鉆頭研磨性測定裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張良振

（中石化石油機(jī)械股份有限公司，湖北武漢430205）

在進(jìn)行深井乃至超深井作業(yè)過程中，鉆頭的破巖機(jī)理主要是由鉆頭對(duì)巖層進(jìn)行沖擊研磨。在實(shí)際的鉆井過程中，鉆頭的主要失效是由于鉆頭前端與巖石接觸磨損所造成的。目前，在鉆井現(xiàn)場判斷鉆頭是否失效以及決定是否更換鉆頭沒有明確的指導(dǎo)，不能準(zhǔn)確預(yù)測鉆頭壽命，現(xiàn)有的研究研磨性的實(shí)驗(yàn)大部分是針對(duì)巖石的研磨性來進(jìn)行的，鄒德永教授利用微型鉆頭對(duì)巖石研磨性進(jìn)行研究[1]。李季陽使用了先進(jìn)的激光測溫等測試技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了牙輪、PDC、研磨環(huán)等不同形狀、不同硬度對(duì)巖石的研磨性測試，大部分是現(xiàn)代化儀器，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，安全[2]。而針對(duì)室內(nèi)研磨性的測定方法，現(xiàn)場研磨性系數(shù)的計(jì)算，一般是通過實(shí)驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后再計(jì)算研磨性系數(shù)，但這種方法的局限性太大，只適用于幾種鉆頭，適應(yīng)性不強(qiáng)，不能得到廣泛使用，所以設(shè)計(jì)出測試鉆頭研磨性的裝置還是很有必要的[3-5]。改造現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置是一種切實(shí)有效的方法，考慮到部分實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜, 操作不方便，成本較高的問題[6-7]。設(shè)計(jì)出了簡易能夠評(píng)價(jià)鉆頭研磨性實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)，模擬鉆井過程進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，可直觀觀察模擬鉆頭的磨損情況，還可大大節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，使其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鉆壓、鉆速等指標(biāo)的測試，因?qū)嶋H鉆頭的磨損量觀察起來比較困難，而鉆頭的硬度是一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，所以此裝置具體通過使用不同硬度材質(zhì)的金屬式樣與實(shí)際巖樣在類似實(shí)際工況下進(jìn)行研磨實(shí)驗(yàn)[8]。

1 模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置在立式鉆床Z5150A的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，為了能夠模擬鉆井過程中鉆頭磨損的情況，利用相似準(zhǔn)則來對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，此裝置需要提供一定鉆速和鉆壓[9]。以建立室內(nèi)鉆頭磨損模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)為目的[10]，研究石油鉆井過程中不同地質(zhì)條件下鉆頭的磨損情況。根據(jù)前人的相似理論的結(jié)論推導(dǎo)得到[11]：此相似模型中，鉆頭實(shí)際尺寸d=250mm，l=500mm，取原型與模型的長度比cl=lp/lm=5:1，設(shè)計(jì)模擬鉆頭尺寸為d=50mm，l=100mm。由于實(shí)際全尺寸的鉆頭的成本太過昂貴，同時(shí)鉆頭在鉆進(jìn)過程中磨損量非常小，較難測量，考慮到硬度是材料性質(zhì)的重要評(píng)定指標(biāo)，因此選用三種不同硬度的金屬試樣與實(shí)際巖樣在類似實(shí)際工況下進(jìn)行研磨實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而總結(jié)鉆頭磨損的規(guī)律。金剛石鉆頭的密度為3.5（g/ml），模擬鉆頭選用的材料分別是Q345、45、40Cr，分別進(jìn)行不同的處理，統(tǒng)一單位后形成一定的硬度梯度見下表1。

模擬鉆頭密度近似為7.85（g/cm3）彈性模量為206GPa[12]；ci（i=l,E,ρ,m）分別代表的是原型與模型的各種參數(shù)之比。

cρ=ρp/ρm=3500/7850≈0.446 （1）

現(xiàn)場鉆壓為50～220 k N，轉(zhuǎn)速為20～110 r/min，根據(jù)計(jì)算得出的相似比可以得到模擬實(shí)驗(yàn)鉆壓為350～1650 N，轉(zhuǎn)速為65～360 r/min。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1整體結(jié)構(gòu)原理與方案設(shè)計(jì)

裝置在鉆床的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，提供模擬實(shí)驗(yàn)所需要的鉆壓和鉆速，鉆床電機(jī)本身能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速，模擬鉆頭的鉆速由鉆床本身的電機(jī)提供，最小鉆速為31.5r/min，最大鉆速為1400r/min，可滿足模擬實(shí)驗(yàn)的要求鉆速，鉆床的參數(shù)如表2，通過在鉆床手柄上懸掛重物，然后觀察傳感器的示數(shù)來調(diào)控鉆壓，通過鉆床提供模擬鉆井過程的鉆速、鉆壓。裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

