基于CAD的注水管内壁除垢钻头设计

任红伟

摘 要： 针对注水管线长期使用后内壁结垢现象严重，导致工作管径大幅缩小，注水效率降低等问题，对注水管内壁结垢物特点和钻削除垢方法进行了分析，并研究了钻头破碎垢物机理和切屑形成过程。选用多刃错齿钻头为钻型基础进行了结构分析；针对加工对象改进了钻头结构和刀齿分布规律，得到了除垢钻头结构方案。以注水管内壁和垢物为研究对象，建立有限元模型进行静态应力分析，得到了应力云图和路径曲线图，显示了钻削过程管壁应力状态。

关键词： 注水管内壁； 除垢钻头； 应力曲线图； 有限元分析

中图分类号：TH122 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2014）02-25-03

0 引言

注水管是重要的采油管具，由于所注水多为污水，注水管线经长时间使用，结垢与沉砂双重作用使得内壁结垢现象严重，导致工作管径缩小，井下注水压力下降，注水效率降低，因此需要定期将注水管取出清洗后继续下井使用[1]。机械钻通清洗是一种经济安全的清洗方法，钻通清洗从注水管内壁结垢形态分析，属于深孔加工扩孔钻削，从结垢性质分析，类似水平钻井破岩过程。由于结垢物情况复杂，现有钻通清洗钻头针对性较差，钻进过程易出现堵钻、卡钻现象，除垢效果不明显。大量结垢严重的注水管由于无法进行钻通处理不能回收再利用，增加了生产成本，因此需要研究垢物特点，分析钻通清洗过程注水管内壁及垢物受力情况，针对钻削对象对现有钻头进行优化设计，提高除垢能力。

1 注水管结垢特点分析

油田注水采油所用水多为污水，以孤东采油厂的一号到四号联合站以及KD521大站进行水质分析，用离子测定方法分析不同的结垢情况[2]，水中含Ca2+、Mg2+、Ba（Sr）2+等较为严重。

运用物相分析理论针对垢物成分、结垢部位进行分析，从结垢管线多处解剖情况来看，管线结垢呈现两种状况：

⑴ 注水管内壁坚硬致密的结垢物，主要成分是CaCO3；

⑵ 与致密结构物混合附着在注水管内壁的杂质，成分为松软油泥、砂土等。

根据分析结果，结垢情况不是单纯的水结垢，而是结垢和沉砂的双重作用。相对致密坚硬的结垢物产生原因是所注污水含钙量高，松软泥砂产生原因是供污水循环利用的沉淀罐体积小，污水沉淀时间短，所含泥砂没有得到彻底沉淀清除。

依据石油天然行业标准SY/T0600-1997《油田水结垢趋势预测》，对结垢物进行分析，分析结果见表1，可以看出垢样主要是碳酸钙，同时原油等有机物含量均较高。

2 钻削除垢设计

2.1 切屑形成

注水管内结垢物属于脆性材料，切屑形态无法像金属等塑性材料一样可以控制，因此可将除垢钻削类比于钻削破岩过程进行分析。

钻头破碎垢物的机理如图1所示，图1中箭头为钻进方向，当钻头在注水管内以一定进给量在垢物表面作切割运动时，钻头刀齿给垢物一个剪切力，垢物在剪切力作用下诱发出拉伸应力，当拉伸应力超过垢物的抗拉强度时，垢物产生微小裂缝，在钻头刀齿的共同作用下，裂缝增大，垢物形成碎块，达到去除的目的。垢物这样形成碎块而脱离注水管内壁的过程，就是钻头刀齿不断钻削除垢的过程，钻削除垢过程可能产生两次或三次小的破裂，再出现碎块，是跃进式的，整个过程一般分为四个阶段[3]。

⑴ 变形阶段。按赫兹剪应力分布理论，在刀具与垢物的接触点剪应力为零，从该点到垢物内某一点剪应力达到极值，超过此极值后，剪应力不断下降，剪应力最大值出现在接触边界附近的点上。

