旋切方式作用的新型钻头破岩特性与试验分析

在分析传统三牙轮钻头破岩特性的基础上,提出一种旋切方式破岩的新型钻头(旋切钻头)。运用柱坐标与复合运动原理,建立破岩过程切削齿的位置方程、速度方程和加速度方程。同时结合算例参数,分析不同齿圈切削齿破岩过程接触段上的速度和加速度分布规律。根据加速度计算结果进行切削齿破岩工作力学和失效机制研究。结果表明:在钻进过程中,旋切钻头的切削齿以冲击、旋切方式破岩,不同齿圈切削齿同时切削井壁,且大齿圈切削齿过井眼中心,运动速度快,可有效地提高钻头心部破岩效率。试验结果验证了算例分析和计算方法的正确性,建立的计算方法修正了现有研究的部分错误,且适用于其他牙轮钻头与复合钻头的研究。     

单齿圈复合运动破岩系统动力特性分析

牙轮钻头牙齿与岩石相互作用过程中的实际运动是很复杂的,它是变角度、斜向冲击压入加滚动和刮切等多种运动的复合。单齿圈复合运动破岩系统能够真实模拟全尺寸钻头上牙齿的运动、受力和破岩的状况,可获得较真实和完整的在一定钻头结构、钻压和转速下无重复破碎的井底破碎坑,从而为评价现有钻头性能和开发设计新型钻头提供重要的依据。研究单齿圈破岩理论,建立单齿圈复合破岩系统几何模型和动力学模型,对于分析不同类型钻头的破岩效率和建立钻头破岩的计算机仿真系统都具有非常重要的意义。通过ABAQUS有限元分析软件建立单齿圈复合运动破岩系统有限元分析模型,采用线性D-P模型模拟岩石材料,进行了单齿圈复合运动破岩系统的仿真。     

模块化布齿的新型PDC钻头破岩特性

针对现有PDC钻头破岩过程中比压会随着磨损增加而迅速减小的特点,设计一种比压可控的模块化PDC钻头(模块钻头)。首先进行模块钻头切削单元布置方法设计,分析和优化钻头的有效切削刃长,在此基础上建立模块钻头切削齿破岩过程的力学模型,分析切削面积、切削深度、切削齿半径、载荷之间的关系。通过对比现场试验与算例结果,验证模块钻头的破岩特性。研究结果表明:模块钻头能减小有效切削刃长,保证切削单元的钻进比压,增加切削齿的切削深度、切削面积和切削载荷,提高钻头的有效破岩体积,增加钻头的总进尺。通过模块化布齿设计布置,模块钻头可填补常规PDC钻头与孕镶钻头之间的空白。     

基于ABAQUS的PDC钻头切削齿破岩仿真及热分析

目的研究聚晶金刚石(PDC)钻头切削齿破岩过程中的温升及变形情况,确定在不同切削参数下PDC钻头单齿破岩时温升和变形的变化规律.方法利用非线性有限元仿真软件,建立了二维PDC钻头切削齿-岩石动态仿真模型,通过改变钻头切削齿破岩时的切削参数,得到了不同参数条件下切削齿温度和变形的变化规律,对切削齿破岩过程中的温升及热变形进行分析.结果切削温度在初始阶段上升较快,0. 02 s左右趋于平稳,同时切削深度对温度的影响最大;温度的升高以及切削力的变大,会使切削齿的变形增大.结论在PDC钻头单齿破岩的过程中,PDC切削齿的温度变化与其切削深度、切削速度以及齿前角密切相关.切削深度对其温度的影响较为明显.与所受的切削力相比温度对切削齿的变形影响较为明显.     

