基于PRO/ENGINEER的PDC钻头三维参数化布齿设计

介绍了在PRO/ENGINEER中利用自定义特征功能实现PDC钻头三维参数化布齿设计的方法。详述了利用PDC钻头布齿设计参数表完成布齿结构三维实体模型的过程。理论计算结果表明,利用这种参数化建模方法完成的PDC钻头三维布齿模型是精确、可靠的。该方法为大幅度提高PDC钻头布齿设计的效率,提高PDC钻头新产品开发工作的综合效率提供了一种有效的途径。     

基于PRO／E的PDC钻头三维参数化布齿设计

介绍了在PRO／E中利用自定义特征功能实现PDC钻头三维参数化布齿设计的方法，详述了利用PDC钻头布齿设计参数表完成布齿结构三维实体模型的过程。理论计算结果表明，利用这种参数化建模方法完成的PDC钻头三雏布齿模型是精确、可靠的。该方法为大幅度提高PDC钻头布齿设计的效率、提高PDC钻头新产品开发工作的综合效率提供了一种有效的途径。     

基于ABAQUS的PDC钻头参数化布齿与破岩仿真

近年来PDC钻头在结构与类型上均发生了较大变化,这对布齿设计提出了更高的要求,而合理的布齿设计是保证PDC钻头使用寿命的关键。为此,提出了一种基于ABAQUS的PDC钻头参数化布齿设计与破岩仿真方法。该方法通过编写Python脚本代码对ABAQUS内核程序进行控制,可以自动读取数据库中PDC钻头的几何参数,实现PDC钻头的参数化布齿;快速完成模型网格的自动划分、接触对的自动设置以及载荷与速度等条件的定义等,简化了PDC钻头切削齿与岩石的破岩仿真模型的建立过程,实现仿真结果的输出与保存,方便对布齿模型破岩性能进行分析。通过与常规建模方法建立的布齿模型进行对比分析,证明了采用该方法建立布齿模型的正确性;对仿真结果中的扭矩进行了分析,并与前人试验结果进行对比,证明了仿真模型的正确性。采用该方法可大幅度提高布齿设计和破岩分析效率,缩短PDC钻头的研发时间。     

PDC钻头布齿设计中的三维齿间距计算方法

在PDC钻头的设计过程中,齿之间的间距是布齿设计的一个重要控制参数,直接影响钻头的设计质量。文章对同刀翼相邻切削齿的相对位置情况进行了分类,同时利用空间解析几何方法建立了不同位置情况下的PDC钻头三维齿间距的垂足法。根据该方法编制的计算机程序能可靠、快速地算出PDC钻头三维齿间距。该方法可在钻头布齿设计时准确、高效地分析和控制切削齿之间的位置关系,既适用于常规的圆柱形复合片钻头,也可用于椭圆齿钻头的分析计算,对提高钻头的设计质量和设计效率具有重要意义。     

基于三坐标测量机的PDC钻头逆向工程研究

为实现PDC钻头的逆向工程,结合三坐标测量机测量数据与PDC钻头结构特征,建立了PDC钻头布齿法相角、侧倾角等数值计算模型,重点解决了测量数据的输入、可视化以及模型算法实现等问题,并利用Matlab完成了布齿参数分析软件开发。在完成某型号PDC钻头切削齿空间位置测量后对其布齿参数分析及加工误差计算的结果表明,该系统在PDC钻头布齿参数分析等方面使用便捷且可靠性高,具有一定推广价值。     

PDC钻头自动优化布齿设计软件平台建立

在PDC钻头产品结构中,布齿结构设计至关重要,直接影响PDC钻头的使用性能和寿命。利用PDC钻头切削力学分析程序计算钻头不平衡力和径向力/周向力比值,调整PDC钻头布齿结构,直到钻头力平衡与功力满足要求为止。采用人工探索的方式进行布齿结构设计,存在设计效率低、设计质量不稳定等缺点。利用MDO方法建立PDC钻头自动优化布齿设计平台,实现布齿结构自动优化设计,布齿结构设计时间仅为原来的1/16~1/8,其中人工干预时间仅为原来的1/96~1/48,布齿结构设计质量提高3~5倍,大幅降低了产品开发成本,提高了产品设计可靠性。     

ＰＤＣ钻头布齿设计技术

合理的布齿是保证PDC钻头具有优良工作性能的关键。目前常用的PDC钻头布齿设计方法是图解调整法，该方法速度慢，设计工作烦琐，工作量大，效率低，欠灵活，而且有时会出现不必要的误差。讨论了PDC钻头布齿设计的特点，按切削原则设计了钻头冠部形状，并选择了合理的切削结构，为PDC钻头布齿计算机辅助设计软件提供了理论支撑。     

