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。     

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%。     

冲击诱导损伤岩石的侵入特性

在硬岩矿山开采中,为了提高大孔径深孔凿岩效率,降低钻具磨损,提出了冲击诱导切削复合凿岩新工艺.在Walsh模型的基础上,建立了冲击诱导孔周围损伤岩石的裂纹模型,推导了岩石损伤区的牙轮钻齿侵入系数方程及侵入阻力方程.分析了裂纹密度、扰动频率分别对岩石弹性模量、岩石破碎体积和钻齿侵入阻力的影响.结果表明:随裂纹密度的增大,岩石的有效弹性模量减小;相同侵入载荷下,随着扰动频率的增加,钻齿的侵深和岩石破碎体积不断增加;随着冲击扰动频率的增大,牙轮钻齿侵入阻力逐渐减小.     

欠平衡下牙轮钻头牙齿侵入系数及钻速研究*

欠平衡条件下,钻井机械钻速大幅度提高,但钻头牙齿的侵岩机理至今尚不清楚。以岩石侵入理论为基础,在考虑欠平衡钻进条件下,针对牙轮钻头侵岩、破岩问题展开研究,推导了欠平衡钻进井底条件下牙轮钻头牙齿的侵入系数方程,并进一步建立了欠平衡钻进条件下的钻速模型。岩石侵入系数不受牙齿载荷和侵深的影响,是一个描述岩石抗侵入能力的基本参数。以徐深气田为例,理论和实验分析了内摩擦角和刃尖角对侵入系数和机械钻速的影响。结果表明,随井底有效法向应力的增大侵入系数增大;随内摩擦角和刃尖角的增大侵入系数呈指数增大;随有效法向应力的增大机械钻速明显减小;随内摩擦角和刃尖角的增大机械钻速呈线性减小。     

楔形钻齿作用下岩石破碎及微观劣化过程

从理论分析和数值模拟两方面研究楔形钻齿侵入岩石过程中径向裂纹和侧向裂纹的扩展情况。首先根据Marshall的试验研究,分析考虑钻井液压力、侧压作用下岩石在楔形钻齿侵入过程中径向裂纹与侧向裂纹的极限长度公式和最佳齿间距公式,讨论钻井液压力、侧压和齿间距对裂纹扩展的影响;然后利用离散单元方法(PFC2D)研究楔形钻齿侵入过程中岩石的失效以及裂纹扩展情况。研究表明:随着侧压增大,临界侵入深度变大;钻齿下方的损伤区域变小,并且损伤区域变得相对比较平坦,不再凸入岩石内部;钻井液压力增大对径向裂纹的扩展以及损伤区域的扩大有促进作用,径向裂纹长度以及损伤区域随钻井液压力的增大而增大,但损伤区域随着钻井液压力的增大越来越凸入岩石内部;钻井液压力对侧向裂纹的萌生和扩展有抑制作用;合理的齿间距可以产生侧向裂纹重叠区,促进岩石的破碎,提高破岩效率;理论分析结果和数值仿真结果较一致。     

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。     

钻软硬交错地层时钻头弯矩及转角的计算方法

本文详细地分析了从软地层钻入硬地层前后,钻头上产生弯矩的原因及计算方法。根据软硬地层的可钻性不同,钻速及相应的地层对钻头的反作用力也不同的原理,推导了在钻过交界面前后钻头的转角、钻具的反力矩及软硬地层中不同钻速与时间的关系式及微分方程,给出了方程的解。求解结果表明,钻头的转角和弯矩是随时间的延长而逐渐增大,在全部钻完交界面时达到最大值;钻头弯矩与交错层的可钻性、下部钻具的结构和钻头的几何尺寸有关,并且与所加的钻压成正比。     

盘形钻头刮切实验数据分析处理

简要介绍了盘形钻头的结构特点及工作机理,着重对盘形牙轮钻头9种不同结构参数的盘形切削齿与目前镶齿牙轮钻头上使用的瓢形和楔形齿在重庆砂岩上进行了刮切对比实验的实验数据进行了分析处理。求出了刮切实验中测得的不同牙齿在刮切过程中的刮切力的最大值、最小值、平均值和刮切单位体积岩石所需的刮切力的大小,得到了不同结构牙齿在刮切重庆砂岩时的刮切效果,为进一步设计出实用于中硬及软地层并具有较高综合工作性能的盘形钻头提供了实验数据。     

