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。      

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。     

基于预破碎的岩石切削试验及分析

针对混合布齿设计只能依靠工程经验的问题,采用试验与数值模拟相结合的方法研究了锥形齿与PDC齿同轨布齿时,不同锥形齿预破碎深度下PDC齿破岩力和破岩效率的变化规律,并比较了组合切削方式下切削岩石与单个PDC齿切削岩石时的破岩功耗,得到以下结论:锥形齿的预破碎可以有效降低后续PDC齿吃入和切削岩石的难度,减轻PDC齿受冲击的程度,从而延长PDC齿乃至整个钻头的使用寿命,提升钻头的整体性能;PDC齿切削锥形齿预破碎后的岩石时破岩效率有所提高,锥形齿的预破碎深度越深,提升效果越明显;锥形齿与PDC齿组合切削岩石比单个PDC齿切削岩石会增加少量的总能耗。研究结果可为混合布齿PDC钻头布齿设计提供参考。     

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。     

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。     

PDC切削齿直径对切削力的影响规律研究

针对不同地层岩性特点,需进行个性化PDC钻头设计,其中PDC切削齿的直径是重要的钻头优化设计参数之一。为了探究不同PDC切削齿直径对破岩切削力的影响,通过室内模拟试验方法进行研究。试验所用岩样为石灰岩。单齿破岩试验选取了?13.44、?15.88、?19.05、?21.95 mm的常规圆柱状PDC切削齿和3个不同的切削深度作为试验变量,使用三轴力传感器记录了切削力数据并收集了岩屑,对比了不同试验条件下单齿破岩过程的机械比能和不同直径切削齿的攻击性;使用水平钻机进行了全尺寸钻头破岩试验,对比了3种不同PDC切削齿直径的钻头在3 mm左右吃入深度下的破岩机械比能。试验结果显示：PDC切削齿的破岩切削力并不随着直径的增大而增大;在相同吃入深度下,?19.05 mm齿的破岩效果最好;随着吃入深度的增加,切削岩石所需要的力变大。全尺寸钻头破岩试验结果表明,?19.05 mm齿的全尺寸钻头机械比能最低。分析认为,在破岩过程中,PDC切削齿直径会改变岩石内部产生的应力区域,影响PDC切削齿的破岩效果。选取与岩性匹配的PDC切削齿直径能够取得最优的破岩钻进效果。研究结果可为PDC钻头优化设计提供部分理...     

硬质岩石中PDC切削齿结构完整性研究

硬质岩石对PDC钻头切削齿使用寿命的影响极大,导致钻头更换频繁,效率低、成本高。为了给硬质岩石的高效钻进提供理论与技术支撑,国外的研究人员对圆形齿和V形齿的耐用性进行了评价,并采用有限元模拟分析了切削齿的力学性能; 然后,利用圆形齿和V形齿钻头进行了花岗岩和石英岩的全尺寸钻进试验,最后,对圆形齿和V形齿进行了现场评价。研究结果表明:在大多数情况下,V形齿比圆形齿更耐磨,在载荷相同的情况下,V形齿的机械钻速更大。研究结果可为硬质岩石个性化PDC钻头的研制提供理论与技术支撑。     

北部湾盆地脊形PDC切削齿钻头提速技术

北部湾盆地古近系涠洲组、流沙港地层岩性差异大,常规PDC钻头难以适应,导致整体机械钻速偏低。针对上述问题,用脊形PDC切削齿替换常规PDC切削齿,并对脊形PDC切削齿进行了物理性能分析,证明脊形PDC切削齿钻头攻击性良好、切削效率高;用钻头软件模拟评价钻头载荷和功率、机械钻速及扭矩。模拟评价及现场应用结果表明:脊形PDC切削齿钻头结合了尖圆齿应力集中的特性,破岩过程中切削齿和岩石的受力均发生变化,切削时接触面积小,更容易吃入地层,切削能耗低;脊形PDC切削齿钻头比相同设计的常规PDC钻头提速24. 8%～52. 0%,且出井钻头磨损少。研究结果可为北部湾盆差异性地层钻头优选及设计提供借鉴。     

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。     

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。     

热-结构耦合PDC单齿破岩温升规律研究

PDC单齿破岩过程中所产生的热量导致PDC齿上温度场的变化对其使用寿命有着重要影响。由于目前测量切削温度场的方法都存在着一定的缺陷或不足,导致用试验法研究PDC齿破岩温升变化规律存在很大的局限性。为此,利用ABAQUS热-结构耦合仿真技术,通过改变切削参数,研究了PDC单齿破岩温升变化规律。研究结果发现,在PDC单齿破岩的过程中,PDC齿温度变化与单齿切深以及PDC齿线速度密切相关,且存在让PDC齿温度急剧上升的临界切深和临界切削线速度。这一成果对PDC钻头布齿设计具有重要的指导意义。     

