بخشی از مقاله
چکیده
عملیات حفاری یکی از پرهزینهترین فعالیتهای بالادستی صنعت نفت است. مته، از اساسیترین ابزارهای مورد استفاده جهت حفاری میباشد، که انتخاب متهای مناسب، یکی از مهمترین مسائلی است، که یک مهندس حفار با آن روبرو است. هندسه تیغه PDC ، نقش بهسزایی در عملکرد مته PDC دارد. هندسه تیغه، یک اصطلاح کلی است، که شامل: اندازه تیغه، زاویه شیب عقب، زاویه شیب جانب و هندسه پخ میباشد.
هندسه ای ابزار برش، بدون شک تاثیر بهسزایی در میزان خردایش سنگ، و انرژی مصرفی برش دارد. لذا دراین تحقیق، به منظور بررسی تاثیر، زاویه شیب عقب، بر روی مکانیزم شکست سنگ آهک، از نرم افزار عددی کد جریان اجزاء - PFC2D - که علاوه بر شبیهسازی شروع و گسترش ترک قادر به فراهم کردن، امکان شمارش تعداد و پیگیری مکان ترکها و مقایسه آنها با ثبت و نمایش انرژی را دارد، استفاده شده است.
تغییرات انرژی ویژه - MSE - ، روند شکست سنگ و ترکهای ایجاد شده در 2 عمق برش 1و 2 میلیمتر، تحت 5 زاویهای مختلف تیغه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان داده است که، افزایش زاویه تیغه، تاثیر بهسزایی در مکانیزم جریان مواد خرد شده در زیر تیغه دارد. همچنین افزایش عمق برش، تاثیر بیشتری در تعداد ترکهای ایجاد شده، و انرژی ویژه، نسبت به افزایش زاویه تیغه دارد.
.1 مقدمه
مته عامل انتقال انرژی دریافتی از لولهی حفاری به سنگ میباشد، و از این طریق موجب نفوذ در آن میگردد. بدون شک میزان انرژی باید به حدی باشد، که بتواند مقاومت سنگ را در هم بشکند. اولین بار تیغههای PDC در دههی 1970 توسط شرکت جنرال الکتریک ساخته شدند. این تیغهها از لایههای الماس مصنوعی با ضخامت 0/5 تا 3 میلیمتر که روی زیرساختار کاربید تنگستنی ضخیمی سوار شدهاند، تشکیل شده است
مته های PDC نسل جدیدی از متههای تیغه ثابت هستند، این متهها میتوانند بارهای ضربهای و چرخشی زیادی را بدون این که تیغههایشان بشکند تحمل کنند، و در واقع طرح تیغه تاثیر مستقیم در قابلیت حفاری دارد. تیغههای PDC با زاویه حملهی معینی نسبت به سنگ، بر روی بدنهی مته قرار میگیرند. که به زاویه جهت یا زاویهی انحراف تیغه تعبیر میشود. امتداد برندهی مته برحسب شیب عقب، شیب جانب تعریف میشود .[2] شکل - 1 - ، به خوبی این دو پارامتر را نشان میدهد.
شکل .1 امتداد برنده که برحسب، زاویه شیب عقب و زاویه شیب جانب بیان شده است.
تیغهای که برسطح سنگ عمود باشد، دارای زاویهی انحراف صفر است. اگر تیغهای به جلو خمیده باشد، و مانند خیش درون سنگ فرو برود، دارای زاویهی انحراف مثبت است، و اگر تیغه نسبت به سازند کمی به سمت عقب انحنا داشته باشد، به این زاویهی انحراف خلفی، یا شیب عقب - Bake rake angle - گویند.
هنگامی که در دهه 1970 متههای PDC معرفی شدند، بیشتر محققان تحقیقات خود را به توسعهای مدلهایی برای متههای PDC متمرکز کردند. گلوکا درسال 1989 آزمایش برش سنگی با استفاده از تیغهی برش PDC انجام داد، و با آنالیز کردن دادهها و نتایج، مدلی را برای نیروهای فعال، روی برش دهنده، با در نظر گرفتن عمق برش، زاویهی برش دهنده و شرایط فیزیکی سنگ ارائه داد
هاریلند و همکاران در سال 2009، یک مدل تحلیلی برش سنگ، برای تیغهی برش PDC جهت محاسبهی تاثیر زاویهی برش دهنده توسعه دادند. آنها یک پارامتر جدید - حجم ویژه - را برای نشان دادن تاثیر برش، پیشنهاد دادند .[4] منزو در سال 2014 روند تکه تکه شدن سنگ را با استفاده از کد المان محدود LS-DYNA شبیه سازی کرد. در این شبیهسازی تاثیر زاویههای مختلف تیغه، عمقهای مختلف برش را بر روی روند شکست سنگ مورد تجزیه و تحلیل قرار داد
هی و همکاران در سال 2017، تاثیر زاویه شیب عقب را بر روی حالتهای شکست سنگ، و انرژی ویژه بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند، که شکست بریتلی که با افزایش عمق به دست میآید، با زاویه شیب عقب زیاد هم حاصل میگردد، و از طرفی دیگر با کاهش زاویه مقدار انرژی ویژه کاهش مییابد .[6] در این تحقیق سعی برآن است که مکانیزم شکست سنگ، طی حرکت افقی تیغه PDC با سرعت ثابت در 5 زاویه مختلف، با استفاده از نرم افزار عددی PFC2D شبیهسازی شود و تاثیر زاویه تیغه در مکانیزم جریان مواد خردشده، مقدار انرژی ویژه، و تعداد ترکها، بررسی گردد.
