PDC齿破岩仿真模型与全钻头实验研究

针对PDC全钻头设计方法单一和实验工作量大的问题,提出了一种PDC单齿切削力学计算模型,并通过有限元数值模拟对计算模型的结果进行对比,讨论了PDC切削齿前倾角、侧倾角、齿径及切深与切削力的关系。结果表明:PDC单齿力学计算模型与有限元模拟结果比较接近,验证了该模型的正确性。在单齿力学计算模型的基础上建立全钻头力学计算模型,并对PDC全钻头扭矩和钻压进行计算,结合有限元仿真和全钻头实验结果,将3种计算结果进行对比分析,结果显示当PDC全钻头破碎砂岩时,力学模型计算出的扭矩值与实验测试的误差为2.11%,与有限元模拟结果的误差为1.51%;而计算的钻压值与实验结果的误差为1.25%,与有限元模拟结果的误差为6.79%,同时,该钻头计算模型的计算效率也大大提高,说明了PDC全钻头力学计算模型的准确性和可行性,为PDC钻头的评价与设计提供了技术支持。     

泥包对破岩效率影响的PDC单齿切削模型研究

PDC钻头泥页岩地层钻进易发生泥包,严重影响机械钻速。钻进性能的变化归根结底源于切削齿与地层的相互作用,但是目前建立的单齿切削模型考虑的因素不全面,并不适用于钻头发生泥包的情况。建立了PDC钻头分别发生切削齿泥包和钻头整体泥包时的单齿切削模型,模型全面考虑了围压、切削齿倒角面、切削齿后底面、岩屑破碎带等因素,通过实例计算、利用前人实验数据验证了模型计算结果的可靠性。最后利用模型量化分析了泥包对破岩效率的影响规律,结果发现切削齿泥包和钻头泥包均严重影响破岩效率,且后者影响程度更大;切削齿泥包中,围压和"泥包团"长度对破岩效率影响显著,破岩效率均随两者的增大而减小;钻头泥包中,泥包面积对破岩效率影响显著,破岩效率随泥包面积的增大而减小。     

环脊式PDC钻头破岩机理实验研究

环脊式PDC钻头是一种采用不连续布齿原理在井底形成易破碎岩石环脊的钻头技术新思想。在不同岩性、不同岩脊尺寸等条件下,开展了针对岩脊的牙轮牙齿的单齿静压和PDC齿刮切破岩单元实验,以及针对平整表面岩石的对比实验;设计制造了全尺寸可变参数实验钻头,并进行了环脊式PDC钻头与常规PDC钻头的室内钻岩对比实验。实验研究结果表明:与平整岩样的实验相比,牙轮牙齿和PDC齿在岩脊上的切削破碎载荷和破碎比功均显著降低;在全尺寸钻头钻岩实验中,与同等布齿密度条件下的常规PDC钻头相比,环脊式钻头的破岩比功显著降低,破岩效率明显提高;环脊式PDC钻头在钻进过程中有明显的体积性破碎现象,岩屑的尺寸或粒度显著增大,有利于地质录井。     

孕镶齿切削效率数值模拟及实验研究孕镶齿切削效率数值模拟及实验研究

PDC钻头和牙轮钻头在深部难钻地层中钻进时出现钻头钻进效率低、磨损速度快、寿命短等现象,相对而言,孕镶金刚石钻头凭借其特殊的破岩机理和“自锐性”在此类地层中具有良好的钻进性能,已成为提高深部难钻地层破岩效率的重要手段之一。本文以金刚石浓度、粒度、钻压、转速与孕镶齿的切削效率内在影响规律研究为目的,利用离散元软件PFC3D建立孕镶齿磨削砂岩的物理模型来进行数值模拟,然后进行孕镶齿磨削实验,实验数据与模拟结果的对比,验证了孕镶齿选取平行黏结模型来进行模型建立及仿真的正确性,从而粒度、钻压、转速、浓度对切削效率的影响逐渐降低,同时为孕镶钻头工作性能分析、个性化设计、地层适应性评价及钻头选型提供了依据。     

PDC钻头复合钻进破岩机理及个性化设计探讨

在复合钻进工况下,地面和井下马达的复合驱动虽能使PDC钻头的钻速能得到显著提升,但钻头寿命也会显著缩短。通过研究定向井、水平井下部钻柱的受力变形特性,建立了复合钻进下PDC钻头的运动学模型,研究了转速比、布齿位置、下部钻柱几何状态等对切削齿切削轨迹的影响规律。在此基础上,改进了PDC钻头破岩数字仿真系统,并利用该系统研究了PDC钻头在复合钻进工况下的运动学、切削力学规律以及井底形态特点。研究结果表明:除了高转速因素以外,复合钻进钻头破岩效率增高的主要原因在于PDC钻头切削齿的不平行刮切特性,以及螺杆弯角所导致的钻头牙齿的不均衡切削状态。针对PDC钻头在复合钻井条件下的破岩机理和失效特点,探讨了复合钻进PDC钻头个性化设计的技术思想和实施方法,为复合钻进条件下PDC钻头工作性能的改进提供了理论依据和技术手段。     

