异形PDC齿切削破岩提速机理研究

在室内切削实验基础上基于有限元二次开发建立了异形齿切削及全钻头破碎非均质花岗岩的三维数值仿真模型,研究了12种形状聚晶金刚石复合片（PDC）齿切削非均质岩石过程中的切向力、法向力、岩屑、破岩比功,并研究了齿形对全尺寸钻头破岩效率的影响。研究结果表明：锥形齿的切向力最小,破岩比功最高,对应的锥形齿钻头的进尺也最小;三平面齿的法向力和切向力均为最大;破岩比功最低的齿为双曲面齿;进尺最大的全钻头齿形为更易吃入岩石的鞍形齿、双曲面齿以及斧形齿。     

硬地层单牙轮-PDC钻扩联合钻头破岩特性

提出了新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头,先依靠单牙轮破岩钻孔,释放地应力,产生岩石损伤,再助推PDC钻头刮切破岩。运用有限元法,建立钻扩联合钻头、双级PDC和常规PDC钻头破岩的非线性动力学模型。通过对岩石本构关系进行D-P准则描述以及确定岩石破碎的判据,分析钻扩联合钻头钻进硬地层的破岩机理,开展了3种钻头动态破岩过程的对比研究。结果表明：钻扩联合钻头在钻进过程中井底井壁的岩石应力得到明显释放,大大提高了岩层可钻性;在硬地层中钻扩联合钻头钻进速度提高的主要原因是拉应力破岩;钻扩联合钻头在硬地层钻进过程中的扭转振动大大降低,破岩效率更高,钻头寿命更长;由于单牙轮领眼破碎岩石的作用,钻扩联合钻头对井底岩石的冲击破碎能力更强,在硬地层中钻进更快。研究结果为新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头的研发提供了参考。     

PDC钻头切削断面对破岩效率的影响

基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager 准则作为岩石的本构关系,采用剪切失效准则,在验证岩石模型及PDC齿破岩建模方法可行性的基础上,建立了PDC齿切削3种典型断面岩石的三维有限元模型,并针对井底不同围压,研究了切削断面的面积、切削齿的后倾角及侧转角对破岩效率的影响。结果表明：不论何种围压,减小切削断面的面积有利于岩石的破碎,且应多采用宽切削断面进行PDC钻头径向布齿;切削齿后倾角对岩石破碎效率影响大于切削齿的侧转角对岩石破碎效率影响,切削齿最优破岩后倾角在低围压下为5°,在高围压下为20°。     

岩石振动激励模拟测试系统

为更好地研究岩石的破碎特性,实时监测岩石破碎过程中各参数的变化以提高破岩效率,在分析破岩系统力学模型的基础上,利用倒置的激振台提供冲击载荷、电机带动丝杠提供静载荷,使用压力传感器、称重传感器等与数据采集卡相结合,将钻头的钻速、钻深、钻压和扭矩这些被测量数据通过电压、变形量等载体形式输出,由计算机进行数据的接收,LabVIEW软件进行处理,并实时显示动态曲线及记录文档,便于查询和比较。     

TBM边缘滚刀组合破岩特性及其影响因素敏感性评价

盘形滚刀是全断面硬岩掘进机(Tunnel boring machine,TBM)破碎岩石的关键部件,边缘滚刀因其安装位置的特殊性,破岩行为不同于正面滚刀。为了研究边缘滚刀组合破岩特性以及破岩参数对其破岩性能的影响,采用颗粒离散元法建立边缘滚刀组合破岩模型,研究边缘滚刀组合破碎花岗岩与石灰岩时岩体裂纹演化过程、应力分布特征以及刀具载荷变化规律。在此基础上,建立基于敏感度熵权的边缘滚刀破岩参数综合评价模型,研究边缘滚刀破岩敏感性参数对破岩效率、裂纹扩展能力等的影响程度。研究结果表明:不同岩石条件下,滚刀破岩特性以及破岩参数敏感度有所区别;滚刀间倾角差、刀盘圆弧半径和刀刃角对边缘滚刀破岩性能影响最为显著,刃宽与贯入度影响次之,刀盘转速影响最小。     

