基于实验和数值仿真的钻具防顶卡瓦结构优化

现有技术及装备中对预防钻具上顶的研究较少,目前没有一套成熟的装置能够解决钻具在溢流关井后高套压引起的上顶问题。设计的钻具防上顶装置能够有效解决这个问题,装置所用卡瓦在工作过程中承受较大夹持力,其齿尖易发生磨损,直接影响防上顶装置的锚定性能。运用有限元和室内实验相印证的方法对卡瓦工作过程进行分析,分析了牙前角、牙顶圆角和齿顶距等参数变化对钻具应力分布的影响,通过数值模拟得到钻具Mises应力、接触压力及钻具轴向滑移量的变化趋势,优化出牙前角60°、牙尖部截面形状为圆角,且半径0.3 mm时为最合理的防上顶卡瓦牙型,并通过室内实验进行了验证。研究结果对钻具防上顶装置的卡瓦结构优化设计提供了理论依据。     

热力射流温度场及温度应力数值模拟研究

热力射流破岩技术是指利用高温介质诸如超临界水对岩石进行快速局部加热达到破碎岩石的目的。由于岩石基质热导率很低，因此会在岩石表面形成温度应力。当温度应力超过岩石的强度，会在岩石内部形成微裂缝，且裂缝不断扩展最终使得岩石表面发生热裂解，热裂解作用导致岩石表面从本体脱落从而使得岩石破碎。基于热-固耦合理论建立了热裂解钻井模型，利用Crank-Nicolson差分方法求解得到了热裂解过程中井底岩石温度场和温度应力的分布规律。结果表明，在热裂解钻井过程中，岩石受热部分温度迅速升高，在径向和轴向方向上产生温度梯度；受热部分体积膨胀在径向方向上受到压应力作用，在轴向方向上发生屈曲，受到剪应力作用。研究成果对热裂解钻井的现场应用具有十分重要的指导意义。