基于气力输送技术与摩尔-库仑理论非开挖钻孔泥屑钻头设计

通过对气力输送技术和摩尔-库仑理论的研究,借鉴目前国内外先进的钻尖结构,设计了一种适用于市政道路非开挖干法输送泥屑的非对称断屑槽变螺距螺旋面的新型钻头。通过实验,验证了采用非对称断屑槽变螺距螺旋面钻头对一般土层进行切削,可以得到气力输送所期望的碎泥屑,为干法气力输送泥屑奠定了技术基础。     

基于粉体力学理论的非开挖钻孔干法气力输送泥屑的研究

通过对栓流作用机理和粉体力学理论进行研究,设计了一种适用于市政道路非开挖钻孔干法气力输送泥屑的新系统方案。通过实验研究,证明了振动栓流干法气力输送泥屑不仅可行,而且可以明显提高泥屑的气力输送能力。该研究为解决目前国内外水力输送泥屑存在的泥水难以分离的问题提供了一种新的方法。     

流道形状对PDC钻头携岩和冷却效率影响研究

在实际钻井过程中,PDC钻头的流道形状对钻头是否泥包有着重要影响。为了深入了解流道形状对PDC钻头携岩和冷却效率的影响规律,文中通过改变排屑槽轮廓平分线与切削轮廓平分线的夹角α值大小来调整PDC钻头模型的流道形状,并对各钻头模型进行破岩仿真获取各个切削齿的切削量、岩屑初始运动速度和方向;将具有一定质量流量、初始运动速度和方向的岩屑假设为从齿面生成进入流场的球状颗粒,采用拉格朗日粒子追踪法对岩屑颗粒运动进行追踪;把滞留岩屑量、流道排出岩屑匹配值均方差σ和切削齿散热量相对值作为钻头携岩和冷却效率的量化评价指标。数值结果表明:流道形状直接影响钻头的携岩和冷却效率,α值越大σ越小,井底的滞留岩屑量越小,钻头冷却效率越高。受PDC钻头结构设计限制,流道的形状设计存在一个最优值,且其最优夹角α值应在0°左右,正角最佳。     

硬地层单牙轮-PDC钻扩联合钻头破岩特性

提出了新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头,先依靠单牙轮破岩钻孔,释放地应力,产生岩石损伤,再助推PDC钻头刮切破岩。运用有限元法,建立钻扩联合钻头、双级PDC和常规PDC钻头破岩的非线性动力学模型。通过对岩石本构关系进行D-P准则描述以及确定岩石破碎的判据,分析钻扩联合钻头钻进硬地层的破岩机理,开展了3种钻头动态破岩过程的对比研究。结果表明：钻扩联合钻头在钻进过程中井底井壁的岩石应力得到明显释放,大大提高了岩层可钻性;在硬地层中钻扩联合钻头钻进速度提高的主要原因是拉应力破岩;钻扩联合钻头在硬地层钻进过程中的扭转振动大大降低,破岩效率更高,钻头寿命更长;由于单牙轮领眼破碎岩石的作用,钻扩联合钻头对井底岩石的冲击破碎能力更强,在硬地层中钻进更快。研究结果为新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头的研发提供了参考。     

硬地层复合钻头破岩特性与提速机理研究

PDC-牙轮复合钻头是一种综合了PDC钻头与牙轮钻头结构特点和工作原理的新型钻头,能更高效地钻进硬地层。但由于对其破岩机理认识不足,使得PDC-牙轮复合钻头的研发具有盲目性,推广受限。基于弹塑性力学和岩石破碎学,采用Drucker-Prager准则描述岩石本构关系,塑形应变作为破岩判据,通过有限元法建立全尺寸复合钻头和PDC钻头动态破岩的非线性动力学模型,分析了复合钻头作用下硬地层岩石的破坏机制,对比了硬地层中两种钻头的动态破岩过程。结果表明:复合钻头钻井能满足井壁稳定性的要求,然而一旦井壁失稳,井壁岩石将大块脱落;以拉应力破岩为主是复合钻头在硬地层中大幅提高机械钻速的原因之一;硬地层中复合钻头扭转振动低于PDC钻头,破岩效率更高;由于牙轮滚动的多边形效应,复合钻头沿钻进方向对岩石的冲击较PDC钻头更大,能更快钻进硬地层。     

PDC钻头切削破岩机理及数值模拟研究

由于PDC钻头几何外形、岩石材料以及井底钻井工况的复杂性,PDC钻头切削破岩机理的研究一直都是难点问题。基于单齿切削机理,引入岩石比功ε,推导出钻井钻压W、扭矩t和切削厚度d之间的关系,建立切削比功E与钻井强度S的二维图;同时结合接触摩擦分量,分析并阐述了破岩过程的概念模型;通过有限元方法建立全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维仿真模型,开展PDC钻头切削破岩机理的研究,进一步分析PDC钻头破岩过程的响应规律。结果表明:岩石损伤与应力云图可直观反映钻井过程岩石损伤剥落形成井眼及井底应力分布状况;PDC钻头钻进方向的位移、加速度和扭矩响应规律与理论分析相一致,并揭示了PDC钻头钻进过程中的"进尺台阶"现象,亦佐证了破岩过程的概念模型。     

