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。     

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。     

全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理的有限元分析

针对坚硬地层破岩效率低、钻具粘滑振动造成钻头寿命降低等问题,通过ANSYS有限元分析软件对全尺寸钻头复合冲击破岩机理进行研究。分析了冲击频率、钻压和转速对钻头破岩效率的影响,通过分析发现钻头破岩过程中,岩石内部既存在拉应力,也存在压应力,岩石破坏表现形式为“拉伸+压剪”的综合作用破坏。研究得出在扭转冲击频率为25 Hz条件下,此时轴向冲击的最佳频率为13 Hz,在这2种冲击频率的配合下机械钻速最快;钻压对机械钻速影响较大,两者呈线性正相关关系,并回归出有无冲击载荷条件下钻头机械钻速与钻压的变化关系式;转速对机械钻速的影响较小,两者呈微增趋势,分析认为是坚硬岩层使PDC钻头变切削为研磨状态导致机械钻速变化不大;复合冲击在地层钻进中能明显提高机械钻速。全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理研究对于钻进效率的提高和复合冲击技术的发展具有重要意义。     

模拟深井条件下的PDC钻头破岩试验研究

利用深井破岩试验装置模拟不同井深压力条件下对泥岩进行了ＰＤＣ钻头破岩试验，试验结果表明，随着井深的增加，岩石强度增加，破碎岩石的切削力增加，同时，ＰＤＣ钻头齿形和结构对破岩效率影响较大，因此必须按深井条件和岩石特点进行ＰＤＣ钻头齿形和结构设计，以达到提高机械钻速的目的。     

三牙轮钻头破岩过程计算机仿真模型

进行钻头钻进过程的仿真对于优化钻头设计、提高破岩效率以及钻头选型都有着重要的应用价值。以现场实钻数据为基础,采用“黑箱法”为钻头钻进岩石互作用仿真模型的基本建模方法,对决定钻头钻进性能的齿坑模型和牙齿吃入岩石的力-吃深模型进行了仿真建模。并采用误差梯度下降算法来估计不同钻头结构和岩石性质所对应的模型参数,进而实现对钻头钻进过程的仿真。采用实钻数据反演的建模思路有利于利用大量的现场数据实现对模型的完善,更好地反映现场的各种钻井工况,使钻头破岩仿真技术在实用性和经济性上前进一大步。     

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。     

冲击作用下的压头破岩机制研究

与静态岩石破碎过程相比,冲击作用下岩石的应力改变具有时间效应,应力波传播过程中表现出压、拉变化。基于损伤演化原理和有限元数值模拟方法,针对冲击荷载作用下的压头破岩机制进行了模拟分析。为排除边界上反射波的影响,黏弹性边界被纳入计算中。首先论证了黏弹性边界在均质和非均质介质中的计算精度,然后分析了冲击作用下不同均质度的岩石以及砂砾岩的响应规律,结果显示：在弹性情况下,压头与岩石接触边缘以及自由面附近是拉应力分布区,接触边缘拉应力最大。剪应力最高值并不位于接触面附近,而是离接触面有一定距离。较均质岩石主要呈现拉伸破坏模式,先出现赫兹裂缝,然后是径向裂缝和侧向裂缝,拉应力的产生成为诱发裂缝萌生和扩展的主因。当岩石均质度较低时,岩石的破坏形式呈现多元化,剪切破坏比重加大,表现为复杂的拉剪破坏模式。对于砾石粒径较大、含量较多的砂砾岩,砾石和基质的非均匀性不可忽略,冲击下破坏模式以绕粒环行和穿粒破坏为主。总体说来,对于岩石类准脆性材料,应力波传播过程中产生的拉应力是失稳的诱发和扩展的关键。     

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。     

动静组合加载下刀具破岩的力学模型

基于初始弹性和动静荷分工的假设,将动静复合加载下坚硬完整的脆性岩石的破碎过程分为弹性、损伤和断裂3阶段,综合运用弹性力学、岩石力学、损伤力学和断裂力学进行分析。由集中力作用下弹性半空间的应力场和单元体的剪切破坏,得出了岩石损伤的裂纹源和其曲线扩展路径;选定Ⅰ型、Ⅱ型裂纹作为动载冲击作用下压剪裂纹的扩展模式。提出了以冲击能（次数）来定义损伤度的方法。以相邻破碎坑的侧向裂纹扩展贯通作为岩石破碎的终点。本力学模型可以用于动静复合加载破碎岩石的系统仿真、数值模拟和机具设计。     

水中丝爆等离子体破岩机理研究

在隧道开挖、矿山开采等基础工程建设中,岩石爆破技术发挥着重要作用。等离子体碎岩技术具有无污染,破碎过程中无飞石、无有害气体的产生,使用方便,作业效率高,是替代炸药碎岩的最有效可行的方法。本文研究了水中丝爆产生等离子体破碎岩石的机理,分析了高电压脉冲放电过程中的铜丝融化过程,建立了铜丝在各阶段变化的电阻模型,利用MATLAB对不同阶段放电电路的电流进行了数值仿真分析,并与实验得到的电流波形进行对比。研究发现,电流波形,上升沿时间越短,脉冲放电效果越好。铜丝变化产生等离子体的过程中,等离子体通道具有一定的电阻性。实验数据结果与模型数值计算结果基本相符。     

