复合冲击作用下PDC钻齿破岩过程连续-非连续数值模拟研究

复合冲击钻进是兼具轴向和扭转2个维度冲击的新型破岩技术,针对岩石在聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)钻齿轴向-扭转2个方向冲击作用下破坏机制复杂、复合冲击破岩机理不清晰等问题,基于连续-非连续分析方法(Continuous Discontinuous Element Method,CDEM),建立基于共享节点的FEM-DEM岩石模型,再通过室内单轴压缩实验验证该计算模型的合理性。基于JavaScript二次开发,建立单钻齿复合冲击运动模型,并模拟PDC单钻齿在正弦函数下的复合冲击破岩过程。通过对岩屑、径向剪切裂纹、侧向裂纹和侧向主裂纹等形成过程的分析,揭示岩石在复合冲击作用下的破坏规律。在此基础上,建立单钻齿复合冲击切削力学模型,开发适用于分析复合冲击破岩钻进的连续-非连续数值算法,分析不同切削深度、前倾角度、轴向冲击速度、扭转冲击速度下的破岩效果,探讨不同钻齿参数下的切削力和破岩规律。结果表明：复合冲击作用下钻齿前方和下方岩石均发生大体积破碎,可实现“立体破岩”效果,进而减小钻头的粘滑效应。钻齿与岩层的接触面积、接触弧长、冲...     

PDC钻头切削齿破岩载荷规律的分析

对PDC钻头冠部形状及不同的布齿密度和切削齿在不同的磨损状态下对PDC钻头切削齿受力的影响进行了分析；用相邻的3个切削齿之间的关系(不同的切削齿与切削齿之间的径向距离和切削齿之间的高度差)来分析PDC钻头冠部形状和切削齿布齿密度对切削齿受力的影响，以及将切削齿的磨损状态简化成与切削齿在钻头上装配方向垂直的平面来分析切削齿磨损状态对切削齿受力的影响。     

栅格胎体孕镶金刚石钻头的破岩机理分析

从岩石宏观裂纹变化出发,研究孕镶金刚石钻头在钻进过程中由于岩体裂纹的影响而造成的断裂问题。运用岩石断裂力学理论,结合钻头实际工作条件,简化应力、水力及裂纹条件,建立了简化的岩石断裂等效模型,从理论上分析了一种新型栅格胎体孕镶金刚石钻头的破岩机理。研究结果表明：与常规的钻头相比,新型钻头的特殊栅格结构能有效提高钻压,比压由原来的68.03 kgf/cm²增加到了113.33 kgf/cm²,提高了将近67 %,使钻头能更有效地压入岩体,产生破碎穴及裂纹;特殊的栅格结构有利于冲洗液的储存,改善了金刚石颗粒的冷却效果,从而以更加有利的拉裂破坏方式破碎岩石。     

牙轮钻头牙齿破岩机理研究进展

井眼形成是通过钻头牙齿破碎岩石形成岩屑来实现的,对钻头牙齿侵入破岩机理的认识有助于优化钻头结构,提高工具破岩效率。阐述了钻头牙齿与岩石相互作用机理的复杂性,分别从弹性力学、裂纹扩展、数值模拟等几个方面,综述了钻头牙齿与岩石相互作用机理的研究进展,指出了今后的研究重点。虽然前人开展了众多的物理实验与数值模拟研究,但是由于钻头牙齿破岩过程及井底环境的复杂性,目前为止其机理并没有被完全认识清楚。理论与实验研究证明,井底压力是影响机械钻速的重要因素之一,针对钻头牙齿与岩石相互作用机理的复杂性,建议采用先进实验和数值模拟技术,将物理实验和数值模拟结合开展研究,揭示井底复杂应力环境下钻头牙齿的破岩机理将成为未来的研究重点。     

