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.     

基于机械比能与滑动摩擦系数的PDC钻头破岩效率试验

为探究机械比能理论指导下PDC钻头破岩效率的影响因素,通过简化钻头与地层相互作用模型并推导滑动摩擦系数,结合室内试验分析各因素对钻头滑动摩擦系数的影响。结果表明:钻压通过切削齿的吃入深度影响摩擦系数,当切削齿完全吃入地层所产生的摩擦系数最大;钻速过快导致的岩屑过多且无法有效移除时摩擦系数会减小;转速增加会使摩擦系数减小;不同类型的岩样其最终稳定的摩擦系数不同,但一般在0.4～0.6;钻头直径不会影响摩擦系数最终稳定值;钻进软至中硬地层时,应选取尽量大的钻压和转速,即使较大钻压和转速对于提升破岩效率并无裨益,但却会明显提升机械钻速,此时机械比能增加并不明显,说明钻头能量利用率保持在一个稳定的阶段;钻进较硬地层时,提升钻压、转速水平会明显提高机械钻速,增大机械比能,降低破岩效率,钻头机械能量利用率下降,此时钻进参数的选取就需要综合钻速、机械比能、破岩效率等因素判定。     

斜面油垫静压轴承热油携带影响下的温升特性

以周向倾角0.028°动压承载效果较优的斜面式双矩形油垫静压轴承为对象,进行油膜热油携带及温升特性研究.从缝隙流动机理出发建立油膜热油携带数学模型,对该型号静压轴承常用7种载荷和12种转速工况进行流体仿真分析,探索热油携带影响下的油膜温升规律,并进行油膜性能实验.研究发现:当转速10～100 r/min时,部分载荷工况发生油膜热油携带现象;而当转速超过100 r/min时,所有承载范围内均会发生油膜热油携带现象,且油膜温升曲线有尖点,热油携带影响下的油膜温度急剧升高,油膜热累积现象加重.     

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.     

PDC钻头切削齿工作角的设计方法

详细讨论了各种因素对PDC钻头切削齿的两个工作角(前倾角及侧倾角)的大小和方向的影响-根据PDC钻头的结构特点,在设计切削齿工作角时,将钻头分为四个区域,分别论述了各个区域切削齿工作角的设计方法和原则.研究认为,控制钻头各部位切削齿结构参数的变化,可以设计出满足要求的切削齿工作角.     

基于正交试验法的27SiMn钢车削力研究

为了研究难加工材料27SiMn钢的切削规律,采用硬质合金车刀,利用正交法对27SiMn钢进行切削实验,得到切削参数在一定范围内(切削深度:0.3~0.8mm,进给量:0.08~0.2mm/r,转速:200~400r/min)与3个方向切削力的关系,结合线性回归方法得到三向切削力的经验模型。实验结果表明,切削深度对切削力的影响最大,其次是进给量,切削速度影响较小。切削深度和进给量对切削力的影响均是正相关,转速大于320r/min时,切削力随着切削速度的增大而减小。显著性检验结果表明切削力经验公式高度显著。     

预切槽机上单把切刀的切削载荷特性

为了研究预切槽机上切刀在开挖过程中的受载特性,建立了单把切刀水平推进载荷计算模型,并运用LS-DYNA软件模拟单把切刀切削岩土的过程,分析不同切削深度及刀刃角对切刀水平推进载荷的影响规律.结果表明:切刀水平推进载荷远大于垂直载荷,水平载荷随着切削深度的增大而增大;相同切削深度下,切刀水平载荷随刀刃角的增大而增大,刀刃角从80°增大到125°,各个切削深度下水平载荷平均增大30.7%;切刀比能耗随着刀刃角的增大呈先减小后基本不变的趋势,在刀刃角为110°时,切刀切削效率最高,且切刀比能耗随着切削深度的增大而减小.     

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钻头切削齿工作角设计理论

分析了PDC钻头切削齿结构特点及工作过程,定义了切削齿的侧倾角和前倾角两个工作角,并建立了这两个角的计算模式.研究认为,PDC钻头切削齿的齿前角、装配角及侧转角,决定了其工作面的方向及侧倾角;齿前角、侧转角及切削齿齿刃上工作点的位置,决定了该点工作时的前倾角.侧倾角和前倾角的概念不同于侧转角和齿前角.     

