基于Autodyn数值模拟的卡钻处理技术研究

0 引言

由于地质构造的复杂和不可预见等因素，卡钻现象是经常发生的事故之一。由于卡钻位于地表以下几百米处，压力大且钻杆内常有水和泥浆，(井帮的安定性)限制了炸药的使用量和传统的爆破方法，如何快速有效地解决卡钻事故具有重大的应用价值。另一方面，大钻机卡钻问题常常导致大型井筒的报废，而使用大钻机的施工工程直接造价一般超过亿元，并常牵连到其他工程。因此大钻机卡钻问题的研究和解决具有巨大的经济价值。数值模拟可以找出炸药合适的药量和安装位置，对实际操作有重要指导意义[1-7]。

我国政府向社会组织购买公共服务是实现社会管理职能的一种重要方式，是为了促进社会稳定，提高国家存在的合法性。尤其是当政府提供的公共服务根本无法满足社会日益增长的需求时，借助社会力量就成为必然。其次，政府购买公共服务促进公共服务均等化，有利于为社会个体的发展提供有效保障，激发社会活力，促进社会的发展。此外，我国改革开放极大地促进了我国物质财富的增长，这也要求我国公共服务的供给应该更具灵活性和多样性，这是与我国经济社会发展相适应的。

俞克东等[8]研究了封隔器卡钻事故处理方法，研究通过典型实例，对Y341型封隔器卡钻的原因进行了详细剖析，总结了现场解卡经验，探索出一套有效解除Y341封隔器卡钻事故的处理方法；龚志炜等[9]对水平井压裂卡钻事故进行了研究，探索应对卡钻事故的策略，探讨相关的专项的预防措施，以期能够对今后压裂施工中发生类似问题及解决起到了一定的指导作用。

传统的数字广播电视体系历经多年的发展，其运行模式是高可靠性和高安全性的，为整个数字电视产业的发展奠定了坚实可靠的基础。广电的IP化不仅仅是用IP链路代替SDI链路，它的前景是能够享受到IT产业带来的红利、新的广告模式、新的业务模式、新的传输途径，能够满足群众日益增长的文化需求，这才是IP产业的发展给广电带来诸多益处。

1 理论与工程分析

1.1 确定装药形状

考虑到泥浆密度1.2 g/cm3，可以应用水中爆炸理论进行分析，根据水中爆炸冲击波的相似率分析[10-14]，一般情形中冲击波超压的变化规律为：

随着科学技术的发展，图书馆传统服务模式已经不能满足师生用户的需求。当前高职院校图书馆的服务观念还是传统的被动形式，没有主动迎合师生用户的阅读需求，没有真正将“读者第一，服务至上”的服务观念重视起来，而且图书馆提供的服务形式相对单一，还是以往传统的服务模式，提供的信息服务相对被动，除了传统外借服务与阅览服务、检索服务以外，没有提供更高层次的信息服务。另外，高职院校图书馆还存在图书采购、电子资源程序复杂的现象，信息更新周期相对较长，不能及时满足师生用户需求。在信息时代下，高职院校图书馆应该转变陈旧的信息服务观念，充分利用网络信息技术，为师生用户提供主动而且便捷的服务。

(1)

 

(2)

式中，r0为装药半径；r为距离装药轴的垂直距离。

柱形装药起爆后不同时刻的压力云图如图1所示。

 

表1 水中爆炸冲击波超压相似率的标准系数Tab.1 Standard coefficient of similarity of overpressure of shock wave in water explosion

  

标准炸药几何情形r/r0的范围psm/GPamPETN柱面波(N=1)1.3< r/r0<17.84.7071.0817.8< r/r0<240.01.7360.71ρ0=1.6 g/cm2Qsρ0=5 852 kJ/kg球面波(N=2)1.0< r/r0<2.114.4653.002.1< r/r0<5.77.3402.005.7< r/r0<2832.1601.20

本文的这种特种爆破是利用强冲击在钻具的薄弱部位实现应力集中，进而导致此部位的断裂，实现解决卡钻问题的最关键步骤。由于利用经验公式进行压力分析时，只考虑装药形状、相对距离、装药半径因素，并未考虑装药长度(整体质量)的影响，现以数值计算为手段，开展强冲击下钻具和井帮的应力分析。

 

表2 不同装药半径下泥浆与岩石界面处产生的超压Tab.2 Overpressure generated at the interface of mud and rock at different charge radius

  

几何情形r/mmPm/MPar0=40 mm r0=60 mm r0=80 mm r0=100 mm r0=120 mm柱面波N=1500294.59456.46622.78792.50964.971 000171.72215.92294.59374.88456.461 500128.77171.73210.64241.94294.593 40072.0396.05117.82138.05157.12球面波N=2500100.99164.28232.01241.2347.331 00043.9671.51100.99132.00164.281 50027.0243.9662.0881.14100.993 40010.1216.4723.2530.3937.83