非开挖市政道路施工钻孔组合型多级破岩钻头设计

通过对破岩机理及钻头冲旋破碎岩石过程的研究,设计了两种适用于市政道路非开挖干法输送泥屑的组合型多级破岩钻头。通过实验,验证了采用组合型多级破岩钻头对含有大卵砾石土层进行钻削,可以得到气力输送所期望的碎泥屑,为干法气力输送泥屑奠定了技术基础。     

PDC钻头切削破岩机理及数值模拟研究

由于PDC钻头几何外形、岩石材料以及井底钻井工况的复杂性,PDC钻头切削破岩机理的研究一直都是难点问题。基于单齿切削机理,引入岩石比功ε,推导出钻井钻压W、扭矩t和切削厚度d之间的关系,建立切削比功E与钻井强度S的二维图;同时结合接触摩擦分量,分析并阐述了破岩过程的概念模型;通过有限元方法建立全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维仿真模型,开展PDC钻头切削破岩机理的研究,进一步分析PDC钻头破岩过程的响应规律。结果表明:岩石损伤与应力云图可直观反映钻井过程岩石损伤剥落形成井眼及井底应力分布状况;PDC钻头钻进方向的位移、加速度和扭矩响应规律与理论分析相一致,并揭示了PDC钻头钻进过程中的"进尺台阶"现象,亦佐证了破岩过程的概念模型。     

基于节理岩石的双刃滚刀贯入度和进给速度优化

为研究双刃滚刀对节理岩石的适用性,采用ABAQUS仿真软件对其破岩过程进行研究仿真。仿真过程中采用修正的Drucker-Prager岩石模型,研究双刃滚刀切入节理岩石的贯入度和进给速度等参数对切削过程中破岩效率的影响,通过岩石的破损量、最大塑性变形及破岩的比能耗等分析破岩结果。本文采用的岩石与节理的模型参数为节理间距70mm,节理厚度10mm,节理倾角为45°。研究结果表明：节理处破损情况较岩石更明显,最佳贯入度为12.5mm,最佳进给速度为250mm/s。该研究结果可以对节理岩石盾构施工中刀盘的转速和刀具侵入岩石深度参数设置提供参考。     

井下动力驱动的旋冲钻井工具设计计算与试验

设计了一种基于井下动力驱动的旋冲钻井工具,实现两种破岩机理相结合,提高整体破岩效果。采用螺杆或涡轮钻具作为旋转动力源,利用由一对空间凸轮机构组成的冲击发生机构带动上凸轮及其他从动件上行,下行的过程中,从动件冲击下凸轮,下凸轮将冲击能传递给钻头,实现对岩石的体积破碎。利用Solidworks Premium 2012软件计算了空间凸轮机构在不同载荷作用下的应力分布情况,上凸轮和下凸轮在承受最大设计载荷时的安全系数分别为3.69和2.36,均大于需用安全系数,设计安全可靠。工具冲击性能测试得到了冲击力、冲击频率与钻压、排量之前的关系,试验结果表明,其动力特性参数满足现场复合钻进工况要求。进行了现场试验,该工具具有较好的提速效果,同比提速40%以上。     

硬地层复合钻头破岩特性与提速机理研究

PDC-牙轮复合钻头是一种综合了PDC钻头与牙轮钻头结构特点和工作原理的新型钻头,能更高效地钻进硬地层。但由于对其破岩机理认识不足,使得PDC-牙轮复合钻头的研发具有盲目性,推广受限。基于弹塑性力学和岩石破碎学,采用Drucker-Prager准则描述岩石本构关系,塑形应变作为破岩判据,通过有限元法建立全尺寸复合钻头和PDC钻头动态破岩的非线性动力学模型,分析了复合钻头作用下硬地层岩石的破坏机制,对比了硬地层中两种钻头的动态破岩过程。结果表明:复合钻头钻井能满足井壁稳定性的要求,然而一旦井壁失稳,井壁岩石将大块脱落;以拉应力破岩为主是复合钻头在硬地层中大幅提高机械钻速的原因之一;硬地层中复合钻头扭转振动低于PDC钻头,破岩效率更高;由于牙轮滚动的多边形效应,复合钻头沿钻进方向对岩石的冲击较PDC钻头更大,能更快钻进硬地层。     

