基于CFD-DEM耦合的水平井PDC钻头水力结构研究

钻采深层页岩气的水平井段多为泥岩、页岩等黏性地层,为提高钻井效率和减少钻头泥包的发生,必须保证井底岩屑被快速运移,这对PDC （polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片）钻头的水力结构提出了要求。为此,基于CFD-DEM （computational fluid dynamics-discrete element method,计算流体动力学-离散单元法）耦合方法,对水平井PDC钻头井底流场进行数值模拟分析,并以岩屑滞留量和岩屑运移比作为评价指标,对直径为152.4 mm的五刀翼PDC钻头的流道形状、喷嘴数量、喷嘴排布方式及喷嘴直径等水力结构参数进行分析。最后,对水力结构改进后的PDC钻头进行现场应用。数值模拟结果表明：流道形状为抛物线型的PDC钻头具有更好的携岩性能;在总喷射面积相同的情况下,PDC钻头应采用较少数量的喷嘴;喷嘴等径排布的PDC钻头的携岩性能优于非等径排布的;在一定范围内,适量减小PDC钻头喷嘴直径有利于岩屑运移。现场应用结果表明,在同区块、同地层的多个水平井段钻进时,水力结构改进后PDC钻头的钻井效率更高。研究结果可为PDC钻头结构优化提供参考。     

PDC钻头参数化设计平台研究

随着聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)钻头个性化设计的提出与发展,传统人工探索式PDC钻头设计方法效率低、周期长、设计质量不稳定、优化调整过程复杂,难以满足PDC钻头多种类小批量的发展需求。针对人工探索式设计方法的不足与PDC钻头个性化设计高效率、高质量、易修改的市场需求,研发了基于Siemens NX(或称UG)三维设计软件的PDC钻头参数化设计平台,其功能主要包括需求分析、设计建模、性能分析、结果输出。平台设计有完整的参数化系统结构和以人机交互为核心的操作界面;分析和对比多种切削齿建模方法,采用完全参数驱动的自动布齿方案;结合传统建模方法和计算机辅助设计特性,实现了钻头体模块化设计建模。实例表明,该平台可以提高设计效率,缩短研发周期,降低劳动强度,保障设计质量,满足设计需求,对推进个性化钻头的研究和提升国内PDC钻头设计水平有积极意义。     

强研磨性地层中PDC钻头井底热-流-固三场耦合研究

PDC（polycrystalline diamond compact， 聚晶金刚石复合片）钻头在强研磨性地层中破岩时，其钻齿在刮切破碎岩石的同时与岩屑、岩石剧烈摩擦，产生的局部高温加快了钻齿的磨损失效，这会极大地缩短整个钻头的使用寿命。因此，探究温度对PDC钻头磨损的影响并改进其水力结构对提升单个钻头的进尺深度和降低钻井经济成本有显著意义。为此，通过钻齿切削实验来验证其温度与磨损之间的关系，并在考虑井底钻井液流动状态及其与钻齿之间对流换热的基础上，建立了PDC钻头井底热?流?固三场耦合模型，分析了井底钻井液与PDC钻头之间的相互作用，同时针对原有的PDC钻头水力结构提出了优化措施。结果表明：1）在钻齿切削过程中温升现象十分明显，说明温度是影响PDC钻头磨损的重要因素；2）PDC钻头井底流场呈热?流?固耦合状态，且钻井液流动状态对其钻齿换热的影响大，这为钻头水力结构的优化提供了方向；3）通过调整喷嘴的流量及角度等水力结构，降低了钻齿的平均温度，可有效改善PDC钻头的磨损情况。研究结果对强研磨性地层中钻头的优化设计有重要指导意义。     

