双孕镶金刚石钻头跟套管连续钻进机构设计及模拟分析

跟管钻进技术是解决复杂地层钻进的有效方法之一,针对跟管钻进过程中内外管环空间隙卡阻、钻具受力复杂、能耗大和套管连续下入深度有限、深孔干热岩花岗岩在热应力作用下破碎卡钻等技术难题,本文创新设计了一种双孕镶金刚石钻头跟套管连续钻进机构。理论分析表明：双钻头同心回转钻进岩屑小,避免内外管卡阻,极大地改善了钻具的受力状态,降低了钻具发生断裂的风险;内钻头通过齿轮啮合方式带动外钻头独立回转,相较于常规跟套管钻进能量消耗降低29.29%;外钻头采用高胎体交替式结构,有效避免了钻井液局部循环现象的发生,从而提高了套管连续下入的深度。该机构设计为跟套管钻进技术提供了一种新思路。     

孕镶块式高胎体金刚石钻头的研制

为了提高金刚石钻头的时效和寿命,将钎焊法引入到高胎体金刚石钻头的设计和加工中。首先利用热压法加工耐磨性能好的金刚石孕镶块;然后加工自带两层水口和水槽的新型钻头钢体,且两水口之间预留焊接槽;最后采用钎焊法,将金刚石孕镶块焊接到钻头钢体上。野外试验表明,试制的2只Φ75/54.5 mm高胎体金刚石钻头,与现场使用的孕镶金刚石钻头相比,钻进效率分别提高41.7%和8.3%,使用寿命分别提高50.4%和32.9%。采用二次钎焊法加工的金刚石钻头,兼顾了热压法的优点,解决了工作层高度过高导致钻头胎体折断、掉块的难题,明显提高了金刚石钻头的使用寿命。     

仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头研究

针对孕镶金刚石钻头齿间相互独立,在坚硬地层中钻进极易产生打滑和单齿受力太大导致钻头损坏的难题,引入仿生爪趾结构原理和自补偿理念,研制了仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头。钻头的一体式切削齿设计,主要在单齿的齿单元间采用加强筋方式强化单齿强度,单齿与单齿间设置齿间加强筋加强,使得钻头相邻齿单元、相邻单齿间相互连接形成一个整体,在钻进过程中,钻头齿的工作唇面会产生多个超过岩石极限破坏强度但远低于钻头胎体强度的应力集中区域,不容易出现少数几个接近或超过钻头胎体强度的应力集中区域的情况。如此,钻头的整体性更好,受力均匀,切削岩石的效率更高,寿命更长,尤其对于坚硬地层,防打滑效果更好。经现场试验表明：仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头较常规钻头具有更高的碎岩效率和更长的使用寿命。     

石墨粒度对自润滑孕镶金刚石钻头性能的影响

为了降低干钻过程中金刚石钻头的热损伤,提出了"自润滑孕镶金刚石钻头"的概念,即在钻头胎体中添加固体润滑剂——石墨。研究了石墨粒度对钻头胎体的抗弯强度、洛氏硬度以及在无冷却液的条件下与花岗岩对磨时的摩擦系数和磨损量的影响,以及对钻头工作层的干摩擦性能的影响。结果表明,胎体中添加的石墨粒度越细,胎体的抗弯强度越低,硬度越大,与花岗岩干摩擦的摩擦系数越低,但磨损量越大;工作层中添加的石墨粒度越细,金刚石的寿命越长。     

适用于栅格状孕镶金刚石钻头的胎体配方研究

为了提高钻进坚硬岩层的工作效率,将孕镶金刚石钻头胎体结构设计为栅格状,分析了栅格状孕镶金刚石钻头钻进岩层时的碎岩方式,并采用粉末冶金法制备Inconel 718和CoCrMo试样,通过分析不同烧结温度对两种胎体试样的硬度、耐磨性及抗弯强度的影响,确定了两种材料的最优烧结参数,并对其在该烧结温度下的力学性能进行对比分析。研究结果表明：Inconel 718和CoCrMo均具有较好的抗弯强度,满足钻进坚硬岩层对胎体抗弯强度的要求。Inconel 718的硬度比传统WC基胎体材料小,试样磨损量较大,适合用于地质灾害应急勘查等要求钻进速度快的极端情况;CoCrMo的硬度及耐磨性与传统WC基胎体接近,适合作为孕镶金刚石钻头的胎体材料。     

低温电铸孕镶脉冲钻头及其水力性能数值模拟

对于特别坚硬、研磨性强、互层频繁、含有石英和砾石夹层的地层, PDC钻头无法钻进, 机械钻速较低, 且破坏形式磨损快, 复合片容易破裂, 因此寿命很低.而牙轮钻头钻进也因为该类地层坚硬等缘故, 钻进效率很低, 并容易造成孔内掉牙轮等事故出现.针对这种问题, 研制了一种低温电铸孕镶脉冲石油钻头, 对钻头的流场进行了数值模拟.该钻头在现场的应用表明, 它具有寿命长、机械钻速高的特点.      

