屋脊齿破岩生成岩屑特性研究

为了更加深入研究屋脊齿破岩机理,完善屋脊齿在生成岩屑方面的相关理论,采用试验与数值模拟相结合的方法,从屋脊齿破岩机理的角度,研究岩屑生成过程、切削参数(切削深度、后倾角)对岩屑质量分数的影响和岩屑粒径分布的规律。研究结果表明:屋脊齿破岩生成岩屑可分为屋脊齿楞脊结构接触岩石、楞脊结构吃入岩石内部造成预破碎、屋脊齿2个斜面及齿刃轮廓剪切岩石3个阶段,并且随着屋脊齿对岩石的周期性破坏,岩石内部裂纹扩展到岩石表面形成岩屑; 切削深度与岩屑粒径、大块岩屑质量分数占比呈正相关; 后倾角存在最优解,且最优解与由机械比功和屋脊齿侵入能力共同决定; 粒径分布符合Rosin-Rammler分布函数,且切削参数的变化不影响岩屑粒径分布规律,其相关系数均大于0.95。研究成果是对屋脊齿破岩机理的完善,为今后脊形金刚石钻头的优化设计提供理论参考。     

斧形PDC切削齿破岩机理及试验研究

斧形PDC切削齿比常规PDC齿具有更明显的破岩优势。为了分析斧形PDC齿的破岩机理,利用有限元仿真模拟与试验相结合的方法,通过斧形PDC齿与常规PDC齿破岩过程的对比与受力分析,揭示了斧形PDC齿破岩过程的力学机制。分析结果表明:斧形PDC切削齿破碎岩石时,斧刃会使其前方岩石内部形成一个剪应力集中区,岩石更易发生剪切破坏;切削齿斧刃吃入岩石后,屋脊形的斧形齿逐渐楔入岩石,从侧向上使岩石发生拉伸破坏,提高了其破岩效率;斧形齿破岩时所受轴向力和切向力小,更易吃入岩石,所受切向力及轴向力波动幅度更小,具有攻击性及稳定性强的优点,不易发生冲击损坏,在井下使用寿命更长。研究结果可以为新型PDC切削齿的研发和高效PDC钻头的设计及应用提供指导。     

基于离散元法的砾岩地层三棱齿切削破岩数值模拟

三棱齿因具有强抗冲击性与高耐磨性,可提高PDC钻头在砾岩地层中破岩效率及寿命,但在砾岩地层中的破岩机理及破岩效果不明确,导致砾岩地层中三棱齿PDC钻头设计缺乏理论依据。针对上述问题,基于离散元法建立了三棱齿切削破碎砾岩的数值仿真模型,研究不同砾石与胶结物基质黏结强度差情况下砾岩破岩形式与过程,并分析了三棱齿直径及后倾角对三棱齿切削力及砾岩破碎过程中岩石裂纹拓展的影响。结果表明：在黏结强度差大于70 MPa时,砾石会直接被剥离,而强度差小于40 MPa时,砾石直接被破碎;2种黏结强度差情况下,三棱齿直径为16 mm,后倾角为15°时,切削破碎砾岩效率均能达到最高。该研究对三棱齿PDC钻头设计具有理论意义。     

非平面PDC切削齿破岩有限元仿真及试验

为了指导PDC钻头设计,对三棱形和斧形PDC切削齿、常规平面PDC切削齿的破岩性能进行了研究。利用有限元软件建立了PDC切削齿直线切削岩石和垂直压入岩石的三维有限元模型,模拟了相同布齿角度下、不同形状PDC切削齿垂直压入岩石和不同切削深度直线切削均质岩石及非均质岩石的过程,发现不同形状PDC切削齿的破岩过程存在明显差异。与常规平面PDC切削齿相比,三棱形PDC切削齿更易压入地层形成破碎坑;三棱形和斧形PDC切削齿破碎均质砂岩时所需的切削力较小,岩石产生的预破碎区域更大,破碎非均质岩石时的切向力波动幅度小,更易破碎岩石。根据模拟结果,设计研制了三棱形切削齿PDC钻头,并在钻进混合花岗岩地层时获得较好的效果。研究结果表明,有限元模拟可为PDC钻头设计提供参考。      