车削不锈钢时切削条件对积屑瘤和切削温度的影响

本文采用快速落刀法、同时辅以测温试验以获得在自由直角切削情况下的若干切屑根部并做成显微金相磨片。用金属显微镜或从金相磨片的照片上测出积屑瘤的高度、底面长度和积屑瘤前角等参数从而定量分析了车削不锈钢时,切削速度、切削厚度和刀具前角对积屑瘤、切削温度的影响。本文根据实验结果指出了用W18Cr4V高速钢刀具加工1Cr18Ni9Ti不锈钢时,形成积屑瘤的速度范围为V=2～27米/分(当a_c=0.067～0.17mm时)。同时还测出对应于积屑瘤消失时的切削温度为500～520℃,而对应于积屑瘤高度达最大值时的切削温度为300℃左右。并指出加工奥氏体不锈钢时,当刀具前角γ_o>30°时不形成积屑瘤。本实验利用自然热电偶法配合光线示波器动态记录了各种切削条件下切削温度的变化。并用回归分析法整理出用高速钢刀具自由干切削1Cr18NiSTi钢时计算切削温度的指数公式。     

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。     

页岩气钻井岩屑运移规律仿真分析

页岩气水平井钻井过程中岩屑在重力作用下极易在斜井段及水平段中沉积形成岩屑床,清洁难度大,进而导致井底高摩阻、高扭矩和阻卡,严重时造成卡钻、钻具断落井下安全事故。基于液固两相流理论,建立了三维井眼环空岩屑运移模型,通过控制变量法分别分析了钻杆转速、排量、岩屑粒径、偏心度、井斜角度等因素变化对环空井筒岩屑体积分数及运移轴向速度的影响规律。研究结果表明：随着转速和钻偏心度增大,岩屑体积分数降低及轴向速度增大;随着岩屑粒径增大,岩屑体积分数增加及轴向速度降低;随着井斜角降低,岩屑体积分数降低及轴向速度增加。可见提高转速、钻井液排量和控制钻头破坏岩屑粒径大小有利于提高井眼清洁,降低井下安全事故。     

基于局部摩擦因数模型的切削力预测建模

基于局部摩擦因数模型分别建立前刀面摩擦区、切削刃钝圆区、后刀面摩擦区的受力预测模型,进而获得切削力预测值.以钨钼系高速钢（W6Mo5Cr4V2Al）刀具和20Cr2Ni4合金钢为研究对象建立直角切削实验,通过三向测力仪测量直角切削主切削力和切深抗力,并与预测切削力进行对比,数值基本吻合.分析了切削参数以及刀具前角对切削力大小的影响规律.结果表明切削力随切削速度和刀具前角的增加有减小的趋势,随着切削深度的增加明显增大.      

瓦斯抽采钻孔受限空间内钻屑运移特征

 应用气力输送理论,建立钻屑颗粒群孔内悬浮模型,推导钻屑颗粒群启动最小气流速度求解方程,结合案例分析钻屑颗粒直径、摩擦系数及钻孔倾角对钻屑颗粒群启动速度的影响规律.结果表明,施工俯孔时,最小启动风速存在极值θ_D,θ_D<θ<0 时,伴随钻孔倾角θ绝对值增大,所需最小启动风速v_a逐渐增大,在θ_D～-π/2 范围,伴随钻孔倾角绝对值的增大,所需最小启动风速va呈现小幅度减小趋势;施工仰孔时,存在角度θ_U,当0<θ<θ_U时,伴随仰孔倾角逐渐增大,所需最小启动风速逐渐降低,当θ>θ_U时,钻屑在自重作用下自行滑落;摩擦系数对最小启动风速的影响规律与钻孔倾角类似,当俯孔倾角θ=-π/2 时,不同摩擦系数曲线交于同一点,表明当θ=-π/2 时,最小启动风速与摩擦系数无关.     

