热丝法批量制备金刚石涂层钻头参数仿真优化

基于有限容积法,研究了采用热丝化学气相沉积法常规工艺在批量化YG6硬质合金钻头工作表面制备金刚石涂层过程中基体表面的温度场分布状况,并通过测温对照试验验证了仿真方法及仿真结果的合理性和正确性.在传统的等间距热丝排布方式基础上系统研究了不同热丝参数(间距D、长度L、半径r、温度T和高度H)对基体温度场分布的影响,并进一步提出了不等间距的热丝排布形式以提高批量化基体表面温度场分布的均匀性,据此确定了用于批量制备金刚石涂层钻头的最优沉积参数.采用最优参数批量制备的金刚石涂层钻头具有较好的涂层质量和一致性,进一步验证了基于仿真的沉积参数优化方法的可靠性.     

金刚石钻头参数设计规律

提出了用岩石对钻头金刚石的研磨能力大小(A值)和岩石对钻头胎体的研磨能力大小(B值)来表示岩石可钻性的方法,研究了金刚石锯片切割对比法测定A值的方法,岩石B值是岩石的胶结程度、矿物粒度、矿物成分等因素的综合反映.采用金刚石新陈代谢速度u来表示钻头性能,钻头性能与A,B值及作用在钻头唇面上压力p、钻头线速度u之间的量化关系为u=Aw/Bxp.yvz.确定了钻头的设计程序:根据A和B值,p和v来确定金刚石新陈代谢速度,选定钻头的5个主要参数即金刚石质量、粒度和体积分数及胎体耐磨性、包镶强度.研究结果表明:采用A和B值可表示岩石可钻性;通过测定A和B值,可较准确地量化出岩石的可钻性;u由岩石A,B值及p和v来确定;根据u值设计和选定钻头的5个参数;提高u可以提高钻头时效,降低u可以延长钻头寿命.     

绳索取芯金刚石钻头在复杂地层中的应用研究

本文主要论述在煤矿区地质条件复杂，即软硬互层多、岩石的可钻性相差悬殊及地层破碎条件下，如何选择金刚石钻头可最有效地提高绳索取芯钻进效率及延长钻头寿命。为类似类矿区施工具有一定的借鉴意义。     

仿生耦合孕镶金刚石钻头的试验及碎岩机理分析

为了提高孕镶金刚石钻头的时效和寿命,将仿生耦合理论引入钻头设计中,并加工仿生耦合孕镶金刚石钻头.对仿生耦合钻头的碎岩机理进行阐述,并对岩粉进行对比分析.研究结果表明:与普通孕镶金刚石钻头相比,其机械钻速提高42.7%,寿命提高73.8%;仿生耦合钻头底唇面上的比压增加有利于钻头的自锐,也有利于岩石表面微裂纹的扩展,增加岩石的润湿层;非光滑表面的存在能产生微型流场,改善金刚石的冷却条件;仿生耦合钻头碎岩产生的岩粉颗粒直径远大于普通孕镶金刚石钻头产生的岩粉颗粒直径.     

基于振动监测的浅层钻头位置预测模型

为加强丛式井井眼轨迹的控制与监测,基于钻头破碎岩石的振动信号,建立了浅层钻进时的钻头位置预测模型。通过研究钻头钻进时的振动特征和振动波在套管与地层中的传播衰减,认识到根据套管头处采集的振动信号能量来确定井筒之间的距离,进而实现钻头位置的场强定位是可行的。结合风险井的井眼轨迹测量数据和圆周测距定位算法,推导得出了钻头大地坐标的计算方法。根据渤海某平台的现场监测数据,利用所建模型计算得到了正钻井井眼的三维轨迹,将计算所得井眼轨迹与实际井眼轨迹进行对比,结果显示,该模型可以在一定条件下有效定位钻头位置,确定钻头走向,为防碰预警提供依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

金刚石粒度与钻进速度的定量关系

对钻头的金刚石粒度与钻进速度之间量的关系进行了理论分析与计算,并给出可作为钻头研究与设计的参数数据。     

钻柱纵向振动模型的建立及求解方法

在牙轮钻头与井底岩石互作用模型的基础之上,将钻头在井底作纵向往复运动的位移作为钻柱纵向振动的下端边界条件,在适当简化的条件下,利用弹性杆理论和单元法建立了钻柱在钻井过程中由于钻头与岩石互作用及钻柱的弹性变形而导致钻柱产生纵向振动的动力学模型在给定初始条件和边界条件的情况下,采用数值计算方法求解了钻柱纵振模型。为进一步弄清钻头、钻柱在钻井过程中的实际运动规律和动力学性能,改进钻头、钻柱的设计方法,预防钻头、钻柱早期失效奠定了基础。     