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。     

PDC钻头力学模型的试验研究

利用PDC切削齿在不同性质的岩样上进行切削试验，研究了切削参数(切削面积和接触弧长)、后倾角、岩石可钻性等主要因素对PDC切削齿受力的影响规律，建立了PDC切削齿综合力学模型。并在受力分析的基础上，建立了PDC钻头受力计算模型。实例计算表明，计算结果与实钻参数有较好的一致性。这为PDC钻头优化设计和性能模拟提供了理论依据。     

硬地层PDC钻头切削齿尺寸及后倾角优化设计

PDC钻头是目前石油钻井中使用较为广泛的一种破岩工具,但其在硬地层中的使用效果不佳,钻进效率低,使用寿命短。PDC钻头的切削齿尺寸、后倾角等是影响其钻进性能的重要参数,通过室内微钻头试验,综合考虑硬地层PDC钻头布齿设计中切削齿的重叠和覆盖情况,以相同钻压下微钻头在岩样表面旋转一周的切削深度作为评价其破岩效率的指标,分析了切削齿尺寸、后倾角等对硬地层PDC钻头破岩效率的影响。结果表明:在钻进可钻性超过Ⅵ级的硬地层时,.切削齿尺寸越大,其破岩效率越低;钻进可钻性为Ⅵ—Ⅶ级的硬地层时,13.44 mm.切削齿的破岩效率最高,其最佳后倾角为15°。      

肯吉亚克油田非盐丘井PDC钻头设计及实验研究

为提高肯吉亚克油田非盐丘井钻井速度,根据地层岩石力学参数评价结果,利用有限元方法对影响PDC钻头攻击性和抗冲击性的齿前角、冠部形状等结构参数与破岩效果之间的关系进行了研究,并对PDC钻头的结构进行了优化设计。根据设计结果试制了直径为120.65 mm、齿前角分别为-15°、0°、和5°的3只PDC钻头,并在室内同一岩样上进行实钻模拟实验。结果表明,在其他参数相同的条件下,齿前角为5°时钻头的平均机械钻速比齿前角为-15°时提高42%,说明增加PDC钻头齿前角是提高钻头攻击性的有效方法,这与数值模拟结果是一致的。研究结果为该地区全尺寸钻头的制造提供了理论依据。     

指向式旋转导向系统内外环转速对PDC钻头破岩效率的影响

为了提高指向式旋转导向钻井工具的破岩效率,在钻头运动学研究的基础上,利用Matlab软件建立了数字化PDC钻头模型和数字化岩石模型,结合岩石模型的离散化处理,模拟了旋转导向钻进条件下,PDC钻头与岩石的相互作用过程,并给出了破岩效率的定量计算方法;分析了指向式旋转导向系统内外偏心环转速对PDC钻头破岩效率的影响,得到了不同时间步长下的破岩规律。研究结果表明,抗剪强度为11 MPa、内摩擦角为22°、摩擦系数为0.2的岩石,其最佳破岩转速比在1.0左右,且指向式旋转导向系统在钻进过程中均存在稳态切削,其破岩效率与内外偏心环的转速比密切相关,随着内外偏心环转速比增大,破岩效率也相应增大,但最终趋于稳定。研究结果对提高指向式旋转导向系统的钻井效率具有一定的理论指导作用。      

PDC钻头内镶式二级齿新技术

PDC钻头不适宜钻硬地层,尤其是高强度、高研磨性的砾石层,因为在极其恶劣的工作条件下,PDC齿的冲击破损严重,热磨损及磨料磨损往往同时存在,齿的磨损速度快,钻头的工作寿命急剧缩短.研究了一种新的PDC钻头技术--内镶式二级齿技术,可以使PDC钻头在极限应用条件下的持续破岩能力显著增强.内镶式二级齿是在常规的切削结构基础上增加的后备PDC切削结构,二级齿位于主切削齿的上方,除金刚石表面外,齿的其他部分全部隐藏在胎体内部,为负出露切削齿.主切削齿和二级齿相组合,构成了可连续接替切削岩石的复合切削结构.在主切削齿的切削破岩能力丧失或接近丧失时,二级齿开始工作,显著增加了钻头的工作寿命.新技术应用于渤海LD油田钻底砾岩,提高了钻井时效,降低了钻井成本.