超高压双流道PDC钻头破岩机制研究

基于岩石弹塑性力学、水动力学及运动学,采用动力接触法模拟射流或机械齿与岩石的交互作用,利用Hoffman失效准则控制岩石破碎的动态边界,采用单步Houbolt算法求解动力方程,建立整体超高压双流道PDC钻头破岩的三维动态数值模型。全面、系统地研究岩石内部应力、岩石的破碎体积、岩石破碎所需能量以及钻压和扭矩等在岩石破碎过程中的变化规律,并对不同刀翼数及超高压喷嘴在不同位置时钻头的破岩效率进行分析,得出最佳双流道PDC钻头的结构。     

空气钻井中动态破岩有限元仿真研究

 空气钻井技术是以空气作为循环介质的欠平衡钻井技术,其钻头的破岩形式与常规泥浆钻井有很大的区别。在岩石力学和弹塑性力学的基础上,考虑岩石材料的各项异性、地层倾角、钻头与岩石间摩擦因数等影响因素,采用有限元方法建立空气钻井中全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维模型。通过对空气钻井中岩石的破坏机制和钻头动态破岩过程的研究以及对破岩后形成井眼、井壁和井底岩石应力应变的分析。结果表明：井底岩石受到较大拉应力的作用,使得空气钻井中破岩速度更快;干燥空气钻成的井眼井壁稳定性较好,但是一旦发生井壁不稳定性,井壁岩石将成块掉落。最后通过对钻头上随时间变化的位移分析,得到钻进各向异性地层岩石的井斜和方位的变化规律。本模型为空气钻井的破岩机制、井斜变化规律以及井壁稳定性研究提供一种新的方法,为钻头和钻具设备的研制、优化设计提供理论依据。     

旋转模块式PDC钻头破岩机理研究

针对深部难钻地层钻头的钻速低、寿命短、能耗高等问题,在常规固定齿PDC钻头上引入旋转模块结构,旋转模块齿和固定切削齿“交叉刮切”破碎岩石,提高钻头的破岩效率,且旋转模块齿交替轮流工作的方式使得切削齿冷却及时,减缓切削齿的磨损,延长钻头寿命。介绍了新型钻头的结构特点和工作原理,对旋转模块进行了变参数实验,实验结果表明:旋转模块随着侧转角的增大,转速增加;随着轴倾角的增大,转速降低。研究得到旋转模块在不同结构参数下的切削载荷以及破碎比功的变化规律,验证了旋转模块齿和固定切削齿“交叉刮切”破碎岩石,能够降低破岩比功,为后续旋转模块式PDC钻头的设计提供理论依据和支撑。     

旋切方式作用的新型钻头破岩特性与试验分析

在分析传统三牙轮钻头破岩特性的基础上,提出一种旋切方式破岩的新型钻头(旋切钻头)。运用柱坐标与复合运动原理,建立破岩过程切削齿的位置方程、速度方程和加速度方程。同时结合算例参数,分析不同齿圈切削齿破岩过程接触段上的速度和加速度分布规律。根据加速度计算结果进行切削齿破岩工作力学和失效机制研究。结果表明:在钻进过程中,旋切钻头的切削齿以冲击、旋切方式破岩,不同齿圈切削齿同时切削井壁,且大齿圈切削齿过井眼中心,运动速度快,可有效地提高钻头心部破岩效率。试验结果验证了算例分析和计算方法的正确性,建立的计算方法修正了现有研究的部分错误,且适用于其他牙轮钻头与复合钻头的研究。     

微心PDC钻头心部结构优化的实验研究

在油气勘探中,需要在地层中进行岩石取样同时保证钻头的破岩效率和机械钻速,因此需要对微心PDC钻头心部结构进行优化。通过在不同尺寸的3种不同岩性(砂岩、灰岩和花岗岩)的岩心柱上完成静压、折断、冲击3种破坏形式的破岩实验,设计及制造一只直径为φ152.4 mm的可变参数的微心PDC钻头,并在不同尺寸的砂岩岩心柱上完成室内台架实验。实验结果表明:折断的破岩效率最高,静压其次、冲击最小;与全覆盖的钻头相比,微心PDC钻头机械钻速提高49%~112%;微心PDC钻头岩柱的高度对钻头的机械钻速影响较小,而岩柱的直径对机械钻速影响较大;微心PDC钻头在3种岩样中均能实现体积破碎,产生大岩屑,能提高破岩效率和机械钻速,并得到3种破岩方式下的最优岩心柱尺寸。     