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。     

三牙轮钻头内流场数值研究及损坏原因分析

采用时均N－S方程和标准κ-ε紊流模型，在贴体坐标系中对三牙轮钻头内流场进行了数值研究。通过大量的数值试验，其结果表明：现有三牙轮钻头的内流道结构是不合理的，主要表现在内流道诱发“过流断面突变效应”，严重的导致三牙轮钻头内流道的空蚀破坏。     

基于有限元法的井底应力场随井底压差变化规律研究

岩石破碎是钻头与井底岩石相互作用的结果,井底应力场是决定钻头破岩效果的重要因素。本文利用有限元数值模拟手段探讨了特定地应力条件下井底压差对井底岩石应力的影响规律。研究表明,降低井底压力可以减小井底岩石的等效应力、改变岩石的应力状态,有利于钻头破碎岩石。井底平面上井眼中心附近的岩石最易破碎,越靠近井壁岩石所受的应力越大,在近井壁地带0.8R（R为井眼半径）附近,会出现明显的应力集中现象,这使得该区域的岩石最难破碎。本文的研究成果为研究最经济、最有效的钻井工艺和破岩技术提供理论依据,为破岩工具的优化设计提供参考。     

单齿冲击作用下破岩机制分析

研究牙齿冲击下破岩机制是提高冲旋破岩效率的理论基础,目前对牙齿低速冲击下的岩石力学研究主要集中在仿真和试验,因此,有必要研究牙齿低速冲击下的破岩机制。首先分析了单齿冲击下岩石破碎坑的形貌,提出了分区建立物理模型和力学模型。考虑到单齿冲击的低速条件和岩石围压效应,得到修正的球形空腔膨胀理论,推导了岩石破碎坑的密实区、开裂区、弹性区3个区域的应力与位移解析解。利用Matlab对各区域解析解进行数值求解,得到了围压、质点运动速度以及岩石物理性质参数等对破碎坑各区域无量纲应力和位移变化的影响,采用仿真试验验证结果的正确性。该模型不仅解释了岩石破碎坑的形成,而且也提供了一种分析牙齿冲击破岩力学模型。     

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。     

物探冲击器与钻头和岩石相互作用仿真研究

冲旋钻井技术已广泛应用于矿藏、油气等资源的勘探开发领域,但仍存在钻具损坏严重、能量传递效率低等不足。冲击器的能量传递和破岩效率是冲旋钻井技术的关键参数之一。结合冲旋钻井技术的实际应用情况,阐述了计算假设、三维模型的建立、材料属性及单元类型、划分网格、定义接触、施加载荷等问题,建立了物探冲击器与钻头和岩石相互作用的有限元模型并进行了计算仿真。得到了活塞撞击钻头的能量传递效率;钻头在单次冲击旋转作用下,破碎岩石的深度为6.4 mm;冲击器活塞在运动过程中存在径向速度与位移,危害非常大,应尽量减小或消除。为研究冲击器与钻头和岩石的能量传递关系、钻井工艺参数和钻具结构的优化奠定了理论基础。     

牙轮钻头动静耦合碎岩机理及旋挖成桩应用

总结了在不同高温状态下冷却、不同加载速率及随机裂隙发育状态下花岗岩动态抗拉力学特性的变化规律;结合牙轮钻头孔底碎岩过程,分析了动静载荷耦合作用下岩石破碎的载荷一侵深特性曲线,认为动、静载荷耦合作用的加载点（即动载的施加点）应是在静载处于卸载阶段;并根据加载能量大小讨论了不同动静耦合工况下产生的岩石破裂深度及破碎体积,表明通过一定范围内增大静载荷及冲击力、预加静压对岩石进行预应力损伤、加载一卸载一加载的破碎循环模式,有利于高效碎岩及裂纹的发育。嵌岩桩基础工程实践表明,通过改造牙轮钻头等钻具结构形式及布齿方式,利用动静耦合加载方式及对钻头冷却处理,可实现牙轮钻头在微风化花岗岩高效钻进的目的,为牙轮钻头的旋挖钻进成桩应用提供了重要的技术支撑。     

关于利用系统论方法设计金刚石钻头的分析研究

地质钻探工程是个复杂的系统工程,金刚石钻头设计是个复杂的系统。俄罗斯技术科学博士Скоромных В. В.教授等使用系统论方法设计表镶金刚石钻头,以机械钻速为目标函数,以钻头切入岩石深度为切入点,建立了相关的数学模型,编制了程序,进行了计算机模拟,可以比较直观地看到金刚石在孔底的工作情况和钻头破碎岩石的过程,对于深入研究孔底岩石破碎过程机理和判断金刚石钻头设计的合理性及其对钻探技术经济指标的作用,具有一定的实际意义。     

破碎松软地层取心钻头孔底流场数值模拟及应用

复杂地层取心和孔壁稳定一直是困扰地质钻探界的2大技术难题。以汶川地震科钻为例,5个钻孔都在断裂带上,地层极破碎、松软。针对部分孔段取心率低问题,设计一种新型阶梯式隔水底喷取心钻头,利用CFD技术对钻头孔底流场进行数值分析,优化钻头排水槽结构、泥浆性能和水力参数,寻找一种最佳组合,为提高岩心采取率、预防堵心,提高孔壁的稳定性奠定基础。     

高压水射流破岩动态过程的数值研究

采用动力接触法建立了高压水射流破碎岩石过程的计算模型。应用动力瞬态非线性有限元法,对射流冲击岩石时射流冲击动载的变化、岩石破碎区域的扩展过程进行了数值研究。并对非线性动力冲击有限元数值求解的几种方法做了讨论。