钻机旋冲钻孔过程中破岩效率的研究
发布时间：2021-04-18 12:00
针对岩石钻机旋冲钻孔过程中破岩效率低的问题,基于岩石力学理论和有限元理论,建立了球形钻齿与岩石的相互作用受力模型以及旋冲钻孔破岩的有限元模型。采用了非线性有限元分析软件LS-DYNA来模拟不同参数下的旋冲钻孔过程,得到了钻头破岩过程中钻齿吃入深度与时间以及破碎体积、破碎比功随转速和频率的变化曲线;分析了转速与频率对破岩效率的影响规律。研究结果表明:转速对钻齿吃入深度影响不大,岩石破碎主要发生在冲击力卸载之后,当转速在30 r/min～35 r/min,频率在20 Hz～30 Hz范围内,破岩效率相对较高,能够充分提高能量利用率;该结果可以为钻头的合理设计以及岩石钻具的钻孔工艺参数选择提供依据。
【文章来源】：机电工程. 2020,37(07)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
球形钻齿与岩石相互作用受力模型
笔者将三维模型导入HyperMesh中进行网格的自动划分,钻头和岩石的有限元模型如图2所示。再将其导入LS-DYNA中,然后定义单元类型及材料属性,所有的单元类型都选用8节点3D SOLID单元,采用缺省的常应力单元公式[15]。钻头与钻齿相对于岩石来说较硬,为了便于计算求解可视为刚体。
笔者依据岩石钻机的实际使用经验,将钻头的冲击频率设置为f=20 Hz,其他参数保持不变,旋转速度分别取20 r/min、25 r/min、30 r/min、35 r/min、40 r/min时,钻齿吃入深度与转速的变化曲线如图3所示。由图3可以看出:在冲击力载荷加载之前,钻齿在静轴压力作用下,吃入深度呈现微小的上下波动,在25 ms冲击力卸载后,作用在岩石表面的压应力减小,岩石内部存储波的能量产生拉伸应力,岩石的拉伸强度远小于抗压强度,故岩石更容易产生拉应力破碎,所以此时钻齿的吃入深度迅速增大,结果表明,旋转速度对钻齿的吃入深度影响不明显,岩石破碎主要发生在冲击力卸载后。
【参考文献】：
期刊论文
[1]冲旋钻头结构对其寿命及破岩效率的影响研究[J]. 徐海良,郑义,赵宏强,徐绍军. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2017(12)
[2]LS-DYNA锚杆钻机冲击钻进应力波工作特性研究[J]. 王晓瑜. 机械设计与制造. 2016(01)
[3]高频微幅冲击振动作用下岩石破碎行为计算方法[J]. 田家林,杨志,付传红,杨琳,李友,朱永豪. 吉林大学学报(地球科学版). 2015(06)
[4]基于LS-DYNA的PDC钻头受力模型分析与研究[J]. 王鹏. 煤矿机械. 2015(06)
[5]单齿冲击作用下破岩机制分析[J]. 蔡灿,伍开松,廉栋,袁晓红. 岩土力学. 2015(06)
[6]冲击作用下岩石破碎比功理论分析及模糊预测模型[J]. 曹钧,沈志康,胡永乐,范成洲,王定贤,邓丽蓉,杨欢. 岩土力学. 2012(S2)
[7]冲旋钻井条件下的岩石破碎机理[J]. 朱海燕,刘清友,邓金根,王国荣,廖建华. 应用基础与工程科学学报. 2012(04)
[8]考虑岩石疲劳损伤的空气冲旋钻井破岩数值模拟研究[J]. 祝效华,罗衡,贾彦杰. 岩石力学与工程学报. 2012(04)
[9]物探冲旋钻头破岩机理仿真研究[J]. 范永涛,黄志强,高德利,魏振强,宋嘉宁. 石油钻探技术. 2011(03)
[10]冲旋钻头破岩机理仿真研究[J]. 黄志强,范永涛,魏振强,谭力,卜燕. 西南石油大学学报(自然科学版). 2010(01)
博士论文
[1]钻头自回转型潜孔锤研究及仿真分析[D]. 呼咏.吉林大学 2007
硕士论文
[1]深部硬地层PDC-牙轮复合钻头破岩机理研究[D]. 谢豆.西南石油大学 2016
本文编号：3145436
【文章来源】：机电工程. 2020,37(07)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
球形钻齿与岩石相互作用受力模型
笔者将三维模型导入HyperMesh中进行网格的自动划分,钻头和岩石的有限元模型如图2所示。再将其导入LS-DYNA中,然后定义单元类型及材料属性,所有的单元类型都选用8节点3D SOLID单元,采用缺省的常应力单元公式[15]。钻头与钻齿相对于岩石来说较硬,为了便于计算求解可视为刚体。
笔者依据岩石钻机的实际使用经验,将钻头的冲击频率设置为f=20 Hz,其他参数保持不变,旋转速度分别取20 r/min、25 r/min、30 r/min、35 r/min、40 r/min时,钻齿吃入深度与转速的变化曲线如图3所示。由图3可以看出:在冲击力载荷加载之前,钻齿在静轴压力作用下,吃入深度呈现微小的上下波动,在25 ms冲击力卸载后,作用在岩石表面的压应力减小,岩石内部存储波的能量产生拉伸应力,岩石的拉伸强度远小于抗压强度,故岩石更容易产生拉应力破碎,所以此时钻齿的吃入深度迅速增大,结果表明,旋转速度对钻齿的吃入深度影响不明显,岩石破碎主要发生在冲击力卸载后。
【参考文献】：
期刊论文
[1]冲旋钻头结构对其寿命及破岩效率的影响研究[J]. 徐海良,郑义,赵宏强,徐绍军. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2017(12)
[2]LS-DYNA锚杆钻机冲击钻进应力波工作特性研究[J]. 王晓瑜. 机械设计与制造. 2016(01)
[3]高频微幅冲击振动作用下岩石破碎行为计算方法[J]. 田家林,杨志,付传红,杨琳,李友,朱永豪. 吉林大学学报(地球科学版). 2015(06)
[4]基于LS-DYNA的PDC钻头受力模型分析与研究[J]. 王鹏. 煤矿机械. 2015(06)
[5]单齿冲击作用下破岩机制分析[J]. 蔡灿,伍开松,廉栋,袁晓红. 岩土力学. 2015(06)
[6]冲击作用下岩石破碎比功理论分析及模糊预测模型[J]. 曹钧,沈志康,胡永乐,范成洲,王定贤,邓丽蓉,杨欢. 岩土力学. 2012(S2)
[7]冲旋钻井条件下的岩石破碎机理[J]. 朱海燕,刘清友,邓金根,王国荣,廖建华. 应用基础与工程科学学报. 2012(04)
[8]考虑岩石疲劳损伤的空气冲旋钻井破岩数值模拟研究[J]. 祝效华,罗衡,贾彦杰. 岩石力学与工程学报. 2012(04)
[9]物探冲旋钻头破岩机理仿真研究[J]. 范永涛,黄志强,高德利,魏振强,宋嘉宁. 石油钻探技术. 2011(03)
[10]冲旋钻头破岩机理仿真研究[J]. 黄志强,范永涛,魏振强,谭力,卜燕. 西南石油大学学报(自然科学版). 2010(01)
博士论文
[1]钻头自回转型潜孔锤研究及仿真分析[D]. 呼咏.吉林大学 2007
硕士论文
[1]深部硬地层PDC-牙轮复合钻头破岩机理研究[D]. 谢豆.西南石油大学 2016
本文编号：3145436
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