复合齿形牙轮钻头及其破岩机理研究

针对现有牙轮（钢齿、镶齿）钻头已难以对一些复杂地层进行有效钻进这一现状，根据对牙轮钻头破岩机理的新认识，研制了一种新型复合齿形牙轮钻头。该新型钻头是一种具有新型齿面结构的牙轮钻头，其牙轮上的牙齿由齿形齿和盘式齿复合而构成，并且各牙轮上齿形齿和盘式齿的布置方式可根据硬地层等复杂地层的特性和钻井要求进行调整。两种齿对岩石的破碎作用将会互相影响，使得破碎岩石更加容易。为此，概述了国内外在复合齿形牙轮钻头方面所做的研究工作，并详细分析了这种新型钻头的结构特点和破岩机理，指出要研制出具有良好性能的复合齿形牙轮钻头，主要应从破岩机理、布齿方法与齿面结构、齿面强化工艺、钻头整体性能台架试验及复合齿形牙轮钻头结构设计等方面进行深入研究。     

冲击旋转钻井破岩特点分析

冲击旋转钻井破岩原理是在钻头冲击刃与岩石的接触面上施加静压力的同时，给以脉动冲击负荷对岩石作功，从而提高岩石破碎效率。本文就冲击旋转钻井破岩特点及影响冲击旋转钻井破岩效果的因素进行了分析。     

物探冲旋钻头破岩机理仿真研究

冲旋钻井技术已广泛应用于油气资源勘探领域,但仍存在一些不足,比如钻具损坏严重、能量传递效率低、破岩效率有待进一步提高等。因此,有必要进一步揭示物探冲旋钻井中钻头与岩石的互作用机理,为优化设计冲旋钻头提供理论依据。利用显式动力学分析软件LS-DYNA建立了物探冲旋钻头破碎岩石的有限元模型,并进行了计算机仿真,得到了钻头中心齿、第2排齿、边齿、钻头端面的应力时程图和应力波在钻头中的传播图。仿真结果表明:钻头破岩过程中,各个牙齿的应力变化非常大,第2排齿的应力峰值最大,其次是中心齿,再次是边齿;钻头喷嘴处的应力远大于钻头中心端面和排屑槽的应力;应力波在钻头中传播,危险区域经历了从钻头尾部到钻头喷嘴再到牙齿的过程。      

基于岩石性能试验的冲旋钻井钻齿破岩仿真

利用空气冲旋钻井技术进行钻进时,易出现钻齿脱落、折断以及磨损严重等失效问题。针对该问题,应用岩石力学试验机和SHPB试验装置,开展了花岗岩动态劈裂拉伸、单轴压缩和围压下的压缩性试验,为数值模拟提供了必要的岩石材料模型参数。数值模拟选用H-J-C动态本构模型,结合试验结果确定了材料模型参数,选择花岗岩的拉应变作为失效准则。在此基础上,对钻齿的齿形参数和破岩的钻齿侵入深度、破碎体积进行了数值模拟。研究表明,相同工况下锥形中心齿的破岩效率最高,边齿角度取30°可显著提高岩石的破碎体积。在此基础上,对齿面布齿进行选配研究,发现“中心球形齿+周围锥形齿”的破岩效率最高,“中心球形齿+周围球形齿”组合的破岩效率最低。      

牙轮钻头牙齿破岩效率的模糊综合评判方法

针对目前钻头牙齿破岩效率评价方法存在的不足,在考虑牙齿破岩体积、破岩面积及齿坑深度的基础上也考虑了使用寿命,针对这些参数运用模糊数学综合评判方法对牙齿破岩效率进行了综合评判。采用H-J-C模型作为岩石的本构模型,采用非线性有限元软件LS-DYDN对钻头牙齿破岩过程进行了数值模拟,将模拟结果带入模糊综合评判法方法中对齿形进行了优选。分析结果表明,采用模糊综合评判方法能将牙齿破岩体积、破岩面积、齿坑深度及牙齿最大应力有机结合起来,为牙轮钻头每一齿圈选出破岩效率较高的齿形。     

锥形齿旋冲及扭冲的破岩过程与破岩效率分析

为了解锥形齿在旋转冲击和扭转冲击载荷作用下的破岩过程和破岩效率,采用数值模拟和试验数据验证的方法,研究了2种破岩方式下不同冲击幅值和冲击频率对应的岩石内部应力变化、岩石损伤特征、岩石破碎体积和破碎深度、破岩比功.数值模拟分析结果表明,锥形齿在旋转冲击和扭转冲击破岩过程中均表现为切削齿侵入岩石、岩石损伤贯通裂纹萌生、岩石...     