不同围压条件下TBM刀具破岩模式的数值研究

为了研究不同围压条件下TBM刀具在掘进施工过程中的破岩机理,基于2-D离散单元法,利用UDEC仿真软件建立了双把TBM刀具侵入岩石的仿真模型。在此基础上设计了一组数值试验,成功地模拟出了不同围压条件以及不同刀间距下岩石裂纹生成,扩展和岩石破碎的全过程。仿真结果表明：TBM刀具作用下岩石存在四种基本的破碎模式,它们的出现与围压以及刀间距有关;破碎模式对刀具的破岩效率,岩石破碎块度均有影响;随着围压的增加,最优刀间距增大,但围压超过一定值后,最优刀间距反而减小。     

球齿滚刀作用下岩石裂纹的数值模拟与试验观测

 在对实际掘进条件做出合理简化的基础上,主要从仿真与试验2个方面对齿刀破岩机制进行研究。首先将Hertz弹性接触理论引入仿真,从而考虑刀具的初始应力分布对裂纹扩展的影响;然后利用基于2D离散法的UDEC软件建立TBM双刃球齿滚刀侵入砂岩的模型,并进行仿真分析;最后在原有线切割试验台的基础上设计观测试验。首次利用高速摄像仪捕捉到岩石崩裂及破碎的现象,并巧妙地使用普通数码相机不连续记录球齿下密实核的产生过程。该模型成功地模拟裂纹的生成与扩展,由仿真结果可知：随着侵深的增加,球齿底部承受压应力过大逐步出现密实核;球齿之间的侧向裂纹由于拉应力失效迅速扩展并趋于交汇,最终裂纹贯穿导致岩体破碎;破碎前刃侧出现的小块岩石崩裂现象是由拉应力失效引起的。仿真结果与实验室观测结果表明,研究成果和施工现场数据存有良好的一致性,可适用于浅地层TBM掘进机破岩机制的研究。     

高压水射流-机械齿联合破岩数值模拟研究

采用非线性动态有限元法,结合实际工况条件,建立了高压水射流–机械齿联合破岩的数值模型。研究了高压水射流破碎岩石过程,并提出了2个临界压力的概念。计算结果表明,联合破岩的破碎效率约为高压水射流和机械齿分别破岩之和的2倍,射流和齿的间距在13mm左右最佳。当射流压力足够高时增大转速有利于提高破岩效果;当钻压增加到一定值后,其对破岩效率影响不大;破岩效率与静水压力成反比。     

大颗粒岩块对月壤钻取过程的影响分析

针对月壤钻取采样过程中存在大颗粒岩块情况进行三维离散元动态仿真分析。建立考虑扭转、弯曲力矩及等效引力作用的新型三维离散元月壤模型,通过三轴仿真试验进行细观参数标定,得到黏聚力为0.90 kPa,内摩擦角为42.25°的满足真实月壤宏观力学指标的仿真模型。针对月壤内层存在大颗粒情况设计4种采样工况分别进行仿真分析,监测大颗粒运动轨迹与采样效率,发现了“旋入效应”、“纵向运移效应”与“阻塞效应”,仿真结果表明岩块粒径大小直接影响采样结果：当岩块粒径小于钻头“虚拟切削圆”时,其无论存在于任何位置对采样效率与后续样品缠绕收集均无明显影响;当岩块粒径大于“虚拟切削圆”时,阻塞现象严重,样品收集困难,极易导致采样失败。研究结论对月壤钻取采样控制设计与钻具结构设计具有重要的工程参考价值。     

岩石单轴拉伸破坏过程的数值模拟

用三维梁–颗粒模型BPM3D(Beam-Particle Model in Three Dimensions)对岩石材料在单轴拉伸条件下的力学性质和破坏过程进行了数值模拟。梁–颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法中的网格模型提出的用于模拟岩石类材料损伤破坏过程的数值模型。模型中材料在细观层次上被离散为颗粒单元集合体,相邻颗粒单元由有限单元法中的弹脆性梁单元联结。梁单元的力学性质按韦伯(Weibull)分布随机赋值,以模拟岩石材料力学参数的空间变异性。材料内部裂纹通过断开梁单元来模拟。通过自动生成的非均质材料模型对岩石材料的破坏机理进行研究。岩石在单轴拉伸状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、连接的结果。数值模拟结果与实验结果的对比分析表明了模型的适用性。根据数值模拟结果对岩石材料的破坏机理进行了探讨。