表镶大颗粒人造金刚石钻头受力及水力学数值模拟研究

人造大颗粒金刚石技术的不断发展,使得利用其制造表镶金刚石钻头在技术上及经济上均变得可行。本文对φ75 mm表镶人造金刚石钻头的受力、流场与温度场进行了数值模拟,结果表明：金刚石颗粒在高钻压无钻井液循环的条件下极易发生碳化;在钻井液冷却作用下,钻头旋转一圈0.08 s,钻头体会在0.006 s之内冷却;同时水力空化作用与钻井液中固相颗粒对钻头体的冲蚀作用明显;金刚石颗粒内存在较大微裂纹时,金刚石会在小于其许用应力条件下发生破坏。通过对比分析,表镶金刚石钻头的最外侧与最内侧水口处的金刚石较易发生破坏,在设计与制造钻头时应进行强化。     

基于打滑地层的孕镶金刚石钻头设计

为了提高金刚石钻头在坚硬致密、弱研磨性地层的钻进效率, 将弱化胎体耐磨损性能理论与切削齿非光滑设计相结合, 制作钻头进行现场试验并对胎体进行扫描电镜分析.研究结果表明:在胎体中添加适当浓度的胎体弱化颗粒, 有利于提高钻头的钻速; 经胎体耐磨性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, 使其表面形成微观非光滑形态, 提高了钻头唇面与岩石的单位面积压力, 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; 弱化颗粒浓度存在一个较优的设计范围, 过高或过低都不利于提高钻头的钻进效率和使用寿命.      

孕镶金刚石钻头工作层不均匀磨损原因的研究

通过理论分析和生产试验，论证了孕镶金刚石钻头工作层高度磨损不均的主要原因是：在金刚石等浓度分布和质量相同的情况下，因采用矩形水口使得唇面金刚石沿半径线由外向内切削工作负担逐渐加重所致。提出了改善措施。     

密闭取心钻头两相流流场CFD模拟研究

密闭取心是一种特殊取心作业,通过密闭取心钻具与密闭取心钻头配合,在密闭液作用下实现岩心与钻井液隔离,可获得地层原始含油饱和度及油水动态等数据。密闭钻头设计为双流道结构,要满足钻井液过流冲洗冷却钻头唇面、携带岩屑要求,同时密闭液在井底可形成富集区域,有效保护岩心免受钻井液污染,密闭取心钻头流道参数是密闭取心钻头设计的关键。本文运用计算流体力学理论,采用k-epsilon湍流模型及连续性方程对KM型密闭取心钻具配套密闭取心孕镶金刚石钻头的两相流井底流场进行数值模拟,研究钻头唇面两相流混流状态、流体压力、流速、剪切应力分布特征等,分析了流场特征对钻头密闭效果、钻进效率和寿命等的影响,验证了密闭取心孕镶胎块式金刚石钻头流道结构设计参数,提出了钻头两相流流道优化设计建议。     

基岩裂隙水渗流数值模拟研究综述

裂隙岩体中的渗流规律与传统多孔介质渗流规律存在本质的区别,裂隙岩体渗流具有不均匀性、各向异性和非连续性等特点,如何更好地刻画裂隙水渗流的这种特点是当前裂隙水数值模拟的热点与难点。介绍了裂隙岩体地下水渗流特性,对目前裂隙水渗流模型及其优缺点进行比较、分析,同时对主流数值计算方法和数值模拟软件进行概括介绍。     

路堑边坡稳定性影响因子的均匀设计和数值模拟

将均匀设计引入边坡的稳定性影响因素敏感性分析中,可大大减少试验次数,使试验点在试验范围内均匀分布,得到理想的分析结果。针对杭兰高速公路一典型的路堑边坡,采用均匀设计法,对影响边坡稳定性的7种因素进行了敏感性分析。同时采用有限元数值模拟分析法,针对边坡开挖支护作对比分析,证实了均匀设计的可靠性,得出影响边坡稳定性的因子敏感性由大到小依次为内摩擦角、锚索长度、重度、粘聚力、锚索间距、预应力、锚固段长度,从而为公路路堑边坡的综合治理提供了依据。     

