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。     

锥形聚晶金刚石复合片和可旋转切削齿技术简介

PDC钻头有着较高的钻进效率,一直受到客户们的青睐,但它受所钻地层、孔深和温度等因素的制约,使得钻头切削齿寿命较低。最近几年,国内外专家针对如何提高切削齿性能开展了诸多研究,并取得了不少成绩。主要介绍了美国史密斯钻头的2项最新PDC切削齿技术——锥形聚晶金刚石复合片和ONXY 360旋转切削齿。实钻试验表明,采用这2种新型切削齿技术的PDC钻头,钻进效率和寿命都有了明显提高。     

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。     

金刚石聚晶与复合片混合齿钻头

本文重点阐述了金刚石聚晶与复合片混合齿钻头的特点,并比较详细地叙述了这种新型钻头的设计思想、制造工艺以及在油田勘探使用中与牙轮钻头的效果比较,为石油地质钻探提供了一条选择新型钻头的途径.     

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...     

电焊硬质合金刀齿破岩滚刀：当前最耐磨的新材质滚刀

竖井钻机目前已广泛用于大口径工程井及煤田竖井施工。其破岩滚刀的寿命直接影响施工效率和成本．因此，国内外都对提高被岩滚刀刀齿耐磨性作了大员研究工作。我们经过十余年的试验研究，研制出一种耐磨性极好的电焊硬质合金刀齿破岩滚刀，在破中硬以下砂岩的工况下，其使用寿命比进口破岩滚刀高三倍。     

软岩钻进用新型复合片钻头的研制与应用

为提高复合片在软岩钻进中的效率及寿命,提出了改变复合片切削齿形状,运用新的布齿方式和新的保径设计,设计制造的Φ76 mmPDC钻头在软岩钻进中取得了良好的效果。详细介绍了该软岩钻头的结构设计及现场应用效果。     

新材质破岩刀具的研制与合理使用

本文从改进和提高制造刀具的材质着手，结合刀具结构的改进和合理使用，使刀具的破岩效率和使用寿命达到新的水平，为施工单位保证施工工期和降低成本提供保证。实践证明，研制成的高性能冲击钻头和电焊硬质合金刀齿滚刀是当前最为有效的破岩刀具。     

电焊硬质合金刀齿破岩滚刀—当前最耐磨的新材质滚刀

竖井钻机目前已广泛用于大口径工程井及煤田竖井施工，其破岩滚刀的寿命直接影响施工效率和成本，因此，国内外都对提高破岩滚刀刀盼耐磨性作了大量的研究工作，我们经过十 余年的试验研究，研制出一种耐磨性极好的电焊硬质合金刀齿破岩滚刀，在破中破以下砂央的工况下，其使用寿命比进口的破岩滚刀高三倍。     

截齿破岩机制及截线间距优化试验研究

根据截齿侵入岩石的断裂特征和相关试验数据,分析了破岩机制及不同截线间距对破岩效果的影响。在单刀旋转截割试验平台上,以不同切削深度和截线间距进行组合试验,并结合比能耗、粗度指数及截割载荷3个评价指标,对截线间距进行优化,研究截割该类型砂岩时截线间距与切削深度的最佳比值。试验结果表明,岩石在单齿旋转截割作用下的破碎过程大致可以分为初始压碎区细粒岩屑生成、密实核形成并储能、各向裂纹的扩展与连通、断裂体崩落、二次压碎区细粒岩屑生成5个阶段,且岩屑的断裂是以拉伸为主并伴随着挤压和剪切的共同作用;在最佳截割条件下,粗度指数较高,岩屑成块率增加,且比能耗低。通过分析岩石破碎过程及对截线间距的优化,可为掘进机破岩机制研究及截齿布置提供参考。     

切槽对TBM刀具破岩机制的影响研究

高压水射流与机械滚刀相联合破岩技术的出现,改变了传统隧道掘进机（tunnel boring machine,简称TBM）的作业方式。以高压水射流在滚刀两侧岩体切槽的破岩模式为研究对象,开展常截面滚刀压头贯入不同预切槽深度白砂岩板状试样的试验和数值模拟计算分析,对破裂后图像进行DIC分析,研究发现：切槽的存在,阻断了刀具贯入裂纹的拓展,使能量能够更加集中于压头下方的局部岩石块体,有利于形成“八”字形贯通裂纹,促进岩石的破碎;随着槽深增加,压头下方岩石内部的应力状态和力学响应分区逐渐过渡改变。槽深较大时,压头下方的力学响应区域在原有裂纹扩展区、弹性区之间增加了破坏过渡区,该区域内微裂纹被压密,区域内岩石存在较大变形,但未出现明显破坏;切槽后,滚刀压头下方的岩体破坏机制由无切槽试样挤压剪切为主导的径向裂纹拓展,演变为由刀具和切槽共同控制作用—拉伸剪切为主导的主裂纹扩展。     