复合运动条件下牙轮钻头牙齿破岩仿真

牙轮钻头的破岩过程是通过其牙齿直接完成的,清楚牙齿的破岩过程对研究整个牙轮钻头的破岩机理有重要意义.本文基于大型非线性有限元分析软件LS-DYNA,对牙轮钻头牙齿破岩过程进行计算机仿真.通过对同一齿圈不同齿形牙齿破岩效果的比较,为合理选择每个齿圈上牙齿的齿形,提高牙轮钻头的破岩效率提供依据.通过对比不同齿形牙齿在相同条件下的应力,还可以对不同齿形在相同条件下的使用寿命作出评价.     

水力 机械联合破岩的实验研究

在实验室条件下研究了高压射流射入方位与刀齿对应关系的合理匹配,对钻头破岩效果的影响。得出射流从齿后面以35°左右的喷射角冲击岩层时的破岩效果最好;齿越尖,棱角越多的齿形越有利于联合破岩;岩石类型、钻压等对射流与刀齿的合理匹配关系无直接影响等结论。最后,对如何有效地提高现有钻头的破岩效率提出了一些设计思想。     

盘式钻头破岩机理仿真分析

盘式钻头是一种新型齿形三牙轮钻头，其齿面制成与牙轮母线垂直的圆环形连续齿圈，改变了牙齿与岩石的作用特点及其破岩机理。利用牙轮钻头几何模型及计算机仿真技术，建立了盘式钻头与井底岩石互作用仿真模型、盘式钻头齿形几何模型及盘式齿形离散模型等，编制了盘式钻头与岩石互作用仿真分析软件。由仿真计算得到了给定结构参数的盘式钻头与给定岩石互作用后的井底模式。通过单齿圈复合破岩实验，得到了盘式钻头实际钻井时的井底模式，它与采用计算机仿真软件的仿真结果很相近，验证了仿真模型的正确性，为盘式钻头设计提供了新方法。     

复合冲击频率配合特性模拟研究

目前,对于传统的轴向冲击破岩和扭力冲击破岩机理的研究较多,而复合冲击钻井破岩机理的研究正处于起步阶段,且现有的研究成果极少。鉴于此,利用ABAQUS动力学冲击模块计算平台建立了PDC钻头单齿-岩石相互作用的动力冲击数值模型,考虑切削齿在钻压、转速、交变冲击扭矩和交变轴向冲击力等多个载荷的共同作用下,分析了复合冲击破岩方式、轴向冲击和扭向冲击频率配合方式、钻压等几个因素对复合冲击破岩效果的影响。研究结果表明:岩石单元内部拉应力与压应力破坏区域交替分布;冲击条件相同,且在轴向冲击频率为扭向冲击频率的1/2时,岩石破碎效率最高;如果冲击频率太小,而不能及时有效地破碎钻遇岩石,即发生黏滑振动;如果冲击频率太大,载荷作用时间太短,则破岩过程中冲击能量无法及时分配,冲击力微弱,因此,复合冲击频率配合数量关系存在一个冲击频率极值。复合冲击钻井技术破岩机理的研究为新型钻井工具的进一步开发和优化改进奠定了理论基础。     

旋风状井底模型的新型钻头运动特性

针对现有钻头心部破岩效率不高的情况,提出一种旋风状井底模型的新型钻头（旋切钻头）。通过研究旋切钻头的运动行为,分析钻头自转坐标系与公转坐标系,建立切削齿位置方程与速度方程,确定切削齿与岩石的接触段,得到接触段上的速度分布结果。根据算例计算与分析发现旋切钻头破岩过程大圈齿过中心,利用冲击与切削综合作用进行破岩,从井底为接触起点,井壁为接触终点,切削齿破岩行为具有从下往上、从里往外“刨”的效果。研究结论对于提高钻头心部破岩效率,进行切削齿破岩机理研究具有参考意义。     

旋冲钻井技术的破岩及提速机理

深部硬地层钻井效率低、成本高的问题是现阶段深井、超深井钻井过程中长期面临的难点问题。旋冲钻井技术由于其具有提高硬地层钻进效率、降低定向钻进中黏滑振动以及提高钻压传递效率等优点而得到认可，但旋冲钻井技术的破岩提速机理尚不够明晰，且与冲击器配合的钻头使用寿命尚达不到工业要求。基于岩石力学、岩石破碎学、损伤力学等理论结合有限元方法建立了单齿旋冲破岩的三维有限元模型，分析了单齿旋冲作用下岩石的裂纹扩展、岩屑形成、损伤演化以及破岩比功等问题。研究发现，硬地层岩石在旋冲作用下更易发生脆性破碎，旋冲钻井技术能够改善钻齿的受力状态，更好地保护切削齿，提高钻进效率；冲击幅值对破岩比功的影响程度不大，这与扭冲钻井技术不同；冲击频率对于破岩比功的影响较大；旋冲钻进技术不适用于软地层。     

