PDC钻头切削齿磨损规律的试验研究

根据摩擦与磨损原理，研究了两种齿形的ＰＤＣ钻头在不同钻井参数下钻进过程中进行简易取心时岩石的磨损状况，分析了切削齿的磨损速度与岩石的岩性、钻压以及转速的关系，并进一步确定了切削齿的磨损速度与磨损高度的关系。     

实体PDC钻头流场数值模拟与实验验证

利用计算流体动力学技术对聚晶金刚石(PDC)钻头(型号为BK432)的三维湍流进行了数值模拟。模拟中考虑了钻头的切削齿和射流喷嘴对流场的影响。流场的网格划分采用局部加密的混合网格形式，保证了计算精度和运算速度。流场的三维模拟结果揭示了钻头流场存在低速区、回流区和滞流区域，为钻头水力结构优化分析奠定了理论基础。为了对数值模拟的结果进行检验，建立了PDC钻头流体测试实验台架，利用粒子成像测速技术对PDC钻头4个喷嘴的出口流场进行了测试。将测试的喷嘴轴向速度与数值模拟结果进行了对比分析，两者吻合较好。     

关于PDC钻头破岩效率的研究

钻头作为钻进过程中主要的破岩工具,其质量的优劣直接影响钻进速度以及钻井的质量和成本。PDC钻头作为金刚石钻头的一种,其在低钻压下可以获得比较好的进尺和钻速,因而得到了广泛的应用。对于PDC钻头,其切削齿尺寸、后倾角和布齿密度是影响其性能的重要参数,本文通过对PDC钻头的室内试验,探讨了切削齿尺寸、后倾角和布齿密度对PDC钻头破岩效率的影响。     

PDC钻头切削齿磨损规律的试验研究

根据摩擦与磨损原理，研究了两种齿形的ＰＤＣ钻头在不同钻井参数下钻进过程中进行简易取心时岩石的磨损状况，分析了切削齿的磨损速度与岩石的岩性、钻压以及转速的关系，并进一步确定了切削齿的磨损速度与磨损高度的关系。结果表明，钻头切削齿的磨损速度与钻压、转速成非线性关系，并且磨损速度受磨损高度的影响。根据试验结果，得出了钻头切削齿磨损速度的综合模式。     

PDC钻头切削齿受力试验的新方法

在设计了新型组合齿试验装置的基础上．采用二次通用旋转设计方法，在模拟钻头实际工作方式的条件下，确定了切削齿受力与钻头结构参数及布齿参数之间的关系；同时还确定了切削齿受力与侧转角、切削深度及岩性的关系建立了钻头上切削齿受力的综合计算模式，从而为ＰＤＣ钻头的受力分析、布齿设计提供了依据，并为分析ＰＤＣ钻头的性能提供了方便可靠的试验方法．     

模块化布齿的新型PDC钻头破岩特性

针对现有PDC钻头破岩过程中比压会随着磨损增加而迅速减小的特点,设计一种比压可控的模块化PDC钻头(模块钻头)。首先进行模块钻头切削单元布置方法设计,分析和优化钻头的有效切削刃长,在此基础上建立模块钻头切削齿破岩过程的力学模型,分析切削面积、切削深度、切削齿半径、载荷之间的关系。通过对比现场试验与算例结果,验证模块钻头的破岩特性。研究结果表明:模块钻头能减小有效切削刃长,保证切削单元的钻进比压,增加切削齿的切削深度、切削面积和切削载荷,提高钻头的有效破岩体积,增加钻头的总进尺。通过模块化布齿设计布置,模块钻头可填补常规PDC钻头与孕镶钻头之间的空白。     

聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的失效分析

对PDC钻井钻头的失效形式进行了分析，并对每种失效形式的形成机理进行了研究，结果表明，PDC钻头切削齿的微断屑、宏观破裂及剥离失效形式是造成PDC钻头早期失效的主要形式和原因，预防PDC钻头的早期失效，应从设计、材料制造及使用方面采取改进措施。     

PDC钻头切削齿磨损分析

根据PDC钻头的工作原理及复合片性能特点,对PDC钻头复合片切削齿的崩齿、掉片、聚晶佥刚石层脱落、齿柱冲蚀四种磨损情况进行了分析,并从设计、制造、使用三方面提出了改进措施,为从事PDC钻头工作人员提供一些参考。     

PDC钻头条件下圆喷嘴撞击射流井底流场的数值模拟

为了研究ＰＤＣ钻头条件下圆喷嘴射流撞击井底流场的基本规律，在分析ＰＤＣ钻头的基本水力结构特点的基础上，建立了ＰＤＣ钻头条件下井底结构的物理模型。采用ｋ－ε双方程模型封闭湍流Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，利用求解压力耦合方程的半隐式方法，对这一物理模型条件下的流场进行了数值模拟，并将数值结果与实验研究结果进行了对比。结果表明，所建立的控制方程、控制条件以及所采用的数值方法是合理的。根据数值结果，研     

流道形状对PDC钻头头部流场影响的数值模拟

利用计算流体力学对两种不同流道形状的PDC钻头头部的三维流场进行了数值模拟.流场的网格划分采用混合网格形式,保证了计算精度和计算速度的要求.对两种钻头模拟结果表明,流道形状的改变对钻头流场存在较为明显的影响.通过对钻头表面和流场中截面的静压云图和速度矢量图的对比分析表明,改变了流道形状的钻头2的流场明显优于钻头1的流场,且模拟结果得到了实验的验证.     