混合岩形成机制研究的动态

本文根据三十届国际地质大会有关资料，对国内外在混衙岩形成机制研究方面所取得的成果和认识，做了介绍。     

超声波辅助PDC切削齿振动破岩仿真分析

PDC钻头在软至中硬地层钻进时具有钻速高、使用寿命长、设计灵活等显著优点,在钻井领域中的需求量逐年增加。而超声波钻进作为一种新型碎岩技术,由于在钻进过程中具有穿透能力强、钻进效率高等优点而获得了广泛关注。以超声波振动辅助PDC钻头破岩有望取得良好的钻进效果。为此,基于线型Drucker-Prager模型,利用ABAQUS软件建立了超声波辅助PDC钻进振动切削岩石的二维有限元模型,分析了不同超声波振动频率下PDC钻进破岩比功和切削力的变化规律,比较了超声波振动切削与常规切削岩屑形成过程的差异。研究结果表明,当激励频率从20 kHz至40 kHz增长的过程中,破岩比功与平均切削力都呈现先减少后增加的变化趋势,即存在一个最优频率位于25~30 kHz间,使破岩比功最小,钻进效率最高;超声波辅助振动切削的破岩方式与常规切削的塑性破坏不同,主要以脆性破坏为主,其切屑形成过程共分为4个阶段,且切削力保持为零的阶段较常规切削更为明显;当激励频率接近岩石固有频率时,超声波振动切削的平均切削力较常规切削小20.5%,并更易产生大块岩屑,使岩石产生更多体积破碎,从而提高破岩效率。     

巴彦河套新区异形齿PDC钻头研究与应用

为了巴彦河套新区油气资源高效开发,（1）通过测井数据、岩心实验以及实钻数据,开展了该区地层岩性可钻性分析,表明白垩系埋深较深地层以及太古界片麻岩地层可钻性差;（2）调研了该区以及外部区块难钻地层异形齿钻头实钻情况,白垩系5000 m以深地层以及太古界地层单只钻头进尺少,机械钻速低,调研的外部区块塔里木塔河南难钻地层通过使用异形齿钻头,提速效果显著;（3）对比分析了平面齿、斧形齿、多棱齿以及锥形齿破岩机理,为后续钻头优化设计提供了理论支撑;（4）开展了异形齿PDC钻头现场实验,较常规PDC钻头单只进尺以及机械钻速均取得了显著的提升,其中有21口井实现二开“一趟钻”,总进尺30000余米。总之根据地层可钻性变化,优配平面齿、斧形齿、多棱齿以及锥形齿,提高钻头与地层的配伍性,可显著提高钻井效率。     

盘形滚刀破岩过程的数值研究

为了研究全断面岩石掘进机盘形滚刀的破岩过程以及盘形滚刀的结构参数（刀刃宽、刀刃角）对滚刀破岩特性的影响,利用离散元方法建立岩石与盘形滚刀的二维数值模型,研究了滚刀侵入岩石过程中贯入度、切削力以及裂纹数三者的关系,在此基础上通过仿真得到滚刀结构参数与岩石破碎特性的规律。研究结果表明：裂纹的扩展与滚刀受到的切削力密切相关;破岩过程中切削力先增大后减小的循环模式,证实了岩石跃进破碎特性。在盘形滚刀作用下,岩石中的应力是向下、向四周无限扩展的对称的应力泡。滚刀刀刃作用区域,应力值最高,随着滚刀贯入度增加,最大应力减小;远离滚刀刀刃区域,应力呈应力泡形式逐层降低至0。选择滚刀刀刃宽在10～15 mm之间,既避免滚刀受到的推力过大,又能提高滚刀的破岩效率;岩石破碎以滚刀刀刃下方向下发展裂纹的扩展为主,刀刃角在10°～20°之间,既能减少滚刀的磨损又能提高破岩效率。     

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。     

钢粒子迟滞重复冲击破岩硬岩损伤破裂特征研究

粒子冲击辅助破岩技术凭借其快速、高效等优点,对硬质岩体有着较好的破岩效果。通过粒子冲击试验和离散元模拟相结合的方法研究单、双粒子冲击速度、双粒子间距等因素对高强度花岗岩表面、三维及剖面形貌特征的影响,探寻冲击坑深度、冲击坑体积及冲击坑表面面积随冲击参数的变化规律,统计粒子冲击破岩裂纹的分布规律,并且从能量吸收率的角度评价双粒子迟滞冲击破岩的效能。结果表明：冲击坑深度与冲击速度呈正相关;随着粒子间距的增大,冲击坑由相交逐渐相离,形貌随之变化,冲击坑体积随之减小,而冲击坑表面面积增大;通过模拟发现,裂纹主要分布在斜长石与钾长石的晶界处,以拉伸破坏为主;当选用5 mm直径的钢粒子破碎强度200 MPa左右的极坚硬花岗岩时,双粒子迟滞冲击破岩的能量吸收率曲线随粒子冲击速度增大趋于平缓,在双粒子迟滞冲击破岩的粒子间距为8～10 mm且冲击速度400 m/s左右时能达到最佳的冲击辅助破岩效果。     

山区下开采覆岩移动规律及破断机制研究

以海石湾矿山地下开采为背景,借助基于连续介质力学的离散元方法--CDEM数值模拟计算方法,对山区下煤层开采过程中不同采动影响模式下覆岩的移动和破坏进行了模拟分析,并结合相似模拟试验与现场岩移监测所得结果,得到了顺坡推动式采动影响模式及逆坡牵引式采动影响模式下,覆岩的移动和破坏形式,并从数值分析和实际观测上验证了高顺坡开采转低逆坡开采时覆岩悬臂梁结构的存在,解释了坡底局部隆起的现象。研究表明,在相同地质条件下,顺坡开采坡顶易发生张拉及剪切破坏,坡底有剪切蠕滑的可能,因此,较逆坡开采对边坡稳定性影响更大。所以在实际生产中宜将上工业广场建于低矮的坡体较完整的逆坡上。