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。     

适合于研磨性硬地层的新型孕镶金刚石钻头优化设计试验研究

针对现有钻头在研磨性硬地层中普遍存在钻速低、寿命短的问题,研制了一种孕镶钻齿,通过室内试验优选胎体配方和金刚石参数,设计了一种新型孕镶金刚石钻头,并进行了现场应用。孕镶钻齿设计为圆柱形,以铸造碳化钨和碳化钨为胎体骨架材料,以浓度为25%、粒度为80目的天然金刚石颗粒为磨削元件,采用热压工艺烧结合成。新型孕镶金刚石钻头冠部形状设计为直线-圆弧-圆弧型双锥剖面,采用等间距高密度径向布齿,布齿间距为2 mm,采用横卧和竖立两种方式周向布齿。现场应用结果表明,新型孕镶金刚石钻头可提速79%左右,使用寿命是牙轮钻头寿命的2倍以上。     

冲旋钻井条件下的岩石破碎机理

冲旋钻井因其具有较高的钻速和较小的井斜,而广泛应用于矿山、石油与天然气领域的钻井工程中.为了揭示冲旋钻井的破碎机理,考虑静压、冲击和旋转的耦合作用,分别建立了牙齿和12 1/4″全尺寸平底钻头与岩石的三维冲击动力学模型.对所建立的模型进行有限元求解,结果显示:拉应力破碎是岩石破碎的主要形式,剪切应力、压应力破碎次之;岩石的破碎主要发生在岩石的拉应力失效阶段和卸载后的静压-旋转剪切破岩阶段;岩石在单齿的作用下可以显著地分成4个半球形区域;全尺寸钻头的破岩过程可以分成5个破碎阶段;边齿倾角越大,破岩侵深越小,破碎体积越大,齿顶应力越高;钻头边齿齿顶和齿孔应力均远高于中心齿,极易最先破坏;岩石越硬,牙齿侵入深度越小,破岩体积越大.研究结果与一系列的室内实验研究结果一致,可用于冲旋钻井钻头的优化设计及冲旋钻井参数的优选.     

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。     

空气冲旋钻井机械钻速仿真算法

钻井机械钻速预测是难题.以前,研究者们常根据现场数据或试验数据,用统计拟合分析方法得出机械钻速的经验或半经验关系式.这些经验或半经验公式包括一些很难确定的系数准确性和可靠性差.为此,作者结合三牙轮钻头有关的理论,建立了空气冲旋钻井钻头的真实数学模型、真实井底模型和钻头牙齿与井底岩石互作用模型,用计算机仿真方法预测出了空气冲旋钻井机械钻速.使用表明,该模型可靠,计算结果与实际机械钻速基本一致,研究成果可用于冲旋钻头改进、优化设计和钻井参数优选.     

牙轮钻头牙齿与岩石垂向互作用仿真模型

建立钻头牙齿与岩石的互作用仿真模型是实现钻头与岩石互作用仿真研究的核心问题之一。本文以岩石破碎力学为基础,从钻头牙齿与岩石的互作用特.点出发,突破通常的力/侵深曲线描述方法,推导出了钻头牙齿与岩石垂向互作用仿真模型。并在该模型中用岩石硬度、塑性系数和弹性系数来反映岩石的力学性质,从而使模型具有较宽的应用范围。     

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。     

井底压差对岩石破碎的影响机制

综合地层应力、井底压力、孔隙压力以及牙齿吃入地层引起的应力,建立牙齿吃入深度的表达式,依据摩尔-库伦准则建立钻头牙齿吃入地层的岩石破碎模型。将综合地层和钻井参数因素的误差函数β与深度x的比值作为欠平衡钻井的应用参考参数,计算各种压差和β/x条件下的吃入深度,并分析其变化规律。结果表明:在压差的作用下,具有渗透率和孔隙度的待破碎薄地层内的孔隙压力并非原始地层孔隙压力,而是随时间和位置的变化而变化,其分布规律可以用一维不稳定渗流来表示和计算;牙齿吃入深度的表达式可以将压力、流体等因素对岩石破碎的作用清楚地表达出来;所建模型可以解释欠平衡钻井提高钻速的力学机制,以及定量描述随钻地层压力监测dc指数法的适用范围。     

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.     

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。     

提高川东复杂地质深井超深井机械钻速的研究

针对川东高陡地质构造复杂,钻井中深井、超深井机械钻速低,建井周期长,钻井成本过高的问题,分析了川东地区钻井速度低的原因,介绍了岩石的各种性质,钻头选型依据以及如何评判钻头井下使用情况等方面的知识,阐述了合理使用钻头的方法,提出了在川东地区高陡构造地层中提高钻井速度的三种措施：（1） 采用以偏轴-钟摆钻具组合为主的钻井方式进行钻进;（2） 开展喷射钻井,促进机械钻速提高;（3） 开展水力加压器的应用。以期不断优化和强化钻进技术来提高钻井速度确保井身质量。