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。     

钻柱、钻头与岩石系统计算机仿真

国内外在研究钻柱振动时都把钻柱下端当作铰支,假设激振源为周期性的,偏离实际。本文从建立符合实际的下端边界条件入手,着重研究了钻柱的纵向振动。用有限单元法,求出整体质量、整体刚度,整体阻尼矩阵采用的是比例阻尼矩阵,利用牛顿法得到钻柱的振动方程,另外通过钻头与岩石的相互作用模型得到了真实的钻柱下端边界条件,并利用Ｈｏｕｂｏｌｔ软件,并进行了大量仿真实验,通过对实验结果分析得到了有意义的结论。     

基于机械系统动力学自动分析水平井钻柱一井壁接触仿真分析水平井钻柱一井壁接触仿真分析

钻柱在高曲率、长水平段的水平井中与井壁接触状态十分复杂,接触状态又直接影响钻进过程中钻柱的摩阻扭矩,进而影响井的延伸极限。因而,较准确、全面描述全井钻柱系统与井壁的接触状态是保证钻柱摩阻扭矩分析结果可靠的前提。基于ADAMS软件,结合力平衡理论、Hertz接触理论和相似原理,建立了与真实测试试验装置具有一致钻井参数的水平井全井钻柱-井壁动态非线性接触模型,分析了全井钻柱接触力分布情况,研究了起钻速度、下钻速度、钻压和转速对接触的影响规律。结果表明：接触力峰值出现在弯曲段;起、下钻速度均对弯曲段钻柱接触状态影响明显,速度相同时起钻比下钻时接触力大;增加钻压可减小全井钻柱的平均接触力;钻柱旋转会在水平段中前部出现小幅密集接触。仿真结果为钻柱摩阻扭矩测试试验装置提供了合适的钻柱与井壁的接触力测量位置,便于利用该装置开展钻柱摩阻扭矩等相关研究。     

牙轮钻头主要结构参数的优化设计

根据牙轮钻头与岩石相互作用机理,引出了平面模型和空间模型的概念。平面模型反映牙齿在井底的刮切面积,空间模型反映了牙齿破碎岩石的体积。基于这两种模型分别建立了优化目标函数,并采用多目标优化方法对两种型号钻头(XHP2b和XHP3s)的主要结构参数进行了优化计算,结果表明对XHP2b钻头的优化效果比较显著。通过用优化后的结构参数重新设计制造出的钻头的现场应用情况很好,机械钻速提高10%-20%左右。     

锯齿形PDC刀具的破岩特性及温度场

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，本文基于弹塑性力学及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后又增加，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 mm-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；其温度随着后倾角增加而降低，随着切削深度的增加而变大，随着锯齿数增加先增大后减小。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。