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。     

旋切式PDC钻头切削结构设计研究

旋切式PDC钻头能很好地适应深部高塑性地层。为了研究旋切式PDC钻头的切削性能,基于试验和仿真方法,通过旋切式PDC钻头单齿破岩试验,分析了单齿切削过程中切削深度、切削角度和切削速度对切削力的影响,并通过数值仿真对单齿破岩试验所得结果进行验证,通过仿真分析了齿间距和齿形(锥形齿和圆柱形齿)对切削力的影响。分析结果表明:锥形齿最佳切削角度为20°,切削力和轴向力会随着切削深度的增大而变大;随着齿间距的增大,两齿之间的相互作用会减弱,切削力会逐渐与单齿破岩切削力相同,切削比功的变化规律与切削力的变化规律相同;锥形齿的切削力小于圆柱形齿的切削力,在切削过程中更易破岩。所得结果对旋切式PDC钻头切削齿的设计有一定的指导意义。     

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。     

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。     

深井高温岩石破岩机理及生热分析

为了提高深井高温地层PDC齿的破岩效率,分别将花岗岩和砂岩加热至不同温度以模拟深部井底高温岩石,结合岩石岩性及其在高温条件下的力学特性,进行PDC单齿切削破岩室内试验,利用切削力传感器、高速摄影机和热红外成像仪对不同温度岩样的切削力、破岩过程和切削温度场进行深入分析.分析结果表明:花岗岩和砂岩均存在使自身力学特性发生较...     

非平面三棱形PDC齿破岩机理研究与现场试验

非平面三棱齿的破岩机理不清晰,导致三棱齿PDC钻头达不到预期的破岩效果。为此,采用有限元法对非平面三棱齿进行数值模拟分析,分析破岩过程中的各项切削力的变化规律,研究其破岩机理。数值模拟和刮切试验结果表明,三棱齿与平面PDC齿在破岩过程中的岩石受力状态存在明显的差异,相同条件下三棱齿切削破碎砂岩时的切向力及切向力的波动幅度均小于常规平面齿。三棱齿PDC钻头现场试验表明,其在研磨性高、冲击性强地层中的破岩效率较高,抗冲击性能较好。研究表明,三棱齿主要通过拉剪作用破坏岩石,切向力和扭矩更小,抗冲击性和耐磨性更高,能够提高破岩效率、延长钻头使用寿命。      

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...     

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钻头混合布齿切削试验装置

现有PDC钻头单齿试验装置对单齿切削角度等参数的调整很不方便,需要进行多组刀具的频繁更换,不适用于多切削齿在交叉或重叠组合下的混合切削特性及破岩机理的试验研究。为此,设计了PDC钻头混合布齿切削试验装置。该装置通过特殊的混合布齿组合结构设计,能实现不同PDC齿在不同切削参数下的混合布齿组合,具备PDC混合布齿切削试验能力。试验结果表明:该试验装置可以方便地实现对PDC齿后倾角、切削深度、多切削齿布齿方式及组合等切削结构和参数进行调节,从而实现对不同切削齿在不同组合及布齿参数下切削规律和破岩机理的研究。研究结果为进行有针对性和适应性的PDC钻头切削结构和布齿优化设计奠定了试验基础。     

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°。      

牙轮-PDC复合钻头井底流场CFD模拟研究

牙轮-PDC复合钻头是对硬地层采用碾压与刮切相结合破岩的一种新型钻头,随着其结构形式及破岩方法的改变,需要对其井底流场进行研究并提出新的水力结构设计。运用计算流体动力学理论,采用标准κ-ε模型以及封闭N-S湍流方程对某型复合钻头的井底流场进行了数值模拟计算,并分析了井底压力及流速、PDC刀翼齿面和牙轮体表面流速。研究结果表明,复合钻头设计原型的水力结构存在一定缺陷,可通过合理设计钻头体中心位置结构、调整中心喷嘴射流角度以及调整2个边喷嘴的设计来加以改进。     

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。      

旋风状井底模型的新型钻头运动特性

针对现有钻头心部破岩效率不高的情况,提出一种旋风状井底模型的新型钻头（旋切钻头）。通过研究旋切钻头的运动行为,分析钻头自转坐标系与公转坐标系,建立切削齿位置方程与速度方程,确定切削齿与岩石的接触段,得到接触段上的速度分布结果。根据算例计算与分析发现旋切钻头破岩过程大圈齿过中心,利用冲击与切削综合作用进行破岩,从井底为接触起点,井壁为接触终点,切削齿破岩行为具有从下往上、从里往外“刨”的效果。研究结论对于提高钻头心部破岩效率,进行切削齿破岩机理研究具有参考意义。     

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。     

牙轮钻头轮头速比理论研究及其仿真模型

牙轮钻头在破岩的过程中,影响牙轮转速的因素非常复杂。牙轮钻头的轮头速比研究对岩石破碎机理研究和钻头设计都有重要的指导意义。牙轮钻头轮头速比模型是钻头-岩石互作用仿真中最重要的基础模型之一。总结了国内外以基于正交试验结果回归、力矩平衡、最小功原理等为代表的几种牙轮钻头轮头速比模型建模理论,对比分析了这些理论的优点及存在的问题。在分析影响轮头速比的几何结构、钻井参数的基础上,提出了基于转动定律的轮头速比仿真模型。该模型综合考虑了影响轮头速比的主要因素,避免了计算牙齿受力、能客观真实地反映轮头速比的数值大小及变化规律,为进一步优化牙轮钻头钻进仿真模型奠定了基础。     

切削- 犁削混合钻头设计及现场应用

为解决常规PDC 钻头在非均质硬地层使用寿命短、机械钻速低的问题,设计并加工了一种切削- 犁削混合钻头。新型钻头以PDC 复合片作为主要工作元件,以锥形PDC 齿作为次要工作元件,形成混合切削结构,具有切削和犁削双重破岩作用,提高了PDC 钻头在非均质性硬地层中的抗冲击性能和破岩效率。现场试验表明,切削- 犁削混合钻头机械钻速对比常规PDC 钻头提高了57.6%,钻头进尺对比常规PDC 钻头提高了91.6%,取得了非常好的使用效果。新型PDC 钻头具有机械钻速高、寿命长、进尺多等特点,对加快油田勘探开发速度、降低钻井成本有积极的意义。