PDC钻头切削齿的受力模型的建立

PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit,聚晶金刚石复合片钻头)以其机械钻速高,寿命长,综合效益显著等优点在石油钻井中有十分广阔的应用前景,其损坏的各种原因与钻进时其上切削齿的受力有关,本文建立了切削齿在钻进中的破岩受力模型,并进行了分析,得到了切削齿受力的影响因素,为PDC钻头合理的结构设计提供了依据。     

PDC磨损齿切削破岩过程的实验研究

为探究深部钻井PDC钻头切削齿在磨损状态下的切削破岩过程,选取深部钻井PDC钻头上不同磨损程度的PDC齿开展单齿切削实验,借助应力测试系统、高速摄影机和热红外成像仪分析磨损齿的受力状态、温度变化规律以及岩石裂纹扩展过程。结果表明,与未磨损齿相比,磨损齿所受切削力更大、温度变化更明显,且更易产生大体积岩屑,这将导致钻头在井下振动加剧,磨损急剧加快,严重影响其使用寿命;切削花岗岩时切削力和温度大幅上升的问题更加突出,但更容易发生体积破碎,产生较大块的块状岩屑。研究成果将有助于重新认识真实井底磨损齿切削破岩及温度变化规律,并为钻头设计及井下寿命评估提供重要参考。     

泥包对破岩效率影响的PDC单齿切削模型研究

PDC钻头泥页岩地层钻进易发生泥包,严重影响机械钻速。钻进性能的变化归根结底源于切削齿与地层的相互作用,但是目前建立的单齿切削模型考虑的因素不全面,并不适用于钻头发生泥包的情况。建立了PDC钻头分别发生切削齿泥包和钻头整体泥包时的单齿切削模型,模型全面考虑了围压、切削齿倒角面、切削齿后底面、岩屑破碎带等因素,通过实例计算、利用前人实验数据验证了模型计算结果的可靠性。最后利用模型量化分析了泥包对破岩效率的影响规律,结果发现切削齿泥包和钻头泥包均严重影响破岩效率,且后者影响程度更大;切削齿泥包中,围压和"泥包团"长度对破岩效率影响显著,破岩效率均随两者的增大而减小;钻头泥包中,泥包面积对破岩效率影响显著,破岩效率随泥包面积的增大而减小。     

PDC钻头切削齿运动规律的探讨

根据ＰＤＣ钻头的运动特点及工作特点，建立了描述ＰＤＣ钻头各个切削齿运动规律的理论分析体系，给出了计算或确定各切削齿运动速度、切削面积、井底角、旋转一周的破岩体系、切削齿的工作部位等参数的具体方法，为分析和评价或定量计算各切削齿工作条件和钻头总体性能奠定了基础。     

智能仿生PDC钻头的破岩数值模拟

为解决普通孕镶金刚石钻头(普通钻头)破岩效率低、钻进不稳定、不耐磨以及不能根据地层选择合适形态破岩等问题,结合仿生原理和非平面结构设计了新型聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact, PDC)齿和钻头底唇面,提出一种在钻头底唇面安装传感器进行岩性识别,可选择合适形态破岩的智能仿生PDC钻头(智能钻头)。利用机器学习,基于现场钻井数据对岩石性质进行分类。分析了智能钻头切削结构针对软中硬地层和硬地层具有两种工作形态,基于建立的切削模型和岩石失效准则,对智能钻头和普通钻头的破岩过程进行数值模拟对比,结果表明：机器学习的加权KNN(K-nearest neighbor)算法可很好避免样本重叠问题,可精确对岩石性质分类,其训练模型可提供给传感器进行岩性识别。破碎砂岩时,智能钻头经传感器调节将具有PDC齿的底唇面和仿生底唇面保持同一高度破岩,对比普通钻头,其破岩比能和切削力明显更小,表明其效率更高、切削更稳定;破碎花岗岩时,智能钻头经传感器调节将具有PDC齿的底唇面下放破岩,其破岩效率明显高于普通钻头,也更稳定。研究成果对石油钻井设备智能化发展有重要意义。     

三牙轮钻头齿面结构对破岩效率影响的研究

本文叙述了三牙轮钻头齿面结构对破岩效率影响的研究方法,研究工作是用全尺寸钻头在地面钻头试验架上进行。作者根据试验钻头对不同岩石钻进时所测得的钻进参数、钻进指标和钻头的井底模式,结合它们的齿面结构,分析其对破岩效率的影响,找出各钻头齿面结构的优缺点。从而对现有国产钻头提出改进意见,并将所获得的认识用于新钻头的设计之中。     