⑵ 发生裂纹阶段。当切削力超过垢物的抗拉强度时，接触点附近的垢物被拉开，产生赫兹裂纹。

⑶ 形成切削核阶段。随着切削载荷继续增加，剪切裂纹扩展到赫兹裂纹与自由面相交处，己破碎的垢物将被不断前进的钻头刀齿挤压成致密的切削核，并向附着有切屑的注水管内壁施加压力，其中一部分垢物切屑高速进入钻头前端内排屑孔，另一部分在切削液作用下排出。

⑷ 块体崩裂阶段。载荷继续增加，当压力超过许用剪应力临界值时，垢物突然崩裂，钻头刀齿切入，载荷瞬间下降，完成一次跃进式切削破碎过程。

2.2 钻削除垢原理及除垢钻头设计

常规钻削加工中加工对象为金属实体，与除垢加工有很多不同之处，归纳总结为以下两点。

第一，钻削对象材料不同，常规钻削加工切削对象为金属，属于塑性材料，而除垢钻削对象为CaCO3沉淀、泥沙、粘土等的混合物，属于脆性材料，与金属相比其物理性质不同，钻削过程钻头受力、钻进速度、切屑形成方式及排屑情况均不同。与金属钻削相比，钻削除垢过程更类似于钻井破岩过程[4]。

第二，钻削对象结构不同，注水管本身并未完全被垢物堵死，留有10～40mm不等直径的孔，并且孔壁凹凸起伏，不平滑，钻削除垢应属于扩孔钻。

多刃错齿内排屑深孔钻是内排屑深孔钻的典型结构[5]，设计中选择此钻型为基础进行分析设计，其钻削除垢工作原理为，切削液在较高的压力下（约2-6MPa），由注水管孔壁与钻杆外表面之间的空隙进入钻头工作区，冷却、润滑钻头，并将切屑经钻头前端的排屑孔带入钻杆内部，向后排出。内排屑方式可以防止切屑划伤注水管内壁，负压排屑装置可以加速排屑，解决堵屑问题。设计中钻头直径应与注水管直径间留出盈余量，以避免钻头工作过程中划伤管壁。

针对加工对象对钻头进行改进设计，通过改进钻头体结构和刀齿排列方式来改善钻头的切削状况，降低切削力。具体改进措施如下。

⑴ 将原结构的3个切削齿改进为4个，由内而外分别是：内尖齿、中间平齿、中间尖齿和外齿，其中内尖齿和中间尖齿分布在轴线一侧，中间平齿和外齿分布在轴线另一侧，如图2所示。通过增加一个刀齿，可以分散钻头受到的切向力和轴向力，改善内齿受力情况。

⑵ 去除原结构的偏心量，来减小作用在内齿上的径向力。内尖齿和中间尖齿为尖齿形，钻削过程中内尖齿会在垢物上形成切削反锥和环形凹槽，有利于钻销定位，起稳定钻削的作用。

⑶ 在钻头体上增加4个切屑液输送槽，其中两个在钻头体侧面上，另外两个由侧面延伸到钻头前锥面，保证了冷却效果和切屑的顺畅排出。凹槽结构同时减小了钻削过程受到的摩擦力，减小磨损。

3 注水管内壁应力分析

3.1 模型建立

为保证研究结果的可比性，建立了注水管内壁垢物层的模型，使其已钻削部分轮廓与钻头形状相同。注水管柱开钻实体模型由两部分组成，一部分为结垢注水管管壁的实体模型部分，即在开钻前管柱内未钻出的原状，另一部分为开钻部分，模型如图3所示。钻削除垢加工中为避免加工过程伤及管壁，钻头外沿与管壁之前有一部分切削余量，形成了图3中所示的残余垢物。