分散扶正与保径的新型PDC钻头设计与现场试验

PDC钻头因具有较高的破岩效率而被广泛应用,但在硬地层以及软硬交错、含砾等复杂地层中,由于受力变化频繁和工作稳定性降低,PDC齿易发生冲击崩损而导致钻头使用寿命显著降低。针对PDC钻头在上述复杂地层中寿命短的问题,提出分散扶正与保径的PDC钻头新方案,并对PDC钻头进行工作稳定性分析、主切削结构设计与优化、分散扶正与保径结构设计以及钻头流场分析等。针对大段砂砾岩层的恶劣条件,开发研制的以分散保径结构为主要特征的新型PDC钻头在现场试验中取得了成功,单只钻头总进尺达1 339.16m,其中包括605 m砂砾岩层,节约6次起下钻,钻头钻速高、寿命长,且井眼质量好。研究结果表明:分散扶正与保径技术能显著提升钻头的工作稳定性,使PDC钻头对硬地层、不均质地层的适应性得到明显改善,是提高复杂难钻地层PDC钻头工作性能的有效技术手段。     

分离式冲击-刮切复合钻头破岩机理及钻进破岩研究EI北大核心CSCD

随着油气勘探开发的不断深入,传统PDC钻头在深部地层钻进过程中的黏滑、回弹震荡等问题愈加突显,为此提出一种新型冲击-刮切复合PDC钻头,并基于该钻头分离式冲击-刮切的工作原理,开展了单元齿冲击、单元齿切削以及冲击-刮切复合破岩的试验与数值模拟。结果表明,冲击齿冲击岩石产生冲击坑,使冲击坑7 mm范围内岩石强度显著降低,同时可降低切削齿所需切削力,形成了较大切削岩屑,并影响冲击坑附近应力分布。同时基于正交试验,对冲击参数和切削参数的敏感性进行分析,探究各因素对冲击-刮切复合破岩的影响规律,结果表明影响较大的因素分别是冲击位置、切削速度、冲击齿类型以及切削深度。采用全尺寸钻头对比分析常规PDC钻头和复合钻头破岩井底形貌,发现复合钻头井底破碎体积更大。研究内容对研制和应用新型冲击-刮切复合PDC钻头具有重要参考价值。     

螺杆钻具加PDC钻头钻井技术

螺杆钻具与PDC钻头组合钻井工艺技术的应用进一步提高了PDC钻头在井底的旋转速度,解决了许多钻井工程上的问题。本文分析了PDC钻头特性,分析了螺杆钻具加PDC钻头钻井技术的应用,对节约钻井成本,提高机械钻速具有重要意义。     

卫生型离心泵水力性能的参数化研究

为给卫生型离心泵过流部件结构的优化设计提供依据,采用CFD分析软件Fluent对卫生型离心泵内部流场流动进行了数值模拟和水力性能的参数化分析.给出了建模和流场分析方法,分析了泵内流体速度和压力的分布特性,基于流动模拟结果预测了水力性能.性能预测结果与试验结果吻合较好.关键结构参数对水力性能影响的计算结果表明,叶轮轴向间隙、叶片宽度、叶轮与蜗壳直径比等参数均存在最优值.研究结果对卫生型离心泵的结构改进和性能提高具有参考价值.     

PDC钻头布齿技术研究综述

PDC (polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头是当今油气钻井领域的主要破岩工具,具有耐磨性高、机械钻速高和破岩效率高等优点。PDC切削齿作为切削单元,决定了PDC钻头的破岩性能。PDC钻头布齿的目的是确定每颗PDC切削齿在钻头上的空间位置,使得钻头在钻井破岩时具有优良的性能和可靠的寿命。基于不同布齿技术设计的PDC钻头在钻井过程中表现出不同的破岩性能。因此,PDC钻头布齿技术得到了国内外学者的广泛关注。现已有大量学者针对PDC钻头自诞生以来的布齿技术做了相应研究,但目前仍缺乏系统性的总结。为此,以近年来国内外关于PDC钻头布齿技术的文献为基础,总结了PDC钻头自诞生以来的布齿技术的发展历程,主要包括早期布齿阶段、经典布齿阶段和现代布齿阶段。通过对PDC钻头布齿技术发展历程的分析与总结,指出复合PDC钻头、兼容智能化PDC钻头、长寿命PDC钻头、力平衡PDC钻头、冲击与振动下PDC钻头以及特殊地层下PDC钻头的布齿技术是未来的发展趋势。研究结果可为后续的PDC钻头布齿技术研究提供一定的参考,有望推动PDC钻头布齿技术的进一步发展。     