川东北沙溪庙组硬质砂岩地层斧形PDC齿设计及破岩性能

斧形PDC齿因其独特的齿形结构而具有优越的破岩性能，但对斧形PDC齿破岩性能与其齿刃角优化设计研究尚不明确。建立了切削齿切削与压入破岩结合的岩石破碎综合比能评价方法，利用破岩仿真模型，开展了斧形PDC齿齿刃角优化研究，并对优化后斧形PDC齿进行了破岩性能仿真。研究结果表明，随齿刃角逐渐增大，斧形PDC齿的岩石破碎综合比能呈“N”型变化趋势，齿刃角为130°的斧形PDC齿在硬质砂岩具有优异的破岩性能，其切削力较常规PDC齿降低了35%，切削破岩比能、压入破岩比能和岩石破碎综合比能分别较常规PDC齿降低20%、5.9%和10.5%。室内破岩试验表明斧形齿较常规齿切削破岩比能降低了35.2%，攻入性更强。该研究为川东北沙溪庙组硬质砂岩的个性化PDC钻头设计提供了理论基础。     

PDC钻头混合布齿参数对破岩的影响研究

为优化混合布齿PDC钻头切削结构,提高破岩效率,采用自主设计的试验装置,开展了常规PDC齿与锥形PDC齿混合异轨布齿间距和布齿高度差对破岩效率影响规律的试验和数值模拟研究。研究结果表明:锥形PDC齿的预破碎使岩石切痕间的"凸脊"产生损伤,越接近根部损伤越严重,且随着锥形PDC齿布齿间距的减小,损伤对"凸脊"的影响也越严重;在"凸脊"损伤严重的区域容易形成裂纹,裂纹的拓展使"凸脊"岩石产生体积破碎,形成破碎坑,从而使整个破岩过程的均值切削载荷变小,效率提高;合理的混合布齿间距和布齿高度差更有助于"凸脊"岩石产生体积破碎,可以有效降低常规PDC齿破碎岩石的机械比功、提高混合布齿PDC钻头的破岩效率。研究结果对混合布齿PDC钻头切削结构和布齿的优化设计具有重要的指导意义。     

非平面三棱形PDC齿破岩机理研究与现场试验

非平面三棱齿的破岩机理不清晰,导致三棱齿PDC钻头达不到预期的破岩效果。为此,采用有限元法对非平面三棱齿进行数值模拟分析,分析破岩过程中的各项切削力的变化规律,研究其破岩机理。数值模拟和刮切试验结果表明,三棱齿与平面PDC齿在破岩过程中的岩石受力状态存在明显的差异,相同条件下三棱齿切削破碎砂岩时的切向力及切向力的波动幅度均小于常规平面齿。三棱齿PDC钻头现场试验表明,其在研磨性高、冲击性强地层中的破岩效率较高,抗冲击性能较好。研究表明,三棱齿主要通过拉剪作用破坏岩石,切向力和扭矩更小,抗冲击性和耐磨性更高,能够提高破岩效率、延长钻头使用寿命。      

斧形PDC齿破岩规律数值模拟研究

斧形PDC齿具有独特的齿形,在破岩实验中表现出更好的破岩性能。但斧形PDC齿破岩规律和工作参数及齿形的优选方法不明确。因此,利用ABAQUS软件建立了斧形PDC齿切削岩石的三维有限元模型,通过有限元数值模拟方法分析后倾角、斧刃角对斧形PDC齿破岩效果的影响。结果表明:后倾角为15 °时,斧形PDC齿破岩效率最高;在后倾角相同的情况下,斧刃角越小,切向裂纹越易于向岩石内部发展,最优斧刃角为110 °。根据模拟结果,优化了斧形PDC齿钻头外形参数,并在现场试验中获得较好的效果。该研究结果可为斧形PDC齿钻头优化设计提供重要依据。     

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...     

单齿高频扭转冲击切削的破岩及提速机理

高频扭转冲击钻井作为一种新兴钻井技术,由于其在硬地层钻进中具有显著的提速效果以及能够较好抑制黏滑振动的发生而得到极大关注。但由于对其破岩机理以及提速机理认识不够清楚,使得高频扭转冲击钻井技术在推广应用时尚未发挥其最佳性能。基于有限元法建立了单齿扭转冲击切削岩石的拟三维数值仿真模型,研究了扭转冲击作用下钻齿切削岩石过程中的裂纹扩展、岩屑形成、损伤演化以及破岩比功等问题。研究结果表明:扭转冲击切削作用下岩石相比常规切削更易发生脆性破碎(体积破碎)形成大块岩屑;扭转冲击切削作用下的破岩比功要明显小于常规切削,且岩石单元从损伤萌生到刚度完全退化的时间同样要小于常规切削作用;在软地层中扭转冲击切削几乎没有提速效果。研究结果可为扭转冲击器及钻头设计、钻井参数优选提供依据。     

基于单齿破岩有限元模拟的黏滑振动机理研究

油气勘探开发中深部复杂地层具有孔隙压力高、温度高、岩石硬度高、塑性强及可钻性差等特点,给钻井作业带来了诸多困难,为此,进行了钻头齿破岩黏滑振动机理研究.通过单齿切削数值模拟及试验,研究在破岩过程中钻头齿与岩石的作用方式、破碎微观过程,以及在不同钻压及岩性条件下钻齿切深、破岩载荷及破碎效率之间的关系.研究结果表明:在不同...     