冲击回转碎岩机理试验研究

在模拟孔底冲击回转钻进条件的试验台上，对岩石的冲击回转碎岩机理进行了试验研究，提出了大直径潜孔钻头的合理布齿及钻进参数选择依据。     

钻头破岩振动低频特征室内实验研究

钻头破碎岩石时会产生宽频的振动信号,不同频段的信号蕴含了不同的信息,由于高频段信号能量低、衰减大,不易检测,因此,就钻头破岩信号在低频段特征进行了研究,通过不同岩性岩样的微钻实验数据分析,发现破碎不同岩性的岩石产生的信号在低频段具有固定的频率特征。     

模拟深井条件下的牙轮钻头单齿破岩试验

利用深井破岩试验装置，模拟了不同井深压力条件下对泥岩进行牙轮钻头单齿破岩试验，试验结果得出：随着井深的增加，岩石硬度增加，破碎岩的的力增加，石破碎体积减小，岩石破碎功增加，这是机械钻速低的根本原因，因此必须解决深井条件下的牙轮钻头齿形和布齿方式，以适应深井地层的钻井，达到提高机械钻速的目的。     

凸轮型冲击旋压钻头成孔机理研究

挤密钻头是潜孔锤冲击挤密钻进技术的关键所在,其结构形式直接影响着钻进效率、成孔质量和应用效果。应用非线性有限元理论,对动载荷作用下土体的弹塑性和压缩性的变化规律进行了分析。研究发现,常规钻头在冲击挤密钻进过程中产生的桩效应是导致钻进效率降低的主要原因。为了克服桩效应的影响,利用ANSYS/LSDYNA软件对阶梯式钻头和凸轮旋压钻头的钻进过程进行数值模拟分析,并通过实钻试验进行验证。数值模拟分析和试验结果均表明：凸轮旋压钻头能够有效避免钻进过程中土体回弹问题,降低桩效应对钻进效率的影响。试验结果与模拟结果相吻合,表明数值模拟的结果相对可靠。     

汶川科学钻探PDC取心钻头有限元分析

汶川地震断裂带科学钻探项目是在龙门山"北川-映秀"断裂及龙门山前缘安县-灌县断裂附近实施5口科学群钻,由于所实施的5个钻孔都位于地震断裂带上,地层十分松软破碎,普通取心钻进的取心率低、岩心扰动大。为解决该问题,设计并采用了一种超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头,取得了良好的效果,提高了岩心采取率,并保证了岩心的原状性。论文通过UG建立的实体模型导入ANSYS Workbench下的CFX流场分析和Steady-Thermal稳定热分析模块,分析了该钻头的井底流场分布、大小以及钻头的冷却效果,并计算孔底有效排粉的最低泵量,以确定超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头取心钻进时保证取心率和岩心原状性要求的最优泵量。     

PDC碎岩功耗的理论分析与计算

PDC钻头破碎岩石的理论研究,对于合理设计与应用PDC钻头有着非常重要的意义。虽然国内外学者对PDC钻头的碎岩问题进行了诸多的试验和数值模拟研究,但是理论分析研究相对缺乏。PDC碎岩功耗可以定量地从能量角度反映工具破碎岩石的效率,也是评价钻进效率有效指标之一。本文基于单齿PDC的受力模型和接触力学理论,推导了PDC单齿碎岩功耗和PDC钻头碎岩功耗的理论计算公式。结合实例对比分析表明,该公式对于整形PDC片是适用的。研究结果有助于PDC钻头的设计和PDC片的布齿措施,为深化认识PDC切削碎岩机理提供重要的理论依据。     

PDC钻头在中硬岩钻进中的应用

PDC钻头是在高温、高压下由人造金刚石与硬质合金一次合成的超硬材料制成的一种新型钻头,具有强度高,耐磨,抗冲击性强、出刃大等特点。以某勘探区为例,介绍该钻头的应用情况,并与普通硬质合金钻头进行了时效和成本的对比,从对比结果来看,使用PDC钻头钻进效率比合金钻头钻进效率提高57%-69%,钻头成本比合金钻头降低61%-67%,同时还对PDC钻头如何钻进破碎带进行了探讨,并对该钻头在使用中的注意事项进行了说明。     