考虑到炸药的装药直径暂时不能确定，但是岩石壁面与炸药轴心距离3 400 mm是固定的，结合经验公式的误差，显然各个装药直径情形下球面压力明显偏小，选择柱形药。

1.2 应力的透射

根据应力波透射公式[15-18]：

 

(3)

式中，ρslcsl、ρsdcsd分别为铁和岩石的波阻抗，取ρslcsl=4.056×107 kg/(m2·s)，ρsdcsd=7.8×106 kg/(m2·s)，而泥浆的波阻抗(考虑爆炸超压下水的压缩性使得声速增大)取值ρwcw=2.64×106 kg/(m2·s)；Psl、Psd、Pw分别是钢铁、岩石和水中的冲击波压强，则Psl=1.88Pw，Psd=1.4Pw。

不同装药半径下钢铁、岩石和水中产生的超压见表3。

 

表3 不同装药半径下钢铁、岩石和水中产生的超压Tab.3 Overpressure generated in steel，rock and water at different charge radius

  

项目r/mmr0/mm406080100120Psl/MPa500553.83858.141 170.831 489.91 814.14Psl/MPa1 000322.83405.93553.83704.77858.14Psl/MPa1 500242.09322.85396.00454.85553.83Psd/MPa3 400107.32143.11175.55205.69234.11

这里σ*为压力与有效应力的比值，即σ*=P/σeff，损伤D定义为当参数D达到1时发生失效。

经过初步的经验公式估算，同时考虑的经验公式带来的误差，确定选择装药半径40～80 mm的柱形装药，进一步结合操作人员的实际工作经验，最终选择了半径60 mm的柱形装药。

其二，历史传统生成的危机性。城市社会与历史传统的连续性问题是指，历史作为过去式是不是标志着落后？城市社会的自身传统如何形成？是否可以用一个城市标准作为所有城市发展的目标？城市社会发展的目的是否意味着东方文明向西方文明学习？就当下而言，城市发展呈现出这样的特征，即历史传统被精英文化所控制甚至抹去。究其原因，这一方面是因为既有历史文化的消失与压缩，另一方面是因为新的历史文化形成的动力缺失，从而造成城市精神危机。例如，既有历史文化中的春节，家乡的与城市的始终是两个味道；返乡文化和春运文化成为我国改革开放后 “来也匆匆，去也匆匆”的新的历史文化。如何构建新的历史文化仍然是今天值得探索的一个重要问题。

2 数值与工程分析

2.1 材料参数

2.1.1 JC本构

JC本构模型使用下式描述材料的屈服应力，显示了材料热粘塑性特点。一般而言，金属材料在高速变形过程中，屈服应力与材料应变率正相关，与材料温度负相关[19-20]。

 

(4)

 

(5)

式中，A、B、C、n、m为材料常数；为等效塑性应变；为等效塑性应变率；Tmelt为熔化温度；Troom为室温。

计算参数见表4。

 

表4 JC本构模型计算参数Tab.4 JC constitutive model to calculate parameters

  

G/GPaA/GPaB/GPaCnmTmelt460.090.2920.0250.311.091 356

作为损伤形本构，失效时的应变用式(6)计算：

随着越来越多的立法者加入其中，2015年国会要求NIH为阿尔茨海默病的研究准备一份“专业判断”的预算，这也是一份实现2025年目标所需要的愿望清单，该清单会绕过联邦预算程序，直接提交给总统和国会。此前，只有癌症和艾滋病的研究才能享受这种特殊待遇。

 

(6)

砂岩的抗压强度为4.5～180.0 MPa，而钻机的强度达到700 MPa。保证井帮稳定不发生坍塌的情况下，而钻机容易发生断裂，即水中冲击波进入岩石的应力小于180 MPa，而进入钢铁之后尽量大。炸药水下爆炸后，经过边壁的多次反射和钻机内部变截面处的冲击波透反射应力变化，有可能在(使用年限过长)钻机的变截面的薄弱位置汇聚，强度大幅度增加，从而形成700 MPa左右的冲击波应力，多次爆炸冲击加载(损伤积累)，最终使得钻机的薄弱部位发生断裂。进一步的分析将在数值模拟工作中完成。

2.1.2 炸药参数

RDX炸药(RX-06-AF)JWL状态方程参数见表5。

示范田位于江苏省扬州市广陵区沙头镇新兴村，面积6 670 m2，前茬作物为水稻。土壤为壤土，肥力中等，地势相对平整。防病治虫、施肥等田间管理按常规方法进行。

2.2 单次爆炸的间距和最大炸药量设计

考虑到实际装药尺寸的限制(钻杆内空腔直径327 mm)和对井帮安全性的重点研究，针对40，60，80，100，120 mm的球形和柱形装药半径，分别计算其爆炸在不同位置处以及泥浆和岩石交界面处(r=3 400 mm)产生的超压，结果见表2。

 

表5 RDX炸药(RX-06-AF)JWL状态方程参数Tab.5 RDX explosives(RX-06-AF) JWL equation of state parameters

  