.2 مدلسازی عددی
قبل از انجام مدلسازی عددی برش سنگ و بررسی تاثیر زاویه تیغه PDC، در مکانیزم شکست آن در ابتدا باید یک نمونه سنگ مصنوعی ایجاد شود، از آنجا که مدل عددی نماینده سنگ واقعی است، لذا باید از ذرات دیسکی با اتصال تماسی-موازی بین دیسکها استفاده شود. در این شرایط با انتخاب صحیح خصوصیات میکرومکانیکی ایدهآل - نظیر سختی نرمال و برشی اتصالات، مدول یانگ و پواسون اتصالها و ... - باید خصوصیات ماکرومکانیکی ایدهآل مدل را برآورد نمود. به گونهای که رفتار ماکرومکانیکی عددی و آزمایشگاهی مشابه گردد
در این مقاله از نتایج کالیبراسیون این نرم افزار در رابطه با سنگ آهک Carthage با مقاومت فشاری تک محوره 110 مگاپاسکال استفاده شده است
مدلسازی به صورت دو بعدی و در نرم افزار تجاری PFC2D_v5 انجام میگیرد.
به منظور شبیهسازی برش سنگ، توسط تیغه برش PDC ، نمونهای با ابعاد 25×80 میلیمتر، حاوی - 3336 - ذره دیسکی شکل با ابعاد 0/3 تا 0/498 میلیمتر ساخته شد . در نهایت در دو عمق برش 1 و 2 میلیمتر، تیغهای با 5 زاویهی مختلف 0 - ،10،20،30، - 40 درجه با سرعت افقی ثابت، بر روی نمونه حرکت داده شد. نتایج مدلسازی در عمق برش 2 میلیمتر در شکلهای - 2 - تا - 4 - نشان داده شده است.
شکل.2 نحوهای شکست سنگ تحت فعالیت تیغه با زاویه 0 درجه - سمت راست - ، و زاویه 10 درجه - سمت چپ -
شکل.3 نحوهای شکست سنگ تحت فعالیت تیغه با زاویه 20 درجه - سمت راست - ، و زاویه 30 درجه - سمت چپ -
شکل.4 نحوهای شکست سنگ تحت فعالیت تیغه با زاویه 40 - درجه -
.3 تحلیل نتایج
در شکلهای - - 2 تا - - 4، به خوبی واضح است، که با افزایش زاویه شیب عقب، سطح تماس بین سنگ و تیغه افزایش مییابد، که این خود عاملی تاثیر گذار در مکانیزیم جریان مواد خرد شده در زیر تیغه است. در زاویه - 0 - درجه مواد خرد شده تمایل دارند، که به سمت بالا و موازی با سطح تیغه حرکت کنند، درحالی که در زاویههای - 10 - و - 20 - درجه مواد خرده شده حرکتی رو به جلو دارند و در زاویههای - 30 - و - 40 - درجه، مواد تمایل دارند، که در زیر تیغه و رو عقب حرکت کنند.
از این رو مکانیزم جریان مواد خرد شده در زیر تیغه، یکی از عوامل تاثیر گذار در مقدار انرژی ویژه مصرفی است. مطابق شکل - 5 - ، با افزایش زاویه، انرژی ویژه مصرفی - MSE - ، افزایش مییابد. که در زاویههای کم، افزایش دو برابری عمق برش، باعث افزایش دو برابری انرژی ویژه میشود. مطابق جدول - 1 - ، شکستگیهای اصلی در مدل به خاطر گسترش ترکهای کششی است، همچنین افزایش زاویه تیغه، نسبت به افزایش عمق برش، نمیتواند تاثیر چندانی در تعداد ترکهای ایجاد شده داشته باشد.