大尺寸牙轮钻头结构设计问题的分析

针对深井上部大直径井段中牙轮钻头机械钻速低的问题，从设计角度对目前大尺寸牙轮钻头的齿面结构和水力结构进行了分析和讨论。与Φ２１５．９ｍｍ钻头相比，在相同地层条件下，Φ４４４．５ｍｍ钻头牙齿与井底岩石的最大接触应力低１８％～２８％，相同齿圈上的齿顶间距增大７０％～８０％，井底面积覆盖率减小了近５０％，平均单齿破岩量增加了１．７４倍，因而在硬地层和砾石层中破岩效率要低。在相同机泵条件下，Φ４４４．５ｍｍ钻头的井底比水功率远低于Φ２１５．９ｍｍ钻头，井底和钻头清洗状况不良，影响了机械钻速。因此，应根据大尺寸牙轮钻头的具体情况，对齿面结构和水力结构进行改造，以提高钻头的破岩效率和清洗效率。同时应增加钻头类型，完善钻头系列。     

牙轮钻头牙齿破岩有限元分析

牙轮钻头是石油钻井中主要的破岩工具。牙轮钻头的破岩是通过其齿圈上的牙齿和岩石相互作用完成的。本文通过建立牙轮钻头单个牙齿与岩石互作用模型,用有限元方法完成了牙轮钻头破岩过程的分析,获得岩石的破碎坑;进一步通过等效应力云图确定了牙齿破岩过程牙齿及岩石的应力分布情况,为进一步分析牙轮钻头破岩效率提供依据。     

振荡冲击器破岩机理数值模拟分析

为了揭示振荡冲击器作用下的井底岩石破碎机理,用数值模拟分析的方法,研究了不同参数对破岩效率的影
响,包括不同工作频率、不同循环动载和不同岩石类型,并分别对其进行了定量分析。结果表明,井底岩石的破碎分为
3 个区域：破碎区,损伤区和无损区,在振荡冲击器的作用下,井底岩石的破碎过程分为3 个阶段：钻头的中心齿压碎
岩石,边齿对岩石造成破坏,钻头旋转切削破碎岩石。井底岩石的破碎效率随着振荡冲击器工作频率的变化而变化,
当工具的工作频率为16 Hz 时,破岩效率最高,振荡冲击器的破岩效率随着交变动载荷峰值的增加而不断增加,当其
峰值载荷超过10 kN 之后,破岩效率增加比较缓慢,振荡冲击器的破岩效率随着地层岩石硬度的变化而变化。这对振
荡冲击器的现场应用具有十分重要的指导意义。     

锥形PDC齿与常规PDC齿破岩效果对比试验

为对比分析锥形PDC齿与常规PDC齿在不同岩样上的破岩效果,通过单齿破岩试验,分析了不同磨损高度的常规PDC齿与锥形PDC齿在钻压影响下的破岩规律。结果表明：在一定的钻压下,锥形齿在钻进硬度较小的岩石(灰板岩、绿板岩、大理岩)时,相比无磨损PDC复合片的切削深度较小,但远大于磨损了的PDC复合片的切深,随着岩石硬度的增大,锥形齿的切削深度越接近无磨损的PDC齿;在钻进较硬的岩石(石灰岩、玄武岩)时,当钻压小于某一值时,锥形齿的切削深度小于无磨损PDC复合片,当钻压大于该值时,锥形齿的切削深度则大于无磨损PDC复合片。试验结果为复合片-锥形齿混合钻头设计提供了理论支撑。     

PDC钻头切削齿运动规律的探讨

根据ＰＤＣ钻头的运动特点及工作特点，建立了描述ＰＤＣ钻头各个切削齿运动规律的理论分析体系，给出了计算或确定各切削齿运动速度、切削面积、井底角、旋转一周的破岩体积、切削齿的工作部位等参数的具体方法，为分析和评价或定量计算各切削齿工作条件和钻头总体性能奠定了基础     