A/MPaB/MPaR1R2ωρ/(g·cm-3)PCJ/MPa5.039.07×10-24.31.10.351.6580.27

当冲击波传播到岩石界面时炸药已经完全起爆，波形明显区别于未完全起爆时的波形。可以看出不同垂直距离上的压力情况压力，显然经验公式只考虑轴向距离是有待进一步改进的。通过事先设置多个Gause点，通过图1查看泥浆中压力最大的区域，对应着强冲击下井帮最易发生破坏(坍塌)的区域，选择相应的Guase点，通过比较从而记录下井帮应力最大处峰值情况(表6)，岩石中压力最大处的应力情况(图2)。

Pm=pm(r0/r)m

2.2.1 井帮压力

标准炸药的标准系数的值见表1。对于实际过程中所用的钝化RDX，取Qρ0=5 170 kJ/kg。式(2)系数m不变，Pm按实际炸药值和几何指数N进行换算。

  

图1 起爆之后不同时刻水中压力Fig.1 Water pressure at different times after detonating

通过Autodyna数值模拟进一步分析整体装药质量的影响，同时验证经验公式计算的装药半径60 mm的圆柱形药包在钻具下方不同位置处起爆的力学参数(应力分布情况)：①炸药顶端距离钻头50 cm，高100 cm；②炸药顶端距离钻头100 cm，高100 cm；③炸药顶端距离钻头100 cm，高150 cm。

 

表6 井帮应力最大处峰值情况Tab.6 Maximum stress peak condition of well stress

  

装药情况钻头壁面最大应力/Pa压应力拉应力岩石壁面最大压应力/MPa1349.34369.28113.652325.32290.69113.383322.08284.23143.85

比较表6中情况1和情况2，减少炸药顶端与钻头的距离可以有效增加炸药爆炸在钻机最下端壁面的拉压应力，同时不影响壁面的压应力，爆炸井帮安全；比较情况2和情况3，减少装药量使得岩石壁面上的压应力大大减小，减少了井筒崩塌的可能性，利于井帮安全。

  

图2 不同装药情况的钻机与井帮的壁面上应力最大点时程曲线Fig.2 Time history curves of maximum stress on the wall of drilling rig and sidewall under different charging conditions

采用数值模拟进一步分析了在半径为60 mm的柱形装药在不同长度(装药质量)情况下的应力分布情况，这比只考虑装药半径不考虑装药长度(质量)单纯的经验公式更具有实际工程应用的参考价值。第3种情况，对应6 994 g装药，此时壁面的应力已经达到143.84 MPa，结合经验公式，得出结论与实验结果相符。

2.2.2 钻机主要变截面处的Von-mises应力

图3示出了情况2四个时刻的钻具等效应力云图。可以清晰看到强冲击下应力波的传播；同时，可以看出，爆炸对钻杆主要是从下方小钻头部分进行作用的，而扩孔钻头部分由于和井帮紧紧挨着，因而从泥浆中传入的冲击波较少；此外，可以看出，在强冲击下，在大、小钻头连接处，钻头与加重杆连接处，受到较大冲击，而在加重杆和钻杆连接处，应力没有明显提高。情况2、情况3钻具等效应力云图类似。所以能够保证加重钻杆及其以上部分全部取出井筒，井下仅剩刀盘部分。吊离井口后的加重杆与导向架如图4所示。

细胞培养：PC3 细胞株用含10%新生牛血清、青霉素(100 U/L)及链霉素(100 U/L) 的 DMEM培养基中，放置在室温37 ℃、湿度为5%CO2的孵箱中培养，3～4天传代1次。

  

图3 钻具等效应力Fig.3 Equivalent stress of drilling tools

  

图4 吊离井口后的加重杆与导向架Fig.4 Heavy rod and guide frame after hanging from the wellhead

从图3中看出，随着水中应力波传入钻机，大、小钻头连接处会首先形成应力集中。在情况2下，von-mises应力最大可达到892.5 MPa，而钻头与加重杆连接处的最大应力也可达到874.3 MPa，而钻机使用钢材的强度达到700.0 MPa。显然通过对药包进行药量与钻具下方的位置进行精心设计，可以在钻具的薄弱部位形成应力集中。进一步地分析，大、小钻头连接处形成应力集中的持续时间约在0.76 ms，明显小于钻头与加重杆连接处形成应力集中的时间1.2 ms，考虑到JC本构的损伤思想，认为钻头与加重杆连接处更加容易发生断裂。

数值模拟与马宏昊等的实验结果完全吻合，表明该数值模拟可以有效地完成水下爆炸解决卡钻问的分析。从图4可知，最后的断口位置确实在钻头与加重杆连接处，并且断口方向有较为明显的45°锯齿形状，与Von-mises的最大八面体剪应力方向一致。

3 结语

基于Autodyn软件，采用流固耦合算法研究了卡钻问题。结果表明，通过放置半径60 mm、高150 cm炸药在距离钻头100 cm处，可以在钻机薄弱位置形成应力集中，进而使钻头与加重杆有效分离。该结论与实验相符，可以为其他卡钻问题提供数值解决的途径，从而为实验的具体操作提供重要参考。

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