改进型PDC钻头切削齿室内破岩试验研究

表面带碳化钨保护层的新型聚晶金刚石复合片既可保持复合片的自锐特性及耐磨性,又可以避免切削齿的崩裂,掉块现象,在硬地层中,新型ＰＤＣ切削齿在钻速,切削齿强度和寿命方面与常规ＰＤＣ齿相比具有更好的工作性能。     

新型锥形PDC齿犁削破岩理论研究

目前关于锥形PDC齿的研究主要集中于数值模拟、现场及室内试验,而关于其切削力学特性的理论分析未见相关报道。通过数值模拟阐述了锥形PDC齿拉伸剪切破岩机理,以及切削载荷分布特性;根据能量平衡原理,推导了锥形PDC齿切削载荷理论公式。结果表明,相比于常规PDC齿,锥形PDC齿破岩过程更加稳定,其切削载荷受岩石性质、齿的形状参数、切削深度以及切削角度的影响,且切削载荷随着锥顶半径、切削角度以及吃入岩石深度的增加而增加。研究成果可为锥形PDC齿及钻头的设计提供理论支撑。     

PDC破岩条件下的岩石研磨性评价

岩石的研磨性是钻井过程中钻头的磨损预测及优化的重要因素。为了预测钻遇地层岩石的研磨性,建立了钻井过程中PDC复合片的磨损计算模型,从而得到了岩石研磨性的预测方法。首先,通过复合片与地层之间的受力分析并结合岩石的破碎条件,建立了不同钻压条件下地层对复合片的作用力计算模型。根据石英含量的概率密度分布情况,获得了岩石中参与磨损的颗粒与复合片底部的真实作用力。然后,根据PDC复合片磨损的几何原理,建立了地层对钻头复合片的磨损计算模型。通过室内实验对模型进行修正,分析了岩石各种属性对复合片磨损的影响规律,揭示了各参数影响复合片磨损的主次顺序依次为：弹性模量>石英含量>内摩擦角>表面粗糙度>泊松比>内聚力。基于该磨损模型建立了岩石研磨性评价指标,对制定了岩石研磨性的分级标准具有一定的借鉴意义。     

高压水射流破岩规律的数值模拟研究

运用动态非线性有限元法和Hoffman破碎准则,研究了高压水射流破碎岩石的规律,提出了高压射流破碎岩石过程分为射流冲蚀破碎和锤冲破碎及两个临界压力的概念。研究结果表明,提高射流冲击速度、喷射直径、横移速度、射流束数,在35°至40°之间合理选择射流入射角可以提高射流破碎岩石的效率。     

水射流辅助PDC刀具切割岩石的力学分析

通过对水射流辅助PDC刀具切割破碎岩石的力学分析,定量地确定出水射流对机械刀具受力的作用。试验研究表明,水射流辅助刀具切割岩石时刀具受力随切割深度的增加而线性增加;水射流布置在刀具底部后方,并偏离刀具铅垂中性面适当位置辅助刀具破岩时,刀具受力可减少30 %～50 %,并且刀具力的减少率几乎不受切割深度变化的影响。     

基于稳态碎岩方式的PDC钻头设计分析研究

自从20世纪80年代PDC复合片研发成功以来,PDC钻头由于其钻进性能强和耐磨性能好,在世界许多国家的石油钻井和地质勘探中得到了广泛应用,取得了很好的效果。但是,如何进一步提高其在钻探工程中的技术经济指标是一个很迫切的问题。俄罗斯博士Скоромных В. В.教授等对此进行多年研究,提出了稳态破碎岩石方式的思想,即在轴载和扭矩切力形成的合力R与切削面成垂直角度条件下,切入深度h不变时形成的一种碎岩方式。并在此基础上提出了一些设计PDC钻头方面的建议。