复合冲击破岩数值模拟研究及现场应用

为了探究复合冲击载荷作用下聚晶金刚石复合片钻头（PDC）的破岩机理，利用ABAQUS有限元软件建立了PDC单切削齿-岩石相互作用的数值模型，模拟研究了常规切削、单轴向冲击、复合冲击下岩石破碎过程，分析了复合冲击破岩机理。结果表明：在复合冲击作用下，轴向载荷分量能够增加切削齿切削深度，同时切向载荷分量的剪切作用使岩石产生大体积破裂。相比于常规钻进，应用复合冲击钻井后机械钻速提高了26.2%。研究成果可为复合冲击钻井技术的现场应用提供理论参考。     

PDC切削齿破碎干热岩数值模拟

开采干热岩地热资源大多都需要在硬度大、研磨性强、可钻性差、温度高的地层中钻井,PDC钻头的合理布齿是提高破岩效率的关键。为了给干热岩钻井用PDC钻头的设计提供参考,基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的强度准则,建立了PDC切削齿动态破岩的三维数值仿真模型,研究了60 MPa围压条件下切削深度、温度、后倾角、切削速度对PDC切削齿破岩效率的影响以及影响机理。研究结果表明:①PDC切削齿以0.5 m/s的速度切削岩石,PDC切削齿(后倾角5°～25°)的破岩比功随切削深度的增加而减小,随温度的增加呈现出先增大后减小的趋势,临界温度为200℃;②PDC切削齿以0.5 m/s切削速度切削岩石,PDC齿(切削深度1～3 mm)的破岩比功随后倾角增加呈现出先减小后增大的趋势,最优破岩后倾角为20°;③岩石温度处于20～300℃的范围内,PDC齿以后倾角5°进行破岩,破岩比功随切削速度的增加而增大,任意切削速度下,破岩比功随切削深度的增加而减小。结论认为:在干热岩钻井中,采用浅内锥、大冠顶、长外锥的钻头外形结构,增加冠顶处布齿密度、降低中心处布齿密度、20°后倾角,可以释放岩石围压、均匀切削齿磨损、增加切削深度、降低破岩比功、提高钻井效率。     

动载作用下页岩动态破碎力学特性及能耗规律

四川盆地页岩气已成为规模效益开发的重要领域和对象，其中四川盆地南部地区(以下简称川南地区)已成为我国页岩气勘探开发的主战场，2022年产量达223.23×10⁸ m³，展示了川南地区页岩气良好的勘探开发潜力。但川南地区页岩气长水平井面临机械钻速慢、钻井周期长等严峻挑战。为了解决页岩气水平井钻井破岩过程中页岩动态破碎特征和能耗规律不清的难题，基于霍普金森压杆测试技术测试了动态破岩的应力波传播过程；采用应力波平衡法，评价了动载荷作用下页岩动力学强度演化特征、破碎能耗响应规律、岩石裂纹动态扩展特性。研究结果表明：(1)页岩破碎过程中，动态强度和能耗直接影响破碎和提速效果，不同加载应变率和加载模式下页岩强度是动态变化的，动态加载会激活页岩内部更多的微裂纹和穿透裂纹；(2)随着加载应变率增加，页岩压缩强度和拉伸强度均是先缓慢增加，超过临界应变率时，强度快速增长；(3)页岩压缩破碎能耗存在临界应变率区间，随着应变率增加，破岩能耗增长缓慢，当超过临界区间，能耗快速增长，页岩拉伸破碎能耗呈对数型增加规律，也存在临界应变率区间；(4)钻头—岩石互作用过程中过高...     