冲旋钻头结构对其寿命及破岩效率的影响研究

为研究气体冲旋钻头结构对其破岩性能的影响,文章采用非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,以岩石力学和有限元理论为基础,选择适合岩石侵彻问题的Drucker-Prager本构模型,建立了气体冲旋钻头破岩的有限元模型,模拟不同结构气体冲旋钻头破岩的过程,得到了钻头破岩过程中力与时间的变化曲线以及平均力、比能随结构参数变化的曲线;当第2齿面倾角取25°、第3齿面倾角取44°、露齿高度取7.25mm、钻齿半径取6.75mm时,钻头所受的阻力平均值和钻头破岩所需比能较小,有利于延长气体冲旋钻头的使用寿命,并能提高能量利用率。     

锥形齿PDC钻头台架试验研究

设计并加工锥形齿PDC钻头、锥形PDC齿与常规PDC齿混合的复合式钻头、常规PDC齿钻头,在不同性质的岩样上进行台架试验研究,分析锥形齿PDC钻头钻进硬地层的破岩效果以及钻压、转速等钻进参数对其钻进性能的影响规律,并与常规PDC钻头的破岩效果进行对比。结果表明:锥形齿PDC钻头具有钻进硬岩能力,机械钻速随钻压和转速的增加而增大;锥形PDC齿与常规PDC齿混合的复合式钻头在硬岩中可获得较高的破岩效率,机械钻速可提高90.6%。     

布齿参数对PDC钻头破岩效率影响的试验

PDC切削齿尺寸、后倾角和布齿密度是影响PDC钻头性能的重要设计参数.采用室内钻进试验方法,考察切削齿尺寸、后倾角和布齿密度对PDC钻头破岩效率的影响.结果表明:对可钻性为Ⅲ级以下的岩石,直径19 mm切削齿的破岩效率最高;对可钻性为Ⅳ～Ⅴ级的岩石,直径16 mm切削齿的破岩效率最高;采用直径19 mm和16 mm切削齿时,后倾角为15°左右时的破岩效率最高;随布齿密度增大,破岩效率降低,特别是在可钻性为Ⅲ级以下的岩石中,布齿密度的影响更为明显.     

PDC切削齿破岩效率数值模拟研究

PDC钻头是油田钻井的主要破岩工具,合理布齿设计是提高其性能的主要手段.基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的本构关系,建立了PDC切削齿动态破岩的三维仿真模型,分析了后倾角、侧倾角、切削深度、围压等因素对破岩能效的影响.结果表明,随侧倾角增大,破碎比功逐渐增大,小于25°时,破碎比功增加量很小,大于25°时,破碎比功大幅增加;随后倾角增大,破岩比功增大,其变化率基本不受切削深度和围压的影响;切削深度过大或过小,破碎比功均较大,切深存在最优值;随围压的增大,破碎比功增大,在较低围压范围内,破碎比功增加量最为显著.研究结果有助于深化对PDC切削齿破岩的认识,为PDC钻头的设计和定制钻进措施提供重要参考.     

气体钻井牙轮钻头井底流场特性分析

基于CFD 技术,通过建立井底流场计算模型,运用数值模拟的手段,对气体钻井的三牙轮钻头井底流场进行
了数值模拟,并分析了喷嘴侧倾角、前倾角和后倾角对井底流场的影响。结果表明：三喷嘴不同侧倾角设置比相同侧
倾角设置更利于井底清岩;三喷嘴复合前倾角比复合后倾角的井底清岩能力更强,但对牙轮切削结构的清洗效果较
差;在不改变气体排量的情况下,通过三喷嘴混合复合前倾角和后倾角的方式,可以在保证一个相对较好的井底清岩
能力的情况下,提高射流对牙轮切削结构的清洗能力和环空的携岩能力。分析结果为气体钻井系列牙轮钻头的设计、
评价以及现场气体钻井的技术措施提供了理论指导。