基于LS-DYNA的PDC钻头受力模型分析与研究

金刚石复合贴片钻头(PDC)切削齿角度对工作效率和性能有着重要影响,利用钻头切削齿对岩石进行切削实验,分析了切削面积、接触弧长、抗钻强度和后倾角等因素对钻头受力的影响并建立了切削齿的综合受力模型。根据工件材料的测试数据,通过LS-DYNA仿真软件对PDC钻头单颗粒切削岩石过程进行了模拟仿真,采用自适应网格划分分离切削,实验结果与计算结果之间误差均在5%内。此研究为PDC钻头优化设计和应用推广提供了理论依据。     

月球钻探取心特种钻头研制与试验

对月壤形成过程和物质组成进行了介绍,并将实际月壤基本物理力学指标与CUG-1型模拟月壤和普通干砂进行对比,认为在月球钻探取样过程中可能遇到具有一定胶结强度的硬质团块。为保证钻探取样顺利进行,需要研制月球钻探用特种取心PDC钻头。基于PDC钻头的碎岩机理,对钻头的负前角、旁通角、出露高度、钻头保径和PDC切削齿的钎焊工艺分别进行了设计,并对钻杆和钻头装配体在钻进过程中的受力过程进行有限元分析。最后,采用所设计的特种取心PDC钻头进行岩石干钻试验,试验结果表明,该钻头能钻进可钻性级别小于或等于6级的岩石,能满足月球钻探需要。     

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。     

基于有限元的PDC钻头单齿工作参数仿真研究

采用显式动力学中的接触、侵蚀有限元分析方法,对PDC钻头的单齿工作参数变化进行了仿真。当绕钻头中心轴线旋转的单粒PDC切削齿在切削深度为2mm时,研究了具有不同前倾角、侧倾角破岩时切削齿的受力分布及岩石破碎情况。仿真结果较真实地表明了单粒PDC切削齿应力分布、接触压力分布随钻头破岩过程的动态变化情况,为PDC钻头的设计提供了有效的依据。     

取心PDC钻头主要几何参数对其强度影响的研究

取心PDC钻头由于其价格低、排粉空间大、效率高等优点,广泛应用于软-中硬岩层。其主要几何参数对切削齿强度影响的理论研究,迄今尚未见文献报道。利用ANSYS软件对取心PDC钻头模型在静载荷作用下的应力、位移进行了数值分析研究,获得该型钻头的主要几何参数对其强度影响的变化规律,为取心PDC钻头的设计提供了理论依据。     

PDC钻头切削齿布齿设计的新思路

切削齿布齿设计是PDC钻头设计的关键。为提高PDC钻头的钻进效率,综合考虑PDC钻头切削齿的设计特点和切削先后顺序等因素,并且通过对PDC钻头单切削齿实验结果进行分析,提出了以冠部轮廓法线为基准的切削齿布齿设计方法。     

PDC钻头切削齿切削角度对破岩效果影响规律的研究

利用有限元数值模拟方法,研究石油钻井PDC钻头破岩过程中切削齿与岩石相互作用的规律,分析PDC钻头切削齿切削角度与破岩效果的关系,以优化切削齿的切削角度。通过数值模拟分析,得到了在不同岩性中切削齿切削角度与破岩体积、破碎比功之间的关系。     

PDC钻头等体积布齿设计计算方法探讨

等体积设计是PDC钻头布齿设计的基本原则之一，等体积设计原则下要求PDC钻头旋转一周每一颗切削齿所切削的岩石体积相等。目前发表的文章大多是对布齿设计原则作了详细说明，而在如何实现方面没有进一步探讨。在综合考虑了钻头冠部形状、切削齿的空间布置、切削齿的工作角、切削齿尺寸、切削齿的相互作用等因素的影响后，建立了对切削齿进行等体积布置设计的数学计算模型并选取适当的数值计算方法求解，为PDC钻头的计算机辅助设计和性能模拟分析提供了一种有效的方法，实例计算表明该模型和求解方法具有实用性。     

煤层密闭取心用超前隔水式PDC钻头设计与优化

为提高煤层瓦斯测定精度,一般采用密闭取心的方式进行煤层取样,配套煤层密闭取心用三筒单动取心器,设计了一种密闭取心用超前隔水式PDC钻头。通过对普通底喷式钻头、锥面煤心导进式钻头以及超前隔水式钻头三种结构形式进行对比优化,选用超前隔水式钻头为密闭取心用钻头,该钻头采用超前式小钻头压入煤层,小钻头采用合金切削齿进行干钻,有效隔绝钻井液进入煤心。根据流体力学连续性方程优选水眼数量与尺寸,降低水眼钻井液对煤层冲刷,并采用斜水眼、反向斜面水道等结构进一步防止钻井液进入煤心。根据全覆盖井底的原则进行PDC切削齿排布,优化钻头钻进效率。采用设计的钻头在淮北芦岭煤矿地面采动卸压瓦斯抽采井中进行现场试验,试验证明煤心采取率满足密闭取心施工要求。     

