旋切钻头的纵向振动与破岩性能研究

针对现有钻头的破岩问题与井底模型的特点,提出了一种以旋切运动方式破岩的新型钻头.基于旋切钻头的结构和运动学原理对其进行动力学的振动分析,建立切削齿的振动方程,得到旋切钻头不同齿圈上切削齿的振动位移和速度.然后进行旋切钻头的破岩特性研究,根据建立的钻头不同齿圈切削齿破岩特性分析模型,得到不同齿圈切削齿的冲击力、剪切力、破岩体积等结果并对比分析.研究结果表明:与现有钻头技术相比,旋切钻头利用冲击与剪切作用复合破岩,大圈齿过中心,可有效提高钻头心部破岩效率;井底模型呈旋风状,可实现所有齿圈切井壁,实现破岩过程钻头的保径功能.同时,建立的分析模型通过对应参数的变换,也可用于其他类型包括复合钻头的分析.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

冲击诱导损伤岩石的切削特性

为了提高硬岩矿山开采时牙轮切削钻孔效率,降低钻具磨损,提出冲击诱导切削复合破岩新方法。在Walsh模型的基础上,建立冲击诱导孔周围岩石损伤区的裂纹模型,推导岩石损伤区的牙轮钻齿侵入系数方程及牙轮钻速方程,分析裂纹密度和扰动频率分别对岩石弹性模量、钻齿侵入系数和钻齿切削力的影响。研究结果表明:随着裂纹密度增大,岩石的有效弹性模量减小,侵入系数逐渐减小;在一定内摩擦角范围内,随着裂纹密度增大,牙轮钻速显著提高;在相同轴向载荷条件下,随着冲击扰动频率增大,牙轮钻齿切削力逐渐减小。     

单齿圈牙轮钻头运动学实验研究

本文根据实验结果,着重分析了单齿圈单牙轮钻头的运动规律。指出:牙轮绕牙轮轴的转动和钻头绕钻头轴线的转动都不是匀速的,而是变速的。此外,还简要分析了牙轮的受力情况及牙轮齿与钢井底的相互作用过程。文章结合实验结果,还分别讨论了单齿圈双牙轮钻头和单齿圈三牙轮钻头的基本运动规律。以往,国内外关于牙轮钻头运动学的文章大多假定钻头的转动和牙轮的转动是匀速转动。这与实际情况不相符。为了真正掌握牙轮钻头的运动规律,我们拟实测钻头的转速和牙轮的转速,并从最简单的,既无移轴又无超顶的单齿圈等布齿的牙轮钻头入手进行研究。     

影响单牙轮钻头切削效率的原因分析

通过对单牙轮钻头切削机理的分析,从牙齿的露高、布置方式、形状三个方面,对单牙轮钻头牙齿在井底覆盖情况以及井底切削的均匀性进行分析研究。提出了在单牙轮钻头切削结构设计时:牙齿的露高设计应大于井底岩柱的高度;优化牙齿在球形牙轮经度和纬度方向的相差;在牙轮布齿面上,不同的布齿区域,选择适应该区域牙齿运动特点的齿形。     

全尺寸PDC钻头切削齿载荷分布规律的实验研究

根据实验应力分析原理,研究了三种剖面形状的全尺寸PDC刮刀钻头在常压下钻进红砂岩和白砂岩时,切削齿上的工作载荷.重点研究了切削齿上的轴向力、切削力、侧向力及其合力沿半径的分布规律及其与钻压和转速的关系,还分析讨论了岩石类型和钻头剖面形状对载荷分布规律的影响.结果表明,钻头形状不同,切削齿上的载荷分布亦不同;转速对切削齿上的载荷分布基本无影响.     

三牙轮钻头的计算机仿真模型

本文将牙轮钻头上各牙齿置于易于描述的坐标系下．通过坐标变换方法,实现了各牙齿的空间位置交换．在钻头几何学和运动学的基础上,建立了随钻运动的牙轮钻头的计算机仿真模型。该仿真模型可真实反映牙轮钻头钻进过程中牙轮上各牙齿的形状、大小,钻头上各牙齿的布置及钻头钻进过程中各牙齿间的相互位置关系。该项研究不但是钻头与岩石互作用仿真研究的核心问题之一,也是分析研究牙轮钻头工作行为的基础。     

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。     

井底牙轮钻头的钻速方程及现场应用

以岩石侵入理论为基础,在考虑井底压力的条件下,建立牙轮钻头的钻速模型。结果表明:在地层由软、中硬到硬地层过渡过程中,钻速方程能够解释不同破岩方式下牙轮钻头的机械钻速问题;随着刃尖角的增大,锥形齿和楔形齿的牙齿侵深都呈指数递减趋势;随着井眼内钻井液柱压力的增大,侵入深度呈指数递减趋势,其中锥形齿递减趋势大于楔形齿;模型理论钻速计算结果与实际钻速数据接近,最小欧式距离为25.8。     

锯齿形PDC刀具的破岩特性及温度场

聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact, PDC)刀具的结构是影响钻头性能的重要因素,锯齿形PDC刀具性能较好但研究较少,缺乏相关理论支撑。因此,基于弹塑性力学及Drucker-Prager准则构建了刀具与岩石的有限元模型,对锯齿形PDC及常规PDC刀具的破岩和温度场进行对比研究。结果表明,锯齿形PDC通过剪切和犁碎的方式破岩,有效且明显提升了破岩效率。锯齿形PDC较常规PDC切削力均值减小约20%,波动明显更小。后倾角变大,其切削力增加,破岩比能先增加减小又增加,存在最佳后倾角10°～15°;切削深度增大,切削力变大,破岩比能先减小后增加,存在临界切深1.5～2 mm;锯齿数增加,刀具的切削力与破岩比能先增加后减小,3个锯齿为最佳。温度场研究结果表明,锯齿形PDC比常规PDC刀具散热面积大,热稳定性更好,工作参数与温度变化之间存在规律。研究深度揭示了锯齿形PDC刀具的破岩特性以及温度场,对PDC刀具优化及高性能钻头布齿具有较为重要的指导意义。     

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。     

旋转水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型模拟了旋转水射流作用下岩石的损伤破坏过程 ,其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。同时还对旋转水射流的破岩机理进行了分析。模拟计算结果与前期的试验结果一致 ,均显示旋转射流具有较强的破岩能力 ,其原因在于旋转射流的质点具有三维速度 ,破岩时以倾斜冲击为主 ,易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏 ,回流的干扰较少 ;破岩过程首先是形成一环形破碎带 ,然后沿径向和轴向发展 ,所形成的破碎坑呈内凸锥状。旋转射流破岩的优势在于破碎面积大、效率高。     

基于旋转侵入理论的牙轮钻头钻速模型

 针对旋转钻井牙轮钻头对井底岩石垂向压入和水平刮切联合作用的特点, 基于牙轮钻头旋转侵入理论, 建立了机械钻速预测模型, 并通过室内实验确定了楔形齿纯滚动多齿联合作用对破岩效果的综合影响系数, 机械钻速预测平均误差为4.1%。研究认为, 考虑钻头旋转引起的水平刮切力时, 侵入深度比只考虑垂向压入时有所增加;摩擦系数和刃尖角较小时两者相差不大, 随着摩擦系数和刃尖角的增大, 两者的相对差值越来越大, 摩擦系数和刃尖角较大时钻头旋转引起的水平刮切作用对机械钻速的影响不容忽视。