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2 0 1 4年第 4 2卷第 8期 石 油机械 C HI NA PE TROL EUM MAC HJ NERY ●钻 井技术与装备 P D C单齿切 削破碎天然气水合物参数优选研究 皮兴 强伍开松 西南石 油大学 摘要 我国南海天然气水合物藏采用 固态流化开采技术进行开采 时，首先遇到的问题是如何 高效切 削破碎天然气水合物。根据我 国南海天然气水合物赋存条件，通过查 阅文献选取 了类似 我 国南海天然气水合物特性的本构关系。 同时，基于非线性有限元分析 A B A Q U S软件平台，建立 了 钻头牙齿破碎天然气水合物 的三维仿真模型，开发 了钻头牙齿破碎 天然气水合 物的有限元仿真方 法和程序。利用所开发 的程序评价 了P D C单齿切 削破碎天然气水合物 的破 碎效果。研究结果表 明，P D C齿的最佳前倾角为 [ 1 7 ． 5 。 ，2 0 ． 0 。 ] ，切削深度在 4 m m 以上为宜，最合适的 P D C齿倒角 建议在 [ 4 5 ． 0 。 ，5 2 ． 5 。 ]之 间。所开发的程序和得 出的结论可为天然气水合物钻头设计奠定基础。 关键词 天然气水合物；P D C齿 ；本构关系；有限元；破碎；钻头 中图分类号 T E 9 2 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 8 ． 0 1 3 Pa r a m e t e r Op t i m i z a t i o n o f S i ng l e PDC Cu t t e r i n Br e a ki ng Na t ur a l Ga s Hy dr a t e Pi Xi ng q i a n g W u Ka i s o n g S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y Ab s t r a c t I n t h e n a t u r a l g a s h y d r a t e d e v e l o p me n t i n S o u t h Ch i n a S e a b y u s i ng f l u i d i z e d s o l i d t e c h n o l o g y， t h e f i r s t p r o b l e m i s h o w t o e f f i c i e n t l y d r i l l n a t u r a l g a s h y d r a t e s ． Ac c o r d i n g t o t h e g a s h y d r a t e r e s e r v e c o n d i t i o n s i n S o u t h Ch i n a S e a ， t h e c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n o f g a s h y d r a t e s i n S o u t h C h i n a S e a i s d e t e r mi n e d b y r e f e r r i n g t o l i t e r a t u r e ． Me a n whi l e， a t h r e e d i me ns i o n a l s i mu l a t i o n mo d e l o f d r i l l b i t c u t t e r b r e a ki n g g a s h y d r a t e i s e s t a b l i s h e d b y u s i n g fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t w a r e A B A Q U S ． T h r o u g h d e v e l o p m e n t a n d d e b u g g i n g ，t h e f i n i t e e l e me n t s i mu l a t i o n me t h o d a n d p r o g r a m i s d e v e l o pe d f o r b i t c u t t e r br e a k i n g g a s h y d r a t e ． Th e n t h e b r e a k i n g e f f e c t s o f PDC c u t t e r a r e a s - s e s s e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e o p t i m u m b a c k r a k e o f P D C c u t t e r i s[ 1 7 ． 5 。 ，2 0 ． 0 。 ] ；t h e p r e f e r a b l e c u t t i n g d e p t h i s m o r e t h a n 4 m m a n d t h e o p t i mu m P D C c u t t e r c h a m f e r i n g i s b e t w e e n[ 4 5 ． 0 。 ，5 2 ． 5 。 ]． T h e p r o g r a m a n d c o n c l u s i o n s d e v e l o p e d c o u l d pr o v i d e f o u n da t i o ns for d r i l l bi t d e s i g n f o r n a t u r a l g a s hy d r a t e d ril l i n g ． Ke y wor ds n a t u r a l g a s h y d r a t e； P DC c u t t e r ； c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n； fin i t e e l e me n t ；br e a k i n g； d r i l l b i t 0 引 言 天然气水合物俗称 “ 可燃冰”，是一种 白色或 浅灰色的结晶体。