降水效果的数值分析和设计优化研究

降水在各类工程中使用的越来越多,已形成了一套设计和施工方法,但其降水效果分析却少有人研究。针对某露天煤矿开挖中的降水疏干工程,开展了大规模的数值模拟研究。在掌握水文地质条件的基础上,通过Modflow建立了较合理的数值模型,对不同工况的降水效果进行了详细的分析,实际计算表明,加井时间、调整单井抽水量、井的数目、井的排列以及它们的相互作用对降水效果有很大影响。分批次、分时段、优化井排列和调整单井抽水量是提高降水效果的设计措施和优化设计的重要影响因素,这些因素的作用规律将为降水设计和施工以及实际工程效果提供重要理论依据。     

双层水口超高胎体金刚石钻头孔底磨损过程分析

双层水口超高胎体金刚石钻头在深孔硬岩绳索取心钻进中具有其优势。根据CUG-2钻探参数监测系统的检测数据,对双层水口超高胎体金刚石钻头的孔底磨损过程及其优缺点进行了分析。结果显示,该钻头的使用寿命比常规金刚石钻头高近 1倍,但其孔底磨损过程比孕镶金刚石钻头复杂,尤其在两层水口的过渡期,容易造成孔底排粉不畅,甚至出现钻头唇面的非正常磨损。建议在钻头第二层水口中增加挡水片;在两层水口过渡层采用较软的胎体;把第二层水口的下端形状设计为圆弧形。     

锦屏大理岩卸荷本构模型与数值模拟研究

锦屏二级水电站深埋引水隧洞位于高地应力区,对取自隧洞内的大理岩进行常规三轴压缩试验、峰前卸围压试验。基于大理岩的峰前卸荷试验,研究峰前卸荷条件下岩石的变形、参数及破裂特征,建立峰前卸荷条件下岩石的幂函数型Mohr强度准则,给出数值仿真试验中大理岩的峰前卸载条件,利用有限差分程序FLAC3D建立了数值仿真模型,对模型进行了计算与分析,最后与室内试验结果对比,得到峰前卸荷状态下大理岩力学特性的相关规律。研究结果表明,幂函数型Mohr强度准则可较好地反映峰前卸荷条件下岩石的强度特性;卸围压初期,岩石试件呈现出明显的弹塑性特征;卸荷过程中岩石试件发生破坏时的峰值强度和围压降值随着围压增加而变大。研究结论揭示了锦屏大理岩卸载应力路径下的力学特性,具有一定的理论参考价值。     

溃坝水流数值模拟研究进展

溃坝问题在水利工程的设计管理中具有重要地位,也是广大学者长期以来一直关注和研究的课题。回顾和总结了国内外对溃坝水流演进问题的研究进展:介绍了溃坝水流的数学模型及解析解法存在的困难,进而讨论了数值解法的最新进展;论述了求解溃坝水流一维问题的有限差分法、近似黎曼解的Godunov格式法、Boltzmann法、KFVS法和二维问题的TVD格式法、间断有限元法、有限体积法、特征线法,并分析了各种方法的适用范围和优缺点,及讨论了限制函数的使用;介绍了利用自由水面追踪方法计算溃坝水流的研究进展,并根据目前存在的不足和实际工程的需要,提出了进一步研究的方向和发展趋势。     

探采结合和数值模拟

本文用一个工程实例说明正确运用数值模拟,可代替现行水文地质勘探阶段的开采性抽水试验,从而可节省资金和缩短勘探及建设工期。文中强调。务使所用数学模型尽可能地逼近和反映水源地所在水文地质单元的原型。否则,模型易失真,必导致资源评价的失败。     

填埋气体运移渗流场-应力场耦合模型及数值仿真

基于流固耦合机制和多孔介质流体动力学理论,根据Landgem产气方程、气体状态方程,结合达西定律、有效应力原理,建立了渗流场-应力场耦合填埋气体运移模型。利用伽辽金方法对模型进行了离散,通过有限元方法对耦合作用下填埋气体压力分布规律进行了数值仿真分析,同时对垃圾填埋变形介质参数以及垃圾降解系数对填埋气体产气量影响进行了定量评价,表明耦合作用下抽气时孔隙结构发生改变,阻滞气体的运移,导致耦合作用较未考虑耦合作用的气体压力低。垃圾填埋气体的产气量小,对变形介质参数和降解系数的定量评价结果表明,垃圾填埋气体的产气量随着渗透系数和降解系数的增大而增加,因此耦合作用不能忽略。这不仅为准确控制气体的挥发与扩散以及气体资源的再利用提供可靠的理论依据,而且对于生态环境的保护和垃圾资源化利用具有重要的理论意义和实际应用价值。