钨钢涂层钻头钻削QT700-10的钻削力及质量研究

QT700-10球墨铸铁具有良好的减振性和自润滑功能,抗压和抗拉能力强于灰铸铁,但是QT700-10的塑形和韧性比钢低很多,可加工性不高。为了研究QT700-10的钻削力和加工质量,设计正交试验,使用硬质合金钨钢涂层钻头钻削QT700-10工件。利用极差分析方法,对钻削合力及孔圆度误差进行影响因素评价。影响钻削合力的因素依次为每齿进给量>钻头直径>主轴转速;影响孔圆度误差的因素依次为每齿进给量>主轴转速>钻头直径。钻头的主要磨损形式是黏结磨损,10mm钻头的磨损宽度最大。综合考虑钻削合力、孔圆度误差和钻头磨损后,提出QT700-10的钻削加工关键参数组合为：钻头直径为8mm,主轴转速为3000r/min,每齿进给量为0.18mm/r。     

PDC齿磨损前后钻头钻进能力对比实验与分析

PD C钻头能钻进的地层越来越宽,已能钻进硬地层和复杂夹层,但在硬地层中其机械钻速普遍较低。针对上述现象开展了PD C齿正常磨损前后的钻头钻进能力对比实验和分析,并提出建议。P D C钻头能正常钻进的前提是P D C齿能有效地吃入岩石;钻头磨损后攻击性减弱,PD C齿不能很好地吃入地层,是钻头机械钻速下降和发生打滑的根本原因;钻头磨损后加大钻压能增加PD C齿吃入岩石的能力,改善钻速,但也加快了钻头的进一步磨损,当磨损到一定程度时,加压提速的效果并不明显。建议,作钻头分析设计时针对硬地层应充分考虑钻头的攻击性;应进一步开展磨损状态下的钻头分析。     

牙轮钻头旋转破岩引起的钻柱纵向振动研究

由于钻柱的大长径比特性,外加钻头破岩过程中井底凹凸不平,钻柱系统极易产生纵向振动。这类振动会加剧下部钻具失效、影响井身质量、浪费系统能量,最终降低钻井效率并增大钻井成本,甚至可能导致安全事故。在合理假设的基础上,通过建立牙轮钻头旋转破岩时钻柱纵向振动的力学模型,建立并求解其运动微分方程,得到钻柱的纵向振动响应。研究表明在阻尼作用下,钻头在具有初始位移后所引起的振动迅速衰减并趋于消失,钻头的实际纵向运动轨迹类似于正弦曲线。在50~120 r/min范围内(现场常用转速),振幅放大系数随着转速的增大而减小。由于正常钻进时激励频率远高于钻柱系统的固有振动频率,因此初始位移对钻头纵向振动的振幅放大系数影响比较小。     

空气锤钻头本体与钻齿的过盈数值分析

正空气钻井技术用于解决提高机械钻速和复杂硬质地层条件下的井漏等重大的钻井难题。但是,钻井过程中也暴露出许多技术难题,其中钻具损坏问题相当突出。空气锤钻头的失效方式主要以断齿、磨齿、掉齿、本体缩径和钻头断脱等为主,掉齿造成钻头过早地失效,严重降低了钻头破岩效率。钻     

滚刀振动切削岩石动力学特性

为深入研究滚刀振动切削岩石动力学特性，开展了滚刀与岩石互作用力特性以及振动引入对滚刀切削破岩影响的分析，实验结果表明：切削破碎载荷呈近似的刚度双折线特征，滚刀与岩石之间存在弱接触和局部切削行为，适当的振动引入可以明显地提高滚刀切削破岩效率和降低滚刀扭矩。进而，基于弹簧、阻尼、质量块以及滑动器建立了滚刀振动切削岩石动力学模型，构建了包含滚刀与岩石之间五种相互作用形式的连续无量纲方程组，运用四阶龙格-库塔法求解微分方程组，获得了不同参数组合下系统的分岔图、速度、位移、庞加莱截面和相空间轨迹等，结合实验研究表明：所建立的动力学模型能够较好地重现滚刀振动切削岩石过程；破岩系统主要存在周期和混沌运动状态，混沌运动时破岩系统相空间轨迹杂乱，相轨迹没有确定的形状周期，位移和速度随时间变化也没有明显规律，破岩效率一般较低；当静态力、激振力幅值以及激振频率改变时，系统的运动状态和岩石破碎效率也随之发生变化，分析滚刀速度分岔图、岩石破碎位移获得了给定条件下静态力、激振力幅值以及激振频率的较优范围，它们对应的系统运动状态总是为P-1-I-1-Pr-1（滚刀在一个激振周期内碰撞岩石一次，且阶跃性破碎岩石一次）...     