基于EDEM-Fluent耦合的激光机械钻头井底流场与排屑性能研究

激光机械钻头是一种新型破岩装备，适用于超深层油气资源的开发。在钻进过程中，先利用激光对岩石进行辐射，使得机械钻头能够快速破岩，但同时会产生大量岩屑。若激光机械钻头的排屑性能不佳，则会导致二次钻井以及钻头磨损加剧，而钻头起下钻频繁会严重影响钻井效率。为此，以提高激光机械钻头排屑性能为目标，建立了激光机械钻头三维模型，利用EDEM-Fluent耦合方法对其排屑过程进行了数值模拟；同时，通过对激光机械钻头井底流场的分析，提出了排屑性能指标，并采用正交试验法对其流道倾角、流道直径以及激光通道宽度进行了优化，从而改进了其井底流场和排屑性能。结果表明：优化后激光机械钻头的流道倾角为17°，流道直径为10 mm，激光通道宽度为5 mm；井底低速区面积占比为11.07%，下降了26.19个百分点；井底径向漫流速度为27.93 m/s，提高了61.54%；环空岩屑运移速度为8.97 m/s，提高了46.57%；平均岩屑滞留量减少了46.38%，平均岩屑堆积量减少了59.43%。综上，优化后激光机械钻头的排屑性能得到了有效提升。研究结果可为激光机械钻头水力结构的设计提供数据参考。     

泥页岩地层PDC钻头泥包成因及影响因素分析

由于各种因素的影响,经常发生PDC钻头泥包的现象,导致起钻次数增多,甚至被迫使用牙轮钻头。PDC钻头泥包,严重制约了钻井速度的提高,PDC钻头发生泥包时,切削齿和钻头体上会黏附大量的泥页岩切屑,影响破岩效率,弄清泥包机理是了解泥包影响因素、预防和清除泥包的前提。为此,通过调研,分析近年来国内外PDC钻头泥页岩地层钻进泥包机理、防止和清除泥包等方面的大量文献,从钻井液类型及性能、钻头结构、钻头水力学参数和PDC钻头其他处理等4项技术方面,总结论述了预防和减少PDC钻头泥包的新成果、新方法和新动态。     

新型环嵌式PDC钻头几何特性与三维破岩力学研究

为克服现有一体式金刚石复合片受冲击后聚晶金刚石层大面积剥损脱落、钝化严重的不良现状,而导致复合片切削功能快速丧失的问题,提出一种新型嵌入式聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC).基于均布式的设计理念,结合正六边形中的三角稳定性质,设计出六齿环绕中心齿的环嵌式复合片,并将其镶嵌在新钻头的肩部.同时,结合现场试验,将新型PDC钻头与常规PDC钻头进行对比.研究结果表明:嵌入齿与硬质合金母体通过钎焊焊接,既发挥了聚晶金刚石层的高度耐磨性,又较好地结合了硬质合金母体良好的抗冲击性能;与常规金刚石复合片相比,环嵌式PDC在破岩过程中具有较强的地层"吃入能力",各磨损阶段均有不同的聚晶金刚石层参与破岩,有效避免了一体式复合片的应力集中现象.根据建立的环嵌式PDC三维切削力学分析模型,求解了岩体在剪切力作用下的局部位移和应力.通过嵌入方案的调整,可将磨损规律分析模型应用于其他组合方式的新型金刚石复合片.研究结论对聚晶金刚石复合片的磨损规律、切削性能及新型PDC钻头的研究具有重要的参考价值.     

基于开放性信息平台的能源管理信息系统研制

在介绍现代通信技术、智能测控技术、自动控制技术等领域最新成果的基础上,采用自主研发的基于SWCC协议的开放接入信息平台,运用ZigBee无线传感器网络实现信息的传递,有效解决了不同厂家、不同接口监测设备的信息接入问题.使用嵌入式系统数据存储方法,在提供Web互联网服务的同时,消除了系统数据存储过程的安全隐患.遵循实用性、可扩展性、开放性、标准性、规范性、专业性和经济性的系统设计原则,进行了卷烟企业动力能源信息管理系统的研制.     