表2 立式鉆床Z5150A參數(shù)表

圖1 鉆頭研磨性測定裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 加載裝置

如圖1所示，懸掛重物加載裝置，通過懸掛的砝碼重物的增減實(shí)現(xiàn)主軸壓力變化的功能，同時(shí)也能保證可以控制鉆頭的升降，這種加載方式的優(yōu)點(diǎn)在于加載裝置可以提供恒定的鉆壓并保持穩(wěn)定。柔性繩一端固定在手柄圓盤上，另一端連接砝碼重物，將模擬鉆頭安裝在鉆床上，首先確保巖樣與模擬鉆頭距離在2mm 左右，然后慢慢移動(dòng)模擬鉆頭，當(dāng)顯示器顯示壓力有變化時(shí)，說明巖樣與壓頭已經(jīng)接觸上，逐漸調(diào)節(jié)重物重量，觀察傳感器示數(shù)至所需鉆壓。

2.3 巖樣夾持升降裝置

巖樣夾持升降裝置設(shè)計(jì)為三層，如圖2所示。第一層為巖樣放置板，采用四個(gè)夾板來夾持巖樣，四個(gè)角上的孔與立柱間隙配合，以保證壓力全部傳給傳感器；第二層為傳感器放置板；第三層為底板，用來與鉆床操作平面銜接，并固定四根立柱。

圖2 夾持升降裝置圖

支撐架設(shè)計(jì)計(jì)算：

支撐架采用Q235，許用應(yīng)力[σ]=σs/n，取安全系數(shù)n為2，支撐架的工作應(yīng)力σ=FN/A≤[σ]，橫截面積A≥FN/[σ] ，每根支撐桿受力為1/4 F，支撐桿形狀為實(shí)心圓柱體，其所需直徑：

=1.824×〖10〗^（-2） m=18.24mm（6）

根據(jù)剛度條件求直徑：

=2.429×10-2m=24.29mm（7）

為了滿足剛度強(qiáng)度條件，設(shè)計(jì)支撐桿直徑D為25mm，為了方便巖樣的升降及后期對(duì)裝置做調(diào)整，設(shè)計(jì)長度l為400mm，巖樣夾持板的尺寸設(shè)計(jì)，為了減小變形，考慮到振動(dòng)等各方面因素，初?。篴*b=300mm*250mm，為了保證螺母不會(huì)自松，螺母需要從下往上安裝，所以立柱中間段直徑需要略小，在兼顧立柱滿足剛度強(qiáng)度要求的條件下，兩端設(shè)計(jì)直徑為27mm，中間設(shè)計(jì)直徑為25mm。

3 有限元分析

3.1 巖樣夾持升降裝置模態(tài)分析

模態(tài)分析是一種研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的方法，廣泛應(yīng)用于振動(dòng)分析。分析結(jié)構(gòu)的固有頻率，判斷是否與外界激勵(lì)的頻率接近[13-14]。通過ANSYS對(duì)裝置進(jìn)行模態(tài)分析,設(shè)定材料為Q235,輸入材料的屬性參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)底板進(jìn)行約束處理，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性一般由其低階振動(dòng)特性決定，設(shè)定模態(tài)分析階數(shù)為六階，得出裝置的六階模態(tài)振型如圖3至圖8。

圖3 一階模態(tài)振型圖

圖4 二階模態(tài)振型圖

圖5 三階模態(tài)振型圖

圖6 四階模態(tài)振型圖

圖7 五階模態(tài)振型圖

圖8 六階模態(tài)振型圖

鉆床Z 5 1 5 0 A 的振動(dòng)源是電機(jī)，鉆速范圍為3 1.5 ～1 4 0 0 r/m i n，求得原頻率范圍為1.05～46.66HZ，夾持裝置的前六階固有頻率最小頻率為47.861HZ，最大頻率為832.11HZ，頻率均不在共振頻率范圍內(nèi)，可以得出結(jié)論巖樣夾持升降裝置不會(huì)與電機(jī)的振動(dòng)頻率發(fā)生共振現(xiàn)象。

3.2巖樣夾持升降裝置靜態(tài)分析

夾持升降裝置主要承受鉆頭傳遞的力和力矩，通過ANSYS對(duì)巖樣夾持升降裝置進(jìn)行靜力學(xué)強(qiáng)度分析，觀察和分析變形圖和應(yīng)力圖，判斷裝置是否安全。在巖樣放置板上施加力1.65kN和扭矩286.47N.m，對(duì)裝置進(jìn)行簡化處理，對(duì)底板進(jìn)行固定約束，總體變形圖9和等效應(yīng)力圖10如下圖所示。

圖9 總體變形圖

圖10 等效應(yīng)力云圖

由圖可知總體變形最大值為0.79606mm,最大變形在板的邊緣，不影響配合，最大應(yīng)力為71.231MPa，取強(qiáng)度安全系數(shù)為2，許用應(yīng)力[σ]=235/2=117.5MPa，最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，故此裝置是安全的。

4 結(jié)論

1）基于相似原理，模擬鉆井過程，設(shè)計(jì)出了鉆頭研磨性測定裝置的結(jié)構(gòu)，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。

2）對(duì)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元靜力分析和模態(tài)分析，驗(yàn)證了該裝置結(jié)構(gòu)的可行性。