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。     

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。     

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°。      

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。      

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。     

PDC钻头在砾岩层中的磨损规律研究

针对PDC钻头在钻进致密砾岩层中磨损严重的问题,建立了双切削齿PDC钻头简化模型,采用Archard磨损模型并通过有限元软件对PDC钻头切削齿的破岩过程进行模拟,研究了PDC钻头切削齿的后倾角、温度、线速度和钻压对切削齿磨损量的影响规律。研究结果表明:切削齿磨损量在后倾角为15°～20°之间时增长速度平缓,在20°时达到最大值;切削齿磨损量在温度达到300℃后增长速度迅速加快;线速度和钻压与钻头切削齿的磨损量成正比关系。最后采用正交试验法进行敏感度分析,发现对钻头磨损量影响程度由大到小依次为线速度、切削齿后倾角、温度和钻压。该研究对PDC钻头在砾岩层中钻进时合理调节钻井参数以及延长钻头使用寿命具有一定的指导意义。     

PDC钻头切削齿破岩仿真与试验分析

为了利用计算机仿真技术对PDC钻头切削齿的破岩效果进行分析预测,并为PDC钻头优化设计提供数据依据,建立了PDC钻头切削齿破岩仿真模型,研究前倾角和侧倾角的变化对PDC钻头切削齿破岩效果的影响规律。仿真结果与试验结果对比分析证明所建立的PDC钻头切削齿破岩仿真模型可行。分析结果表明,前倾角在15°~20°时,PDC钻头切削齿破岩效果比较好,侧倾角在5°时破岩效果最好,且齿遭破坏的概率相对较低。     

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。     

PDC齿压入破岩过程的岩石裂纹特征试验研究

PDC齿是PDC钻头的重要破岩单元,其破岩过程包含压入和旋转切削,但现有研究忽略了压入过程的岩石损伤。为了研究PDC齿压入岩石的能力和探究岩石损伤机理,为PDC钻头的参数选择提供理论依据,采用室内试验方法研究了不同前倾角PDC齿压入青砂岩、花岗岩的破岩过程,采用岩石无损显微检测技术分析了岩石宏观及细观的裂纹。研究表明,砂岩的破碎方式为细小砂粒和黏结物的脱落,花岗岩的破碎方式为晶体的脆性破碎。岩石受载后会先在岩石内部薄弱地方萌生出单一的微裂纹,微裂纹连贯扩展形成主裂纹,主裂纹持续扩展形成宏观可见的裂纹;主裂纹附近为薄弱区域,其内部包含很多尚未成形的微裂纹;接触区域的齿尖处为应力集中区,主裂纹沿此开裂。岩石损伤过程随着前倾角的变化而变化,20°前倾角PDC齿压入青砂岩的能力最强,25°前倾角PDC齿压入花岗岩的能力最强;压入深度小于4 mm时,5°前倾角PDC齿压入岩石的能力最差。研究结果对于揭示岩石的细观与宏观损伤机理、建立PDC钻头破岩的评价方法和优化PDC钻头的设计参数及工作参数等具有重要作用。     

异形齿切削破碎页岩的试验与数值模拟研究

针对PDC钻头在页岩气钻井中破岩效率低和寿命短的问题,开展异形齿切削破碎页岩机理研究。选用凹面齿、斧形齿、三棱齿等典型异形齿开展切削页岩过程、切削载荷的试验研究,利用数值模拟分析异形齿切削过程中岩石的损伤特性。试验结果表明：切削齿切削页岩过程中,出现了镜面和“卷屑”等硬塑性特征;凹面齿切削载荷和破岩比功小于其他齿型;平面齿和三棱齿随着前倾角的增加,切削载荷呈增大趋势;凹面齿和斧形齿对前倾角的变化不敏感,且凹面齿在前倾角为10°时破岩效果最好;在相同条件下,4种齿型中凹面齿形成的岩屑最大,利于破岩效率的提高。模拟结果表明：切削过程中凹面齿以“铲削”的方式破碎岩石,三棱齿和斧形齿的棱脊对岩石产生明显的挤压效果;三棱齿沿着棱脊将岩屑一分为二向两侧排出,而斧形齿在块体岩屑的中间部分形成了明显的塑性变形。研究结果可为页岩气钻井提速增效提供基础支撑。     

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。     

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。     

PDC钻头切削齿破岩温度场有限元仿真分析

基于有限元法对PDC钻头切削齿破岩过程中温度场做了研究,利用有限元软件模拟分析动态破岩,并采用温度-位移耦合显式侵彻接触算法研究破岩过程中切削齿的温度分布,建立了三维切削齿-岩石仿真模型,分析了单齿破岩过程中温度场的分布规律。分析结果表明,采用三维曲面岩石模型使仿真环境更接近PDC钻头切削齿破岩的实际工况,在切削齿施加转速边界条件的情况下,更能反映出切削过程中切削齿不同位置的温度分布情况;同一个齿的齿刃上因各点的线速度不同,温度分布也不同,齿刃切削区域上靠近钻头轴线侧的温度低于远离钻头轴线侧的温度。     

仿生PDC齿旋转破岩时的温度场和破岩特性模拟研究

针对常规PDC钻头破岩效率低、钻头泥包和使用寿命短等问题,以穿山甲鳞片、蝼蛄爪趾、鲨鱼牙齿和扇贝壳作为仿生原型,从多个维度进行结构仿生,设计了一种新型耦合仿生PDC齿.采用有限元法、弹塑性力学等方法,建立了仿生PDC齿的破岩仿真模型,利用有限元软件ABAQUS的温度–位移耦合显式侵彻接触算法和显式动力学模块,研究了仿生...     

牙轮—PDC混合钻头的破岩特性及温度场变化

较之于常规的PDC钻头或牙轮钻头,牙轮—PDC混合钻头有着更好的破岩效果,其破岩过程产生的热量对其使用寿命和钻井效率都有着重要的影响,但目前对其破岩过程中温度场和破岩特性的研究还不够深入。为了给混合钻头的优化和推广提供理论支撑,基于有限元法、弹塑性力学等建立钻头破岩仿真模型,据此研究了破岩过程中的混合钻头温度场变化规律和破岩特性。研究结果表明:(1)牙轮主导型混合钻头破碎岩石时牙轮切削结构先冲击岩石,形成破碎坑,PDC切削齿再进行剪切,而PDC主导型混合钻头由PDC切削齿对岩石进行刮切形成沟槽,牙轮切削齿再对岩石进行破碎;(2)混合钻头在破岩初始阶段温度上升较快,一段时间后趋于平稳且钻压越大温度越高;(3)较之于PDC钻头和牙轮钻头,混合钻头破岩过程中温度更低,混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和;(4)混合钻头在硬地层中的破岩温度高于在软地层中的破岩温度,而钻速则相反;(5)钻头破岩温度和破岩特性与其自身结构有关。结论认为,该研究成果有助于混合钻头的优化设计和推广应用。     

锥形PDC单齿破岩试验研究

为优化锥形PDC齿钻头的结构设计并提高其钻进硬地层的能力,通过锥形PDC切削齿在玄武岩上的破岩试验,分析了切削角、锥顶角及钻压等因素对锥形PDC切削齿破岩效率的影响规律。结果表明:锥形PDC齿适合其锥尖指向钻头轴线安装在钻头上;随着切削角增大,切削深度先增大后减小,当切削角为25°时,切削深度最深;破碎相同体积的岩石,锥顶角小的锥形PDC齿所需的水平切削力小,更易破碎岩石;切削深度与钻压呈指数关系,随着钻压增加而增大。试验结果可为锥形PDC齿钻头结构设计提供依据。      

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。