ABAQUS二次开发在PDC单齿破岩仿真中的应用

为了简化建立PDC单齿与岩石互作用模型的繁琐过程,提高PDC单齿破岩仿真的分析效率,使用Python语言和ABAQUS GUI建立了PDC单齿破岩仿真插件。该插件实现了PDC单齿结构参数、切削深度、前倾角和侧倾角的参数化建模;自动完成网格划分、边界条件定义、材料定义;后处理中结果输出及数据储存的功能。最后对仿真结果的合理性进行分析与对比,验证了使用该插件建立PDC单齿切削模型的正确性,为研究PDC单齿破岩性能提供了一个便携高效的分析平台,并为ABAQUS二次开发在其他领域的应用提供了借鉴。     

振荡冲击器破岩机理数值模拟分析

为了揭示振荡冲击器作用下的井底岩石破碎机理,用数值模拟分析的方法,研究了不同参数对破岩效率的影
响,包括不同工作频率、不同循环动载和不同岩石类型,并分别对其进行了定量分析。结果表明,井底岩石的破碎分为
3 个区域：破碎区,损伤区和无损区,在振荡冲击器的作用下,井底岩石的破碎过程分为3 个阶段：钻头的中心齿压碎
岩石,边齿对岩石造成破坏,钻头旋转切削破碎岩石。井底岩石的破碎效率随着振荡冲击器工作频率的变化而变化,
当工具的工作频率为16 Hz 时,破岩效率最高,振荡冲击器的破岩效率随着交变动载荷峰值的增加而不断增加,当其
峰值载荷超过10 kN 之后,破岩效率增加比较缓慢,振荡冲击器的破岩效率随着地层岩石硬度的变化而变化。这对振
荡冲击器的现场应用具有十分重要的指导意义。     

煤矿井下用内锥型PDC钻头工作状态模拟分析

为提高煤矿井下硬岩钻进破岩效率,设计了Φ94mm内锥型PDC钻头,并对其进行了破岩过程仿真分析,以研究其受力特性。结果表明：与相同规格三翼内凹PDC钻头相比,在同等工况条件下,内锥型PDC钻头所需轴向载荷降低近13%,破岩效率提高近30%;内锥型PDC钻头破岩受到的径向不平衡力占钻压的9.8%,钻头容易产生涡动,因此对于内锥型PDC钻头应关注其侧向力平衡的设计。根据分析结果,试制Φ94mm钢体内锥PDC钻头并进行现场试验,相比于工区现用Φ94mm普通钢体三翼内凹PDC钻头,试验钻头平均寿命提高2倍左右、破岩效率提高40%以上,表明研制的新型内锥PDC钻头有助于降低钻进成本,提高破岩效率。     

锯齿形PDC刀具的破岩特性及温度场

聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact, 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,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1.5～2 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,工作参数与温度变化之间存在规律。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。     

PDC钻头几何学研究

本文系统地研究了PDC钻头各几何结构参数之间的关系,在不作几何假设和简化的情况下导出了PDC钻头几何学基本方程式,它可直接用于PDC钻头运动学、切削力学研究和钻头设计中,避免了由几何假设和简化带来的计算误差。     

一种PDC钻头布齿算法

本文讨论一种复合片金刚石钻头的布齿算法,该方法的依据是等切削原理,即在钻进过程中复合片金刚石钻头每个齿的切削量相等或近似相等,可望获得各齿均匀负荷、延长钻头寿命、提高钻井效率的目的。文中结合工程实际、分析计算精度、生成工程数据表,最后由计算机实现计算和绘制钻头布齿图,具有一定的工程实用意义。     

钻井用钻头和钻柱扭转振动的仿真分析

介绍了钻井过程中钻头和钻柱扭转振动模型的建立方法和对其进行仿真分析的过程。在建模型时主要考虑了钻井过程中由于钻头与岩石相互作用及钻柱的弹性变形而引起的钻头和钻柱扭转振动,并采用数值计算方法求解钻柱扭转振模型,     

简易金刚石复合片钻头研制及应用

主要对煤矿和煤田勘探中常用的金刚石复合片钻头的结构进行了分析,并简要介绍了复合片钻头的加工工艺和使用中应注意的问题。     

岩石动态剥落破裂的数值模拟

简单介绍了RFPA程序模拟岩石在动态载荷作用下破裂过程的原理和功能,并用该程序研究岩石在动态载荷作用下的剥落过程·数值模拟首先再现了均匀杆在不同的应力波幅值条件下表现出的不同剥落形式,通过与理论比较,证明了RFPA在模拟动态剥落破裂问题时的可行性·以此为基础,RFPA被用于模拟非均匀岩石试样在不同应力波幅值条件下的剥落破裂过程,预测了不同应力波幅值时试样的三个不同的破裂模式·此外,数值模拟还得出试样在动态载荷作用下的强度都高于静态强度的结论,这表明岩石材料力学性质的非均匀性是造成动态强度提高的原因之一·     

岩石多孔爆破振动数值模拟研究

为研究多孔爆破条件下的岩体破碎和爆破振动,采用完全重启动数值模拟方法和拉格朗日算法计算岩体爆破破碎过程,获得了岩体特征点的爆炸振动数据,对数值模拟和现场监测特征点振动速度进行对比,二者比较吻合. 研究结果表明,采用拉格朗日算法和完全重启动数值模拟方法可以较好地描述多孔岩体爆破过程中各起爆段别破碎和振动情况.