基于MATLAB的PDC钻头布齿软件设计

PDC钻头结构形式变化多样,设计灵活性大,对地层变化的敏感性强,合理的布齿设计是保证PDC钻头工作性能的关键,目前采用的图解调整法设计PDC钻头存在着效率低、欠灵活、有误差等缺点。本文在研究PDC钻头布齿设计理论和方法的基础上,开发了PDC钻头布齿设计软件。该软件用MATLAB语言编写,具备强大的数据处理和图形绘制功能,具有布齿设计速度快、精度高、可操作性强、使用方便等优点。     

PDC钻头布齿计算方法的研究现状及发展

PDC钻头布齿计算是为了确定钻头上各个切削齿在空间中的坐标位置。针对同一优化目标不同的计算方法得出的切削齿位置差别很大,设计出的PDC钻头性能也会截然不同。以近年来国内外PDC钻头布齿设计研究的文献为基础,论述了PDC钻头3原则布齿和力平衡布齿的最新进展,提出了研究中存在的问题。经分析知,PDC钻头布齿设计的计算方法大多以经典3原则为基础,且以等体积为布齿原则进行计算的研究较多;力平衡布齿是PDC钻头稳定性设计的核心,但由于对切削载荷模型研究的限制,其结果与实际差距较大。PDC钻头布齿设计计算方法的研究仍处于对计算模型简化的阶段,随着PDC钻头个性化设计的提出,针对不同钻头性能与要求,综合考虑整个钻井因素进行布齿是今后PDC钻头设计研究的重点。     

PDC钻头布齿方法研究

PDC钻头布齿是影响PDC钻头性能的关键, 而布齿的关键是确定各切削齿的结构角和空间位置参数, 具体的参数跟钻头的冠部轮廓曲线密不可分。依据布齿的原则, 从沿冠部轮廓曲线均匀布齿和非均匀布齿两个角度进行了讨论, 并给出相应具体的布齿方案, 具有较强的可操作性, 为PDC钻头的布齿设计提供了一定的指导和借鉴。最后对计算机辅助布齿设计进行了介绍和展望。     

压裂水平缝油井产能数值模拟研究

为了预测低渗透油藏中的压裂水平缝油井产能,建立了一套完善的二维单相油藏线性渗流数学模型,同时采用有限差分法对数学模型求解,把数学偏微分方程离散化,然后对该方程求解,实现对压裂油井生产动态模拟,并编制相应的模拟程序,分析了低渗透油藏水力裂缝参数对油井产能的影响。结果表明,当裂缝半长一定时,裂缝的渗透率对油井的累计产能影响较大,在产油天数一定的情况下,裂缝长度的大小对累计产液量的影响不是很大,此结果对压裂增产方案优化设计及选择具有一定的指导作用。     

PDC钻头布齿软件设计

鉴于采用图解调整法设计PDC钻头存在效率低、工作量大、设计过程繁琐且有误差等不足 ,应用现代计算机技术对PDC钻头布齿设计进行了研究。在国内外对冠部形状、切削齿径向布置和周向布置设计已有研究成果基础上 ,创立了以实验结果确定齿前角和侧转角的优化设计方法 ,并以VisualC ++和VisualLisp语言编制软件实现PDC钻头的设计计算和绘图。实际应用情况表明 ,该软件布齿设计速度快 ,模块化程度高 ,精确度高 ,可操作性强 ,使用方便快捷 ,具有很好的推广前景。     

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。     

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章在调研长庆油田地层岩性和现场实验的基础上，对长庆区块钻井用φ22．2mmPDC钻头进行布齿设计，其中包括钻头冠部结构、出刃高度、布齿密度、径向和周向切削齿布置等，并采用Matlab等数学软件对径向布齿数据进行分析和切削齿有效齿宽切削面积图形显现。φ222.2mmPDC钻头在长庆油田进行实验，达到预期的钻井技术指标。与邻井牙轮钻头相比较，φ222．2mmFMPDC钻头的钻井优势和经济效益显。     

新型PDC钻头在南堡油田的应用

针对冀东南堡油田的地层特点,对PDC钻头的冠部、布齿密度和方法、水力结构、稳定性等进行设计,研制出新型PDC钻头——PK5363S-311钻头。在冀东南堡油田将该钻头的钻探效果与同尺寸同井段所有钻头的钻探效果做比较分析。结果表明,PK5363S-311钻头的总进尺最高,是其它同井段钻头进尺的1.58倍;且该钻头的机械钻速较高,寿命达到设计要求,具有较高的推广应用价值。     

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。     

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。