般为30°~35° (潜孔钎头也有达到45°的) [3,4]。

参照国内外空气锤钎头、矿山凿岩用钎头和潜孔钎头的设计经验, 结合不同倾角球齿冲击和冲旋破岩的结论, 将钎头的里圈斜面设计成20°, 外圈斜面设计成35°。

二、空气锤钎头的布齿

1. 空气锤钎头齿的布置

空气锤钻井作业中, 钎头的转速一般为20~60rpm, 即转一圈需要1~3s, 钎头的冲击频率一般为30~40Hz, 即1s内钎头冲击碎岩石30~40次, 相当于每转3°~12°冲击一次。在此参数下, 为了钻井过程中不发生重复破岩的情况, 同一齿圈上的球齿夹角不应为3°~12°的整数倍即可。

2. 各圈牙齿的布置

各圈牙齿的布置位置必须保证单个牙齿和整个钎头受力均匀。在钎头端面平均分为三部分, 保证每部分中各圈牙齿数尽可能相同, 且位置对称, 所以钎头布齿情况如图3所示。

三、钎头破岩分析

通过软件ANSYS仿真分析空气锤钎头破岩过程, 通过分析可知钎头破碎岩石的过程有为5个阶段, 通过仿真一次冲旋过程对此5个阶段进行分析:

阶段Ⅰ:岩石的弹性变形。

岩石在钎头压力和扭转力矩共同作用下产生弹性变形, 在破岩过程中最先与岩石接触的是中心齿。中心齿接触岩石时将导致岩石形成密实核。在仿真模拟中, 不考虑岩石存在裂隙, 因此就没有岩石裂隙被压缩的过程。根据弹性变形的定义, 岩石在弹性变形阶段, 如果卸掉载荷, 变形又会恢复。如图4所示, 岩石最大应力为8.395e-5<1e-4, 岩石处于弹性变形阶段。

阶段Ⅱ:中心齿破碎岩石。

钎头在钻压、扭转力矩和空气锤冲击功的共同作用下, 钎头端面中心齿继续侵入岩石, 岩石继续受压变形。当钎头在岩石上的作用力大于岩石的破碎强度时, 岩石开始发生破碎, 岩石开始形成破碎坑。同时钎头端面边齿开始与岩石接触, 岩石产生更大的弹性变形。如图5所示。

阶段Ⅲ:岩石形成破碎裂纹。

空气锤作用在钎头上的冲击功逐渐增大, 钎头端面上的中心齿继续侵入岩石, 岩石破碎坑增大。边齿开始破碎岩石, 并在扭转力矩作用下, 岩石在钎头周向产生破碎裂纹, 边齿破碎岩石裂纹与中心齿的岩石破碎裂纹共同产生一环形破碎带。如图6所示。

阶段Ⅳ:整个钎头破碎岩石。

随着空气锤对钎头冲击功的继续增大, 中心齿和边齿更进一步侵入岩石, 边齿处岩石周向裂纹增大, 同时破碎坑的面积也随着增大, 然而中心齿处岩石破碎坑并没有增大, 如图7所示。

阶段Ⅴ:岩石破碎阶段。

空气锤钎头在钻压、扭转力矩及空气锤冲击功共同作用下, 钎头所有牙齿都参与冲击破岩及刮削破岩, 钎头破碎岩石区域增大, 岩石逐步被破碎携带走, 形成井眼, 如图8所示。

由仿真分析可知, 空气锤钎头对岩石的破碎, 存在冲击破碎和裂纹扩展破碎两个方面, 在冲击破碎的前提下, 伴随钎头旋转刮削岩石, 形成井底。间接破碎区在钎头球齿冲击破碎的同时, 将井底岩石分为四个区域, 加快了岩石裂纹的扩展速度, 提高了钎头的破岩效率。通过分析可知空气锤钎头的结构及球齿的布置合理。

结论

1. 设计的钎头由冲击端面、花键、打捞螺纹和球齿组成, 里、外圈斜面倾角分别为20°和35°。

2. 建立了钎头的本体-球齿-虚拟井底岩石的互作用仿真模型, 并进行有限元计算。由计算结果可知:1.空气锤钎头的破岩过程可以分为5个阶段:岩石弹性变形阶段;中心齿破碎岩石;边齿破碎岩石, 岩石沿周向形成破碎裂纹;钎头所有牙齿参与破碎岩石, 在流道位置的岩石形成3个径向裂纹;整体破碎坑形成阶段。

摘要：空气锤钎头结构的合理性关系到钎头性能的好坏。参照矿山凿岩用钎头的结构特点, 将空气锤钎头设计为三翼整体结构, 花键设计成弧形, 减小应力集中效应, 从而减少钎头的失效;端面为中心平面-双斜面结构;将钎头的里圈斜面设计成20°, 外圈斜面设计成35°。通过有限元模拟分析, 钎头破岩的过程有5个阶段:岩石的弹性变形;中心齿破碎岩石;边齿破碎岩石, 岩石形成破碎裂纹;整个钎头破碎岩石;岩石破碎。通过分析可知空气锤钎头的结构及球齿的布置合理。

关键词：空气锤钎头,结构设计,钎头布齿,有限元仿真