岩屑分形特征对PDC齿破岩性能影响规律研究

随着油气井钻井工程研究的不断深入，岩屑形貌特征已成为评测岩石可钻性级值与钻头破岩效率的关键考量因素之一。为探究岩屑形貌分形特征对钻头破岩效率的影响规律，结合理论建模和室内试验等研究方法，围绕岩屑粒径分形维数、岩屑最大粒径、地层岩性系数等关键岩屑形貌描述参数，建立了基于岩屑粒径分形特征的PDC齿破岩比功评估模型，并针对常规齿和锥形齿等PDC齿开展破碎硬质花岗岩试验研究，验证该模型评估PDC齿破岩性能的预测精度。利用该理论模型和试验规律，进一步揭示常规齿和锥形齿等类型PDC齿不同出刃高度、布齿角度等破岩工艺参数下岩屑形貌生成特征及破岩能耗变化规律。研究结果发现：切削深度对PDC齿破岩性能影响效果远大于切削角度，随着地层埋深的增大，PDC齿吃入深度减小，PDC齿生成岩屑分形维数逐渐增大，最大岩屑粒径显著减小，且锥形齿生成岩屑平均粒径大于常规齿；同等钻压或破岩能量条件下，锥形齿脆性破碎能力强于常规齿，生成岩屑分形维数和最大粒径均大于常规齿。研究结果可为深层硬岩钻进过程中岩屑录井形貌数据和PDC钻头混合布齿工艺提供理论依据。     

层理性页岩-PDC钻头互作用试验研究

进行PDC钻头破碎页岩机理的基础性研究有助于提高页岩气井的机械钻速、缩短钻进时间和降低钻井成本。依据相似原理,建立了一套室内岩石破碎试验装置。参考岩石可钻性标准,进行不同钻进参数下的破碎试验,分析了钻压、钻杆扭矩和破碎岩屑量等钻井参数随页岩节理倾角的变化规律,对合理选择井眼轨迹与页岩层理之间夹角(节理倾角)的方法进行了初步探讨。研究结果表明,当节理倾角α=30°时,钻压值和钻杆扭矩值均较大;当α=0°和90°时,钻压值较小;当α=15°、45°、60°时,钻杆扭矩值较小;最大破碎岩屑量区间主要集中在α=30°~60°之间;合理选择节理倾角有助于提高机械钻速并延长井下工具的使用寿命。钻井参数的变化规律可为钻井前期井眼轨迹设计和现场作业提供参考。     

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。     

岩石切削损伤后PDC齿破岩规律探讨

研究岩石切削损伤后PDC齿的破岩规律可以为PDC钻头的设计以及布齿提供依据。从PDC钻头齿的实际工作特点出发,考虑了受损岩石中残余应力以及裂隙对PDC齿切削破岩的影响,研究了岩石切削损伤后PDC齿的破岩机理。同时基于ABAQUS软件开发了PDC齿切削岩石损伤前、后的有限元仿真程序,通过对比岩石损伤前后的切削比功得知,PDC齿切削破碎单位体积受损岩石所消耗的功比破碎单位体积未受损岩石的功小26.9%。这说明在PDC齿一次切削加卸载作用后,在形成的切削表面附近产生了残余应力及裂纹,使下一次切削的破岩效率提高。     

PDC齿切削砾岩的细观损伤模拟

砾岩一般具有孔隙结构复杂、非均匀性严重等特点,PDC钻头钻进砾岩地层时破岩效率普遍较低,室内试验很难有效地研究PDC齿的破岩过程。为此,采用离散元软件PFC^2D建立了PDC齿切削砾岩的数值模型,研究不同切削深度、前倾角及岩石非均质度情况下,砾岩的破碎形式和过程,引入破岩比功评价了砾岩切削过程中的破岩效率。研究结果表明：一定范围内增加切削深度,砾岩内部剪切裂纹更快萌生且剪切裂纹占比显著增加,主裂纹沿自由面方向和切削方向绕砾扩展;提高砾岩非均质度,岩石逐渐由塑性破坏转变为脆性破坏,非均质度过高会增加砾岩的整体强度,且使作用在PDC齿上的冲击破坏频率增加,不利于破岩;当PDC齿以1 mm切削深度、5°前倾角切削砾岩时,可获得最高的破岩效率。所得结论可为PDC齿设计及切削参数选择提供理论支持。     

气体钻井破岩过程动态仿真模拟

应用弹塑性力学、岩石破碎力学建立了气体钻井破岩过程动态模拟的有限元模型，模型中地层岩石力学特性为各向异性材料模式。以岩石临界塑性应变为依据来判断岩石材料是否被切削或剥落，在动态仿真模拟过程中，将这些剥落的单元去掉，形成钻井井眼和新的井底表面。用所建立的模型，动态模拟、分析了PDC钻头钻井时，在各向异性地层和地层倾角的干扰下PDC钻头破岩过程的瞬时冲击接触压力、井底和井壁的应力分布。为气体钻井的推广应用以及高陡构造地层防斜打快提供了理论基础和依据。