PDC钻头复合冲击破岩机理研究及应用探讨

随着钻井提速,PDC钻头结合扭力冲击器的复合钻井技术应用越来越普遍。为了进一步提高PDC钻头复合钻井技术在现场的应用效果,系统分析了钻头的结构及工作原理,对PDC钻头具有的硬度高、耐磨性好、强度高、自锐性好、稳定性差、抗冲击性差的特性进行了分析。通过对复合冲击破岩机理研究表明,在复合钻井条件下,PDC钻头切削齿与地层岩石呈严重不均匀接触状态,承压面积减小,切削齿对地层岩石的吃入深度增加,加之切削轨迹呈交叉状态,显著提升了钻头破岩效率。通过在钻井现场的应用及与牙轮钻头钻井情况对比,结果表明,PDC钻头复合钻井技术能够显著提高机械钻速、缩短钻井周期,具有较好的经济效益和广阔的应用前景。     

渭北油田岩石性能参数下PDC钻井破岩研究

PDC钻头几何结构复杂性、岩石材料差异性以及钻井工况的系统性,使得钻头切削破碎岩石的机理研究与钻头对地层的匹配适应性一直存在很大困难。基于渭北油田取心所测得岩石力学参数,获得了该区块的H-J-C岩石响应模型参数,通过三维CAD软件和有限元软件建立PDC钻头破岩的三维非线性动态仿真模型,开展PDC钻头在该区块的破岩规律研究,并深入研究钻头破岩过程中的响应规律。结果表明,该区块下钻头垂向加速度为0.1 m/s²,钻头垂向速度稳定在0.006 m/s,破岩功呈周期性变化、总体上升的规律趋势。该计算方法针对性较强,计算灵活便捷,为后期钻头—地层的适配性研究提供了技术手段。     

PDC肋骨钻头单动双管钻探工艺在铝土矿地层的应用

结合铝土矿地层特点,分析探讨铝土矿地层钻探工艺,通过常规绳索取心钻探、普通双管钻探与PDC肋骨钻头单动双管钻探工艺理论探讨及现场试验对比,得出了在铝土矿地层钻进采用常规钻探方法常产生卡钻事故、钻探效率低的原因,同时验证了采用PDC肋骨钻头单动双管钻探能较好地解决粘附孔壁而卡钻的问题并提高了钻探效率。     

基于Pro／E的PDC钻头三维参数化布齿设计

合理的布齿是保证PDC钻头有优良工作性能的关键。在Pro／E中建立了切削齿三维实体模型和PDC钻头三维参数化实体模型，并编写了相应的计算程序．计算各个切削齿前后中心点的精确坐标，并对Pro／E模型进行验证。为PDC钻头布齿设计提供了可靠的依据，为PDC钻头精确布齿走向自动化打下了基础。     

用于砾石夹层钻进的新型PDC钻头的研制与使用

无压浸渍工艺生产的PDC石油钻头钻遇砾石夹层不适应。根据砾石夹层砾石坚硬、软硬互层、非均质、研磨性强的特点，研究了新型PDC钻头，在钻头结构上主要采取外抛内锥带辅助切削齿的结构形式，在复合片上主要采用非平面结合方式，即采用双向多条直槽非平面结合。按此方案设计与生产了3只钻头，分别在3口井试用，直辖钻穿砾石夹层馆陶组地层井段，钻井效率提高26％，突破了砾石夹层钻进不能使用PDC钻头的禁区。     

深孔PDC扩孔钻头研究及计算机辅助设计

介绍了深孔PDC扩孔钻头设计方法,参考了全面钻进PDC钻头设计理论,进行了冠部轮廓设计及等切削布齿理论研究,借助CAD/CAM/CAE一体化三维软件Pro/ENGINEER完成PDC扩孔钻头三维建模,参数化设计提高了PDC布齿的准确性,PDC扩孔钻头可应用到各种扩孔施工,应用前景十分广阔。     

PDC复合层厚度对金刚石钻头性能影响的现场试验分析

在PDC钻头切削齿磨损机理研究基础上，进行了现场试验。结果表明，PDC切削齿复合层厚度对金刚石钻头的寿命及机械钻速有较大影响，因而切削齿复合层厚度的选择在金刚石钻头优化设计中是非常重要的。     

多晶体金刚石凿岩刀具的试验研究

本文对一种新型的刀具材料——多晶体金刚石所制成的凿岩刀具在切割破碎岩石过程中的磨损与脆裂破坏的试验研究进行了阐述;对影响这种刀具磨损及脆裂破坏的因素:刀具前倾角、刀具力、切割速度及切割深度进行了分析;对其破坏机理进行了讨论;并对如何减小这种破坏的可能性提出了建议。得出了一些新颖的结果。     

煤矿井巷用PDC锚杆钻头的研究

通过对PDC锚杆钻头的一系列室内试验研究及多次改进设计,获得了钻头的优化结构参数、优化切削齿形状、合理的钻头体材质以及热处理工艺。现场试验结果表明,PDC锚杆钻头是钻进中硬岩层的理想钻头。     

仿生高效切削齿试验研究

在仿生高效耐磨理论的指导下,以鼹鼠爪趾为仿生原型,引入了其经长期进化而具有的高效、耐磨的特性。选用CVD多晶金刚石为切削齿的切削单元,采用真空热压烧结工艺制备仿生高效切削齿,并将其与常规PDC齿、仿生PDC齿的耐磨性和切削效率进行对比试验,结果显示:仿生高效切削齿的耐磨性较常规PDC齿提高23%;切削效率较常规PDC齿提高1.49倍,较仿生PDC齿提高48%。初步证明了仿生高效切削齿工艺的可行性,为下一步高效切削钻头的研究奠定了坚实的基础。