考虑粒径分布的深水环空岩屑浓度研究及应用

深水低温对钻井液性能影响显著,其粘度和切力的改变使深水携岩与常规陆上钻井不同。由于温度降低带来钻井液性能的改变对不同粒径岩屑上返速度的影响程度不同,因此在深水携岩研究中,考虑岩屑粒径分布是必要的。本研究分析了温度变化对钻井液影响,建立了考虑岩屑粒径大小及粒径分布、机械钻速及钻井循环时间等影响因素的深水钻井分岩屑粒径的环空浓度计算新模型,从而获得了深水钻井中全井及井眼各段环空内岩屑浓度大小及其浓度随循环时间变化的分布与变化规律,并在现场深水钻井岩屑浓度的分析计算中,取得了良好的应用效果。     

高温高压下钻井液循环流动摩阻实验研究

深层油气勘探开发过程中常面临高温高压的挑战,钻井液在高温高压等复杂工况下,其性能会发生改变,研究钻井液在复杂工况下的流动摩阻变化规律,能为特深井钻井提速及井控提供理论基础。根据实际工况要求,建立了高温高压钻井液循环流动摩阻测试装置,实验研究了温度、压力、固相颗粒及含气率对钻井液流动摩阻的影响,采用多元回归方法拟合并绘制温压摩阻系数图版,能更好阐述温压与钻井液流动摩阻的定量关系。结果表明：顺北区块钻井液流动摩阻随温度增大而减小,随压力增大而增大,摩阻系数图版能更准确体现摩阻系数与温压的定量关系,固体颗粒含量对流动摩阻影响不大,钻井液流动摩阻随着含气率增加而增大。该实验装置与分析方法,对于研究复杂工况下钻井液流动摩阻变化规律具有重要意义。     

复合片斜镶角对钻头钻进性能的影响

为提高复合片钻头的钻进性能,利用车削实验模拟不同斜镶角的复合片钻头在钻进时与岩石的相互作用,研究复合片斜镶角对钻头钻进性能的影响。实验设定了5 组不同的斜镶角,在正压力和摩擦路程不变的条件下,分别测得复合片的体积磨耗,并从力学角度以及有限元分析两方面对复合片斜镶角影响钻头钻进性能的原理进行了分析论证。结果表明,在相同力的作用下,随着斜镶角的减小,一方面复合片切削刃各相同位置的应力增大,另一方面复合片的体积磨耗增大,钻头使用寿命减短。可见,复合片切削齿的斜镶角存在一个最优值。     

Finite Element Analysis and OADs Optimization of the Temperature in the Plane-strain Orthogonal Metal Cutting Process

IntroductionDuringthemetalremoving process,a greatdealofheatwillbe generatedbythemechanicalworkbeingconvertedintoheatthroughthe plasticdeformationinvolvedduringchipformationandalsoduetofrictionalworkbetweenthetool,chipandworkpiece[1] .Thisheatmaybeveryharmfultothemachine ,toolandtheworkpiecesbeingmachined ,socontrollingthequantityofcuttingheatisaveryimportant probleminmachiningprocess.Overthese years ,manyimprovementsinmanufacturingtechnologiesrequiredinthemodelingandsimulationofmetalcutting p…     

内螺旋刀翼PDC钻头研究

针对自掩埋钻井新方法需要内排屑的问题,采用螺旋刀翼、内锥面、中心腔体等结构设计内螺旋刀翼PDC钻头,研究刀翼螺旋升角的变化规律,分析岩屑在刀翼刃部和刀翼面上的受力,建立岩屑推动力与刀翼螺旋升角的关系,优化刀翼螺旋升角,并进行台架实验。结果表明:内螺旋刀翼PDC钻头刀翼螺旋升角的理想设计范围为9°~52°,考虑加工和排屑通道大小等影响因素,其合理的设计范围为26°~52°,研制的钻头能迫使岩屑向其中心运移,并实现岩屑的良好流动,满足内排屑要求。     

排屑速度干涉对切削力影响的试验研究

设计了一组用“V”字形刀具横切工件的切削试验，以验证排屑速度干涉对切削力的影响．试验中，利用刀具上各点切削速度与工件半径的比例关系及刀具上切削部分前后两点对应工件半径差恒定的特点，通过改变工件半径来改变刀具上切削部分前后两点排屑速度差与刀具切削部分中点排屑速度的比（排屑速度的相对差），从而获得较大的相对排屑速度大小改变量．试验结果表明，排屑速度干涉对切削力有显著影响，影响程度随排屑速度大小的相对差的增大而增大．