以砂岩模拟注水管内壁垢物，选择Solid65单元，该单元具有八个节点，每个节点有三个自由度，即x、y、z三个方向的线位移，与Solid45单元相似，只是增加了描述开裂与压碎的性能，可用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型，该实体模型可具有拉裂与压碎的性能，可用于加筋复合材料（如玻璃纤维）及地质材料（如岩石）[6]。本单元最重要的研究在于对材料非线性的处理，其可模拟混凝土的开裂（三个正交方向）、压碎、塑性变形及徐变。通过上述分析可知，该单元非常适合模拟注水管内壁材料，所以选为分析单元。

⑴ 开钻前，模型端面固定（即各向自由度为0）。

⑵ 钻进，模型端面固定（即各向自由度为0）、切削面施加钻削力。

⑶ 钻孔形成后，模型端面固定（即各向自由度为0）。

3.2 应力图分析

使用ANSYS软件分析注水管内壁模型，得到注水管内壁应力云图如图4所示。

轴向应力图中，垢物内壁的轴向应力呈环状分布，随半径增大而减小，在钻削面内侧有应力集中区域。径向与切向应力图中，垢物内壁的径向应力与切向应力分布情况相似，以主切削刃为中心呈环状分布，随半径增大而增大，即注水管内壁自由面释放了应力。

3.3 应力曲线图

垢物应力云图可以直观显示垢物应力的三维分布状态，应力曲线图则从量的方面表现应力的变化趋势和特点。

通过定义路径得到应力曲线图进行分析，可以全面反映新型除垢钻头钻削加工中的应力场特征，所以在垢物模型的剖面上定义一条应力路径way1，如图5中红线所示，其作用是显示钻削面和内壁三维应力的径向分布规律，该径向分布规律用于了解钻头钻削除垢工作中被加工垢物的应力状态。

路径应力曲线图如图6所示，图6中应力为负则说明垢物承受压应力，各曲线的尖角处是钻头工作区与管壁的交界点，曲线内侧起点为管内壁与钻头体接触点，从管内壁到交界点的应力状态是钻头体的工作区域应力状态，交界点外侧为管内壁的应力状态。

从图6中可以看出，随着半径的增大，三条应力曲线均先减小再增大，其中轴向应力变化最剧烈，径向应力次之，切向应力变化幅度最小，三向应力都逐渐变化到原始应力状态值。在该区域，形成了径向应力小、切向应力大的二次应力场特征，说明径向应力释放较充分，且切向应力方向正是钻头的切削方向，轴向应力方向为施加钻压的方向，有利于钻头提高机械钻速。

4 结束语

通过分析注水管结垢状况以及垢物特性，使用计算机软件模拟了注水管内壁垢物受力状态，得到应力云图和路径曲线图。模拟结果直观显示了钻削效果和钻削过程管壁应力状态，应力曲线图则从量的方面表现应力的变化趋势和特点，反映了钻削过程对管壁的影响，为实验测量值提供了对比分析的数据参照。

参考文献：

[1] 陈峰，赵春辉，陈朝林.油田注水系统结垢机理研究[J].油气田地面工程，2006.25（7）：7-8

[2] 孙志宇，蒲春生，谢丽华.孤东采油厂垦东大站强磁防垢室内实验评价[J].腐蚀与防护，2006.27（1）：20-22

[3] 徐依吉.超高压水射流理论与应用基础研究[D].西南石油学院，2004.

[4] 祝效华，邓福成，贾彦杰，童华，许建民.PDC钻头流场数值仿真与水力结构优化[J].石油机械，2010.38（8）：1-4

[5] 王世清.深孔加工技术[M].西北工业大学出版社，2003.

[6] 华剑，周思柱，黄天成.挠性抗回旋PDC钻头的有限元分析[J].石油矿场机械，2007.36（1）：39-41

[7] 彭烨，沈忠厚，樊胜华.基于开挖方法的井底应力场有限元模型[J].石油学报，2006.27（6）：133-136