胎体耐损性弱化孕镶金刚石钻头的试验及碎岩机理分析

为了提高孕镶金刚石钻头在坚硬致密弱研磨性地层的钻进效率,将胎体耐磨损性弱化理论引入钻头设计中,对胎体耐磨损性弱化孕镶金刚石钻头碎岩机理进行探讨并对胎体进行扫描电镜分析。研究结果表明:与普通孕镶金刚石钻头相比,胎体耐磨损性弱化孕镶金刚石钻头的机械钻速提高了64%;经弱化处理的钻头在钻进过程中,弱化颗粒易于从胎体表面脱落,使其表面形成非光滑形态,减少了钻头唇面与孔底岩石面之间的接触面积,提高了钻头唇面与岩石的单位面积压力,改善了金刚石颗粒的冷却效果,降低了金刚石颗粒的热损耗;脱落的弱化颗粒在孔底参与磨损钻头胎体,增加了孔底岩粉的研磨能力,促进了胎体中新颗粒金刚石的出刃。     

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.     

三牙轮钻头瓢形齿齿面结构的空间解析式及积分处理

本文以空间解析几何的数学理论,推导出了三牙轮钻头瓢形齿的横截面积、体积与瓢形齿吃入岩石深度之间的数学关系式.为研究钻头牙齿破碎岩石坑的形状大小提供了基准,也可作为三牙轮钻头工作行为计算机仿真研究的参考资料。     

一种利用岩石强度刻划试验确定岩石PDC钻头可钻性级值的方法

基于微钻岩石可钻性试验与岩石强度刻划试验破岩机制一致性,通过开展试验获得两种试验岩石破碎比功的转化关系,结合岩石PDC钻头可钻性级值求取方法,建立利用刻划岩石破碎比功求取岩石PDC钻头可钻性级值模型,形成一种通过刻划岩心表面得到岩石PDC钻头可钻性级值剖面的方法。结果表明,该方法不但与微钻可钻性试验结果具有很好的一致性,还充分表征了矿物组分、胶结强度、微观结构等复杂因素变化对岩石PDC钻头可钻性级值的影响,且不破坏岩心的整体结构,提高了岩心的利用率,推广应用价值高。     

用超硬材料测定岩石研磨性

用模拟试验方法测定聚晶金刚石钻头的耐磨损性,推导出岩石研磨性指标计算公式.这种方法的测试结果能直接反映工况条件下的岩石性质.所得岩石研磨性指标是岩石研磨性质、钻头材料性质和工况的综合反映,可以直接用于预测PDC钻头的使用寿命和用于油矿的PDC钻头选型工作.     

盘形滚刀刀间距对岩石跃进破碎参数的影响

正确确定岩石的性能参数是全断面岩石掘进机使用及高性能全断面岩石掘进机研制的理论基础.通过盘形滚刀不同刀间距的压痕试验,研究了不同岩石上刀间距对盘形滚刀跃进破碎参数的影响,从而发现,盘形滚刀与北京昌平花岗岩相互作用时,岩石发生第一次、第二次和第三次跃进破碎时盘形滚刀切深与刀间距高度线性相关,只在第一次跃进破碎时,盘形滚刀推力与刀间距高度线性相关;盘形滚刀与北京顺义大理岩相互作用时,岩石发生第一次跃进破碎时的跃进量与刀间距高度线性相关;盘形滚刀与山东掖县大理岩相互作用时,岩石发生第一次、第三次跃进破碎时,盘形滚刀推力不仅与刀间距高度线性相关,盘形滚刀跃进量与刀间距也高度线性相关.     

利用岩石三轴抗压强度优选PDC钻头

岩石三轴抗压强度是表征地层抗钻性质的重要参数之一,是PDC钻头优选的基础和主要依据。利用测井资料获取地层岩石三轴抗压强度并进行聚类分层处理,建立了PDC钻头切削结构参数与岩石三轴抗压强度之间的定量关系,提出了基于岩石三轴抗压强度的PDC钻头优选方法。通过实例计算得出了311.2 mm PDC钻头切削结构参数设计结果。该方法可为现场PDC钻头优选提供必要的理论依据,具有一定的实用性。     

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。     

利用岩石三轴抗压强度优选PDC钻头

岩石三轴抗压强度是表征地层抗钻性质的重要参数之一，是PDC钻头优选的基础和主要依据。利用测井资料获取地层岩石三轴抗压强度并进行聚类分层处理，建立了PDC钻头切削结构参数与岩石三轴抗压强度之间的定量关系，提出了基于岩石三轴抗压强度的PDC钻头优选方法。通过实例计算得出了311．2mm PDC钻头切削结构参数设计结果。该方法可为现场PDC钻头优选提供必要的理论依据，具有一定的实用性。