作为新型燃料能源 ，它的总含量 目前全球较 为一致 的估计 是 2 ． 02 ． 1 X 1 0 m ，相当于已探明的化石燃料总含碳量的 2倍 。1 m 天然气水合物燃烧所释放 的热量相 当于 1 6 4 m 的天然气且清洁无污染 。而在我国南海北部陆坡海 域 ，已划 出 6个天然气水合物成矿远景区带 ，总面 积达 1 4 ． 8 4万 k m ，预测远景资源量相当于 7 4 4 亿 t 油当量 I 2 J 。如果能够将其开采 出来作为一种新 型优质能 源接替 目前 的化石燃 料，将对我 国的能 源 、经济和环境产生巨大的影响。 目前 ，关于天然气水合物的开采包括降压法 、 热激 发法 和化学 试剂 法 ，并 已进入 试采 阶段 ， 随着研究 的深入 ，其他各类开采方法也在实验室中 进行开发 ，如 C O 置换法等。但是 由于我 国南海 地区E 4 - s l 的天然气水合物属于深海浅表层型矿藏 ， 现有的开采方法存在着潜在 的工程地质风险。针对 - - 5 4．- 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 8期 我国南海天然气水合物的矿藏特点 ，目前由周守为 院士等联合提出对沉积水合物应该采用固态流化开 采技术 ，该技术首要 的 问题便是如何 实现高效 切削天然气水合物。为此 ，笔者对 P D C单齿切削 破碎天然气水合物的参数优选进行了研究 。 1 南海天然 气水合物本构 关系的确定 我国南 海天然气水合 物 普 遍分布在 5 0 0一 一 2 0 0 0 m水深的海底沉积物 中，围压 大致在 52 0 MP a ，水温为 4 ． 0～2 ． 5℃，且南海 3个站位 的天 然气 水 合 物 饱 和 度 的 最 高 值 分 别 为 2 5 ． 5 ％、 4 6 ． 0 ％和 4 3 ． 0 ％。图 1是根据 A k i r a Ma s u i 一 1 0 ] 等 的天然气 水合 物三 轴力学 试验 围压在 1 0 MP a 下所得到的本构 曲线。图中曲线 a 、b 、c 、d分 别 由 天 然 气 水 合 物 饱 和 度 为 2 2 ． 5 ％ 、7 ． 7 ％ 、 3 7 ． 6 ％及 9 ． 4 ％的试验样本获得。其 中样本 C的试 验条件与我国南海天然气水合物的赋存条件比较接 近。由于 目前我国南海天然气水合物 的样本还难以 获得 ，故暂时借用 A k i r a Ma s u i 试验样本 C的数据 作为我国南海天然气水合物的本构关 系。样本 c 对 应的物理性质参数包括弹性模量 3 6 8 ． 9 M P a ，泊松 比0 ． 1 ，密度 1 ． 8 2 71 0 k s ／ m 。 山 堡 图 1 天 然气水合物 的应力． 应 变关 系 Fi g ．1 S t r es s s t r a i n r e l a t i o n s hi p o f na t u r a l g a s h y d r a t e 2 牙齿破碎天然 气水合物有 限元程序 2 ． 1 基本假设 牙齿破碎天然气水合物是在高压低温的深海环 境中进行 ，且天然气水合物矿藏由海底沉积物及天 然气水合物混合而成 ，故做出以下假设 ①假设天 然气水合物是各向同性连续介质体 ，忽略孔隙的影 响。②假设在破碎天然气水合物的过程中，天然气 水合物的围压和温度基本不变，故在整个破碎过程 中天然气水合物物理性质不变 。 2 ． 2 模型建立及程序开发 通过 A B A Q U S ⋯ 软件建立 了钻头牙齿 和天然 气水合物的几何模型 ，根据圣维南原理 ，为消除周 边约束对牙齿破岩应力的影响，同时又要保证计算 工作量不要太大 ，建议取天然气水合物模型尺度为 牙齿模型尺度的 5～1 0倍 。本模 型采用 A B A Q U S ／ E x p l i c i t 的显示动力学分析类型进行模拟计算 。 2 ． 2 ． 1 设 置材 料属 性 由于 P D C齿 的强度 、硬度远远 大于天然气水 合物 ，在实际切削中 P D C齿并没有发生塑性变形 ， 故将 P D C齿视 为弹性体 ，其材料属性只需定义弹 性模量和泊松 比。而天然气水合物 由于在切削过程 中既有弹性变形 ，又有塑性变形 ，最后失效破裂形 成切屑 ，因此采用南海天然气水合物的弹塑性损伤 本构关系。同时对天然气 水合物底部设置 完全约 束 ，给牙齿底部设置固定吃深位移约束 。 2 ． 2 ． 2接 触属 性 定 义 牙齿与天然气水合物之间采用面一 面接触。 2 ． 2 ． 3 网格 划分 牙齿与天然气水合物采用六面体网格划分 ，并 将接触区域 内的天然气水合物模型的网格细化 ，对 于远离失效破碎 区域 网格 的划分可 以粗一些 见 图 2 ，以便节约计算时间。 图 2 网格 划 分 图 F i g ． 2 D i a g r a m o f g e n e r a t e d me s h 建模 中，P D C齿 破碎天然气水合 物属于非线 性接触大变形问题 ，故不能采用二次减缩积分 ，在 切削过程 中单元会 出现严重 的单元变 形及沙漏现 象，故采用线性缩减积分单元克服网格的畸变。另 外 ，天然气水合物及 P D C齿均采用 C 3 D 8 R T，八节 点六面体线性减缩积分实体单元 。 最终建立钻头牙齿破碎天然气水合物的三维模 型。经过程序调试 ，开发了一套单齿破碎天然气水 合物的有限元分析方法及程序。 2 ． 3 有 限元结果分析与检验 以切深 2 mm、无倒角 、齿径 1 3 ． 4 mm的 P D C 齿为例进行有 限元结果 分析与检验 ，P D C齿 的前
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