一种新型伸缩式复合钻头伸缩机构的设计制作

设计了一种新型伸缩式复合钻头的伸缩机构形式,通过改变钻井液压力的大小,控制伸缩机构上下运动,从而实现伸缩柱下端牙轮钻头的伸出和收缩;针对不同的地层该复合钻头上的牙轮钻头和PDC刀翼可以实现单独或混合破岩,该设计为当下高效破岩工具的研究提出了新的方向。     

异形PDC齿切削破岩提速机理研究

在室内切削实验基础上基于有限元二次开发建立了异形齿切削及全钻头破碎非均质花岗岩的三维数值仿真模型,研究了12种形状聚晶金刚石复合片(PDC)齿切削非均质岩石过程中的切向力、法向力、岩屑、破岩比功,并研究了齿形对全尺寸钻头破岩效率的影响。研究结果表明：锥形齿的切向力最小,破岩比功最高,对应的锥形齿钻头的进尺也最小;三平面齿的法向力和切向力均为最大;破岩比功最低的齿为双曲面齿;进尺最大的全钻头齿形为更易吃入岩石的鞍形齿、双曲面齿以及斧形齿。     

深孔加工钻头排屑研究及CAD设计

深入分析了深孔加工用的钻头对排屑的需求,通过受力分析,给出了钻屑的产生过程以及钻屑对钻头工作的影响.根据钻头的工作机制,结合非自由切削的基本特征,运用最小能量的原理进行了深孔钻头的设计.并对所设计的钻头进行了排屑向量的计算,得出了排屑向量关系式.最后再对其进行排屑干涉和排屑协调分析,得出了钻头主刃部分的非自由度系数设计步骤.     

新型斜控PDC钻头冠形设计与破岩机理研究

针对新型油气资源开采的复杂条件,为提高新形势下定向井造斜段井眼质量,提出一种新型斜控PDC钻头。首先根据刀翼线型轮廓设计准则,突破现有锥形心部曲线的局限,将传统锥形心部曲线变为圆弧过渡型曲线;综合考虑影响钻头造斜能力的关键因素,结合布齿参数与钻井实际工况,建立切削齿破岩过程的力学分析模型,然后在此基础上分析钻头造斜易控特性。研究结果表明:传统PDC钻头的锥形心部是制约钻头偏转的关键因素,钻头心部曲线变为圆弧轮廓后,其偏转易控特性得到较大提升。同时通过现场试验,将新型斜控PDC钻头与现有钻头的造斜段钻进性能进行对比,分析其定向钻进的破岩特性与造斜能力。研究结论对钻头破岩机理的研究及定向井技术的发展具有重要的参考价值。     

多孔射流钻头破岩钻孔规律试验研究

利用自行研制的射流破岩系统,对淹没和围压条件下多孔射流钻头的破岩钻孔规律进行了试验研究,重点考虑了水力参数(冲蚀时间、射流压力、围压、喷距)和结构参数(孔眼数量和侧向孔眼扩散角)对破岩效果的影响,结果表明:随着冲蚀时间的增加,破岩效果先增加,后趋于平缓;随着射流压力的增大破岩效果随之增大;随着围压的增加破岩效果随之减小;随着喷距的增加破岩效果呈先增大后减小的趋势,存在最优喷距范围;随着孔眼数量的增多,破岩成孔形状越来越圆整;随着侧向孔眼扩散角的增大,破岩效果呈先增大后减小趋势,存在最优扩散角范围。试验结果可为多孔射流钻头水力参数选择和结构参数设计提供依据。     

基于钻头-岩石碰撞的激振冲击系统的非线性动力学研究

为了提升旋转冲击钻井过程中轴向冲击的辅助破岩效果,设计了一套用于测试钻头与岩石之间激振碰撞的试验装置,通过对钻头的激振频率、激振振幅和施加的静态压力3项可控参数的调节,研究了该激振冲击系统的动力学行为演化规律,且试验测试结果与数值模拟结果具有很好的一致性。通过进一步的分岔分析和相平面分析发现,由于激振冲击系统具有典型的接触非线性结构,其动态响应也呈现出复杂的非线性特征,钻头在与岩石发生激振碰撞后,主要保持单周期的振动状态,但随着控制参数的变化,钻头与岩石之间在一个激励周期内的碰撞次数会不断改变;此外,钻头的振动状态还会经由倍周期分岔转变为双周期振动,但最终又会经由逆倍周期分岔或者折叠分岔重新回到单周期振动状态。由于钻头的振动状态直接决定了其轴向冲击力的大小,因而会影响其破岩效率;因此,为了获得破岩效率最高的一周期一次碰撞的钻头振动状态,应该采用较高的激振频率和振幅,但应该避免较高的静态压力,因为它将触发钻头的颤振,反而降低其破岩效率。     