液压泵滑靴失效分析与改进优化设计

着重探讨了某液压泵延寿中所遇到的滑靴失效问题,结合实验对此作了较为详细的分析和计算;研究了滑靴静压支承机理,根据Navier-Stocks公式对滑靴靴底的两种设计计算方法所得的流场流态作了分析对比,得到了重要结论.指出了以往设计的不足,采用流体力学等方法对滑靴进行了优化改进设计.实验证明所采用的措施使产品的寿命超过750h,从而使该液压泵的研制获得突破性进展.     

中深孔爆破炮孔布置优化设计研究

中深孔爆破广泛用于金属矿山开采,针对传统炮孔排面布置设计方法绘图工作量大、计算繁重、炮孔总长难以得到最优化的缺点,根据最短路径寻优原理,以孔底距限定选择排面炮孔,将起始炮孔作为起始点,炮孔长度作为权值,把炮孔布置转化为单源最短路径问题,利用Dijkstra算法,在AutoCAD平台上进行二次开发,对中深孔排面布孔设计进行优化研究。实现了中深孔爆破布置设计数字化及其炮孔排面布置方案最优化。结果表明:基于最短路径算法的炮孔布置方案可使炮孔总长缩短约10%,降低了凿岩成本,经济效益显著。     

变温变载影响下PDC钻头的动态磨损趋势预测

传统的PDC （polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）钻头磨损预测方法未考虑切削齿温度、切削受力和磨损的动态变化过程，使得磨损预测结果存在偏差，从而导致钻头磨损后受力恶化、快速失效。为解决这一问题，基于磨料磨损理论、微积分基本理论以及迭代算法，构建了PDC钻头切削齿体积磨损量和线磨损量之间的函数关系以及切削齿隐式线磨损模型，提出了PDC钻头动态磨损趋势预测方法，并对某直径为215.9 mm的六刀翼PDC钻头展开磨损趋势预测。结果表明，当PDC钻头未磨损时，其内锥齿的初始受力较大，切削齿齿体温度普遍偏高；随着PDC钻头的不断磨损，其外锥齿的受力呈快速增大趋势，切削齿齿体温度逐渐降低。在破岩初期，PDC钻头冠顶齿的磨损最为严重，外锥齿的磨损速度最快；一段时间后，外锥齿的磨损最为严重。研究结果可为磨损钻头破岩受力特性分析、基于磨损的PDC钻头布齿设计、地热钻头设计以及钻头寿命预测等提供理论基础与支撑。     

基于CFD技术的立式水力碎浆机内流特性分析

目的 对立式水力碎浆机内部流场特性进行分析，为改善碎浆效果和改进碎浆机的设计生产提供一定的理论依据。方法 利用Ansys Fluent软件对水力碎浆机内部流场进行数值模拟分析，采用控制变量法研究叶片数量、转子离底间隙、扰流板数量对流场特性的影响，流场的评价指标有速度场、压力场、转子功耗等。结果 数值模拟分析结果表明，立式水力碎浆机内部流体流动为典型的轴向流动模式，叶片数量、转子离底间隙及扰流板数量对流场静压和转子功耗影响较大，对流场速度影响相对较小;当转子叶片数量为2、转子离底间隙为10 mm、扰流板数量为3时，碎浆机结构的功耗相较于原始结构的功耗降低了8.5%;内部流体流动速度也大于原始结构，碎浆效率有所提高。结论 获得了水力碎浆机的内流特性，为水力碎浆机升级改进提供了参考，从而助力纸模包装行业的发展。     

基于多源信息的多参数电磁层析成像方法研究

电磁层析成像(EMT)是电学层析成像技术中的研究热点,但现有EMT方法主要通过单一检测信号对电导率或磁导率分布单独成像。提出了一种基于多源信息的多参数EMT方法。仿真实验结果表明,基于磁感应强度和互感信息的EMT可以分别实现电导率和磁导率分布成像。通过计算重建图像的均方根误差和相关系数,发现线圈和磁阻传感器个数从8个增加到12个时,重建图像的质量有所提高。利用阈值分割和RGB模型,实现电导率和磁导率分布的融合成像。利用融合图像的互补特性,可以改善重建图像质量,并实现了气-液-固三相流型分布的可视化,证明了基于多源信息的多参数EMT方法的可行性。