纵扭复合冲击工具动力学特性研究

随着钻井深度的增加,地层岩石的强度、硬度和研磨性等特性明显增加,从而导致钻头的破岩效率较低;同时随着钻柱长度增加,钻柱系统扭转刚度降低,井下钻柱系统容易发生卡钻、黏滑等现象;为了提高钻头的破岩效率和减少黏滑现象,建立了复合冲击的运动学模型和动力学模型,根据理论模型提出了一种新型复合冲击器,利用设计的新型复合冲击器结构参数以及性能参数,验证了理论模型的正确性,同时依据理论模型研究了输入流量随时间对新型复合冲击器的动力学特性的影响规律,并利用仿真结果验证了理论的可靠性,对复合冲击工具的研发与应用选型具有重要的指导意义。     

潜孔锤钻头球齿冲击过程数值模拟

潜孔锤钻头冲击钻进的过程是一个高度非线性、大变形、破坏的过程.对这一复杂过程,目前主要是利用实验方法来进行研究,致使钻头设备的开发与研制一直处于传统的经验或实验模式下进行,设计与制造周期长、成本高,产品严重老化、缺乏市场竞争力.应用非线性显式三维有限元求解程序LS-DYNA3D,采用与岩石性质较接近的混凝土模型,对钻头硬质合金球齿冲击混凝土板的过程进行仿真计算,讨论不同球齿冲击速度下混凝土的变形及破碎机理,分析球齿的冲击力、侵入混凝土的速度、位移及冲击力-凿入深度曲线等,为研究钻头与脆性材料的作用过程及钻头的优化设计提供一种有效的分析方法.     

基于钻头-岩石碰撞的激振冲击系统的非线性动力学研究

为了提升旋转冲击钻井过程中轴向冲击的辅助破岩效果,设计了一套用于测试钻头与岩石之间激振碰撞的试验装置,通过对钻头的激振频率、激振振幅和施加的静态压力3项可控参数的调节,研究了该激振冲击系统的动力学行为演化规律,且试验测试结果与数值模拟结果具有很好的一致性。通过进一步的分岔分析和相平面分析发现,由于激振冲击系统具有典型的接触非线性结构,其动态响应也呈现出复杂的非线性特征,钻头在与岩石发生激振碰撞后,主要保持单周期的振动状态,但随着控制参数的变化,钻头与岩石之间在一个激励周期内的碰撞次数会不断改变;此外,钻头的振动状态还会经由倍周期分岔转变为双周期振动,但最终又会经由逆倍周期分岔或者折叠分岔重新回到单周期振动状态。由于钻头的振动状态直接决定了其轴向冲击力的大小,因而会影响其破岩效率;因此,为了获得破岩效率最高的一周期一次碰撞的钻头振动状态,应该采用较高的激振频率和振幅,但应该避免较高的静态压力,因为它将触发钻头的颤振,反而降低其破岩效率。     

可調节钻头伸出长度的钻夹头

钻削时,钻头的伸出长度对钻头的寿命有很大影响。通过切削试验证明:当转速为1750r/min、钻孔直径为0.5时,钻头伸出2时的寿命为伸出1吋的10％。图1所示说明了钻头伸出长度与钻头寿命的关系。这是因为钻头磨损到一定程度时引起振动,这个振动频率与钻头的刚度有关,而钻头采用最小的伸出长度就可以增加系统的刚性,从而提高钻头寿命。     

双滚刀岩石综合试验台分析与破岩试验研究

双滚刀岩石试验台可以进行刀间距、贯入度等参数对滚刀破岩效率影响的试验,为掘进机刀盘滚刀的布置提供设计依据。设计了可调整刀间距的高速双滚刀岩石综合试验台并进行了受力和模态的有限元分析,并利用试验台对普通花岗岩进行了滚压试验。结果表明:经有限元分析试验台的应力小于制造材料的许用应力,分析了试验台振型及振动频率和振幅;岩石滚压试验表明试验台在强度和振动方面满足使用要求;通过普通花岗岩的破岩试验测得破岩力及支撑框架振动幅值,所设计的试验台滚压花岗岩具有良好的使用效果,满足工程研究及使用。