高压水射流PDC钻头结构参数数值模拟研究

以中硬细砂岩为岩石材料,应用动态有限元法对高压水射流PDC钻头参数做了数值模拟研究。得出如下结论:(1)高压射流入射角对不同岩层存在最优值,对于中硬地层细砂岩最优入射角为40°;(2)PDC钻头钻进中钻齿所受扭矩随作用半径增大成指数规律增长,在硬地层钻进钻齿前倾角为-15°时破岩效果最佳;(3)采用直径1.8mm的高压小喷嘴射流能显著改善PDC钻头钻齿受力,避免钻齿冲击破坏,延长钻头寿命;(4)高压水射流与机械齿联合破岩时,喷嘴与钻齿相对位置对破岩效果有显著影响,喷嘴处于钻头外锥时,可均化钻齿受力,提高破岩效率。     

PDC切削齿破岩受力的数值模拟研究

对PDC切削齿破岩过程中与岩石之间的相互作用，给出了摩擦接触有限元的分析方法，采用粘-滑摩擦模型模拟接触状态，并用罚函数与拉格朗日组合法进行求解。研究了PDC切削齿的负前角、切削深度等对PDC切削齿和岩石受力的影响作用规律。数值计算的结果较真实地反映了PDC切削齿破岩过程中所受接触压力、有效应力和摩阻应力的分布变化情况，据此给出了实际可用的建议。研究结果为PDC破岩工具的设计和应用提供了依据。     

气动潜孔锤钎头破岩分析及工艺参数优选

为提高硬质地层气动潜孔锤的破岩效率和进尺能力,基于非线性接触动力学理论,运用ABAQUS软件建立了活塞-气动潜孔锤钎头-岩石(花岗岩)仿真模型,采用无反射边界条件,分析了冲击速度和回转速度对钎头冲击反力、侵入深度和破岩比功的影响,进而对工艺参数进行优选。分析结果表明:冲击反力峰值与冲击速度近似呈线性增加,回转速度对钎头冲击反力和钻头侵入岩石深度影响较小;钎头在冲击破岩过程中存在多次反弹,活塞第二次撞击钎头后,钎头侵入岩石深度达到最大;相同条件下,冲击回转钻进破岩速度比仅在钻压作用下回转剪切钻进速度提高3～5倍;破岩比功受冲击速度和回转速度影响较大,随着冲击速度的增加,破岩比功存在一个最优值,当钻压为25 kN时,最优工艺参数组合为冲击速度8 m/s,回转速度20 r/min。研究结果可为现场工程施工提供参考。     

旋转冲击破岩实验装置的设计与应用

旋转冲击钻井技术是深井、超深井钻井常用的提速措施之一。实践表明,钻压、钻头转速、冲击力与冲击频率是影响旋冲钻井破岩效率的关键参数,优选旋冲钻井参数有助于提高冲击器的破岩提速效果。设计了一种新型旋转冲击破岩实验装置,利用齿形振套的碰撞产生冲击载荷,用地质钻机带动钻头破岩。测量实验表明该装置冲击载荷受弹簧压缩量影响,冲击频率为冲击振套齿数与钻机转速的乘积,冲击过程稳定高效,冲击参数与现场多种旋冲钻井工况有较好的对应。旋冲破岩实验表明旋冲钻井技术可以显著提高钻头破岩速率;提高冲击载荷幅值,能够提高钻头破岩速率。旋冲钻井技术存在最适宜钻压,使用不同类型冲击器钻进不同地层时需要对钻压进行优选。利用该实验装置研究旋冲钻井参数对破岩速率的影响规律,有助于旋冲工具性能参数的设计和优选。     

PDC钻头单齿重叠切削特性试验研究

为了更加深入的研究PDC齿切削已受损岩石的破岩规律,利用室内PDC单齿破岩试验的方法,对常规PDC齿和锥形PDC齿进行单齿重叠切削岩石对比试验,研究2种齿形重叠切削岩石后的力响应与破岩比功变化规律。研究结果表明:随着重叠切削进行,常规PDC齿与锥形PDC齿受力均增加,平均增加79.75%与36.5%。常规PDC齿的破岩比功总体呈下降趋势,平均下降20.5%,下降幅度随切削深度增加而减小。锥形PDC齿的破岩比功在重叠切削中总体呈上升趋势,平均上升19.9%,上升幅度随切削深度增加而增大。试验结果可为PDC钻头的布齿结构设计提供指导。