海底表层天然气水合物藏采掘工具设计研究

由于海洋非成岩水合物藏没有封闭盖层,常规的开采方法不能直接应用,为此周守为院士提出了固态流化开采的新方法。固体流化开采技术的关键在于设计出一种能够全方位破碎并收集水合物的采掘工具。为此,参照现有的海底破岩工具,设计了一种全新的海底天然气水合物采掘钻头,该钻头既可沿竖向破碎水合物,又能沿横向破碎水合物,还能够实现快速聚碴、高效排屑的效果;其次建立了该钻头的有限元仿真模型,并利用Fluent软件对其进行流场分析。研究得出该钻头内部流体在不同工况下的速度分布规律,证明该钻头具有很好的可使用性。     

复合钻头技术及应用

复合钻头是近年来针对深部难钻地层提速开发的一种具有全新破岩理论的钻头。介绍了复合钻头理念诞生、产权竞争及工业化应用等几个阶段的发展历程,深度剖析复合钻头结构特征与几何学、运动学的数学分析模型,并以此为基础讨论复合钻头破岩机理。通过国内外典型应用案例分析,体现复合钻头在复杂难钻地层中的提速能力和经济效益。结果表明:在含砾、软硬交错、研磨性强等复杂地层中,复合钻头钻速同比提高30%以上,部分极难钻地层提速达100%,每米钻进成本节约40%以上。最后分析PDC-牙轮复合钻头下一步工作思路,为后续研究提出建议。     

可转位浅孔钻结构对排屑性能的影响研究而其空间大小的提高,优化了其容屑能力,提高了排屑性能。

排屑性能是评价钻头性能的一个重要指标,而钻头的容屑槽结构对其排屑性能影响很大。本文对可转位浅孔钻的容屑槽进行改进,提出了一种带偏心距的容屑槽。通过运用有限元分析及试验对比,证明其在保证刚度的前提下增大了容屑空间,提高了排屑性能。     

钻机旋冲钻孔过程中破岩效率的研究

针对岩石钻机旋冲钻孔过程中破岩效率低的问题,基于岩石力学理论和有限元理论,建立了球形钻齿与岩石的相互作用受力模型以及旋冲钻孔破岩的有限元模型。采用了非线性有限元分析软件LS-DYNA来模拟不同参数下的旋冲钻孔过程,得到了钻头破岩过程中钻齿吃入深度与时间以及破碎体积、破碎比功随转速和频率的变化曲线;分析了转速与频率对破岩效率的影响规律。研究结果表明:转速对钻齿吃入深度影响不大,岩石破碎主要发生在冲击力卸载之后,当转速在30 r/min～35 r/min,频率在20 Hz～30 Hz范围内,破岩效率相对较高,能够充分提高能量利用率;该结果可以为钻头的合理设计以及岩石钻具的钻孔工艺参数选择提供依据。     

带冷却管的新型钻头

<正> 美国芝加哥General Chipbreaker钻头公司新近推出一种转速高、进刀快、寿命长的带冷却管的新型钻头。该钻头不但具有通用断屑槽钻头的特点,又兼有特殊的、带冷却管钻头的设计方法。这种钻头使用效果很好,比常规钻头加工的孔数多,加工精度稳定,加工费用低。该钻头沿整个沟槽有两条油管,冷却液能充分流向通常磨损最厉害的切削刃上,并将沟槽上的切屑冲洗干净。油管是嵌在刃带附近,而不在钻头芯部,以保证钻头强度大,安全可靠,使用寿命长。该钻头的断屑台设计独特,钻削时切屑破断成     

加工大深孔钻钻头排屑喇叭口工艺

一、钻头喇叭口工艺分析 图1为钻削钛合金材料用的深孔钻头部示意图。钻头在内排屑深孔钻系统上使用,如图2所示。特点是钻头进给时不旋转,工件旋转,由3片硬质合金刀片组成的切削刀对工件钻削。切屑在外加切削液压力下通过钻头内排屑孔向后排出。钻头容屑空间为半封闭状态,钛合金薄而长的切屑不易折断,容易堆积阻塞在排屑空间内,妨碍切削液流入钻头切削区域,易造成不良后果。因此,钻头的内排屑口要设计成带有大入口角β和螺旋角a的喇叭口型状,如钻头安装图3所示,此喇叭口型面的加工便成钻头加工典型工艺之一。     

BTA深孔钻断屑研究

通过对BTA深孔钻头排屑通道的研究,提出了理想切屑的形态以及断屑的主要措施。尤其对振动钻削断屑进行了深入的理论分析,通过试验,探讨了切屑形态变化与切削参数之间的关系,总结出断屑的最佳切削条件。     

新型尖齿内折线刃深孔钻的设计与研究

在分析了现有深孔钻头结构与刃形特点的基础上，设计了一种新型尖齿内折线刃深孔钻头，通过钻削证实该钻头具有轻快平稳，钻孔质量优良，钻头经久耐用，排屑顺畅，断屑可靠，冷却良好的特点。