基于LS-DYNA的冲旋钻头牙齿破岩机理仿真研究

介绍了显式动力学有限元软件LS DYNA的功能特点，阐述了冲旋钻井中钻头牙齿与岩石相互作用数值研究的模型建立、网格划分、材料定义、接触定义及边界条件等相关问题。利用LS DYNA对3种不同齿形牙齿在冲击载荷下破碎岩石进行了计算机仿真，描述了牙齿破岩过程，并求出了相应的应力、位移时程关系曲线，得到了3种不同齿形牙齿的破岩机理。经过分析发现，在弹头齿和锥形齿冲击下裂纹首先出现在岩石内部，齿和岩石接触面下端最早出现裂隙，而在球形齿冲击下裂纹首先出现在齿和岩石接触面边缘；3种牙齿齿尖应力波峰值由大到小依次为：弹头齿、锥形齿、球形齿；布齿时锥形齿宜分布在钻头头部端面中心、球形齿分布在边缘，弹头齿或者锥形齿可分布在中心与边缘之间，这样有利于提高钻井破岩效率。     

盘式钻头破岩机理仿真分析

盘式钻头是一种新型齿形三牙轮钻头，其齿面制成与牙轮母线垂直的圆环形连续齿圈，改变了牙齿与岩石的作用特点及其破岩机理。利用牙轮钻头几何模型及计算机仿真技术，建立了盘式钻头与井底岩石互作用仿真模型、盘式钻头齿形几何模型及盘式齿形离散模型等，编制了盘式钻头与岩石互作用仿真分析软件。由仿真计算得到了给定结构参数的盘式钻头与给定岩石互作用后的井底模式。通过单齿圈复合破岩实验，得到了盘式钻头实际钻井时的井底模式，它与采用计算机仿真软件的仿真结果很相近，验证了仿真模型的正确性，为盘式钻头设计提供了新方法。     

钻头破岩过程的计算机仿真模型

根据用三牙轮钻头一个主齿圈和一个特殊齿圈进行破岩实验的结果，对井底大量单次或多次破碎坑的数据作了处理，进而建立了破碎坑尺寸大小与齿面结构参数，钻井参数，岩石性质之间的数学，实现牙轮钻头与岩石互作用过程的计算机仿真提供了有实用阶值的参考资料，同时简要介绍了一种测量破碎坑尺寸的新方法－光测法。     

盘形钻头复合破岩实验研究

在研究８１／２英寸ＸＨＰ５三牙镶齿钻头结构尺寸的基础上，设计了３种齿形参数不同的盘形钻头。在复合破岩实验机上实验了８１／２英寸ＸＨＰ５三牙轮镶齿钻头和盘形钻头各齿圈间距、牙轮刃间角、齿顶宽及牙轮轴线平移量等特性参数破岩效果的影响。实验数据统计表明，对于四川二迭系这样的极硬地层，８１／２英寸ＸＨＰ５三牙轮镶砂破岩效果并不好，钻头在有无偏移情况下钻压和扭矩都比条形齿圈的较大，而破岩体积却较小；盘形钻头     

牙轮钻头牙齿破岩过程仿真

从运动学角度研究了牙轮钻头牙齿在井底的运动轨迹，并对牙齿的破岩过程进行了仿真分析。结果表明，牙齿的径向滑移主要与移轴距和吃入深度有关；牙齿的周向滑移主要与轮体转速比和吃入深度有关。移轴距、轮体转速比和吃入深度对破碎坑形状、大小和破碎环带宽度都有明显的影响。随着移轴距增大，破碎环带变宽，钻头对井底覆盖能力增强；随着轮体转速比增加，破碎坑明显变小。锥顶齿主要以刮削和挤压方式破碎井底中心区域；外排齿规径部位以切削方式破碎井壁过渡区。     

复合齿形牙轮钻头及其破岩机理研究

针对现有牙轮（钢齿、镶齿）钻头已难以对一些复杂地层进行有效钻进这一现状，根据对牙轮钻头破岩机理的新认识，研制了一种新型复合齿形牙轮钻头。该新型钻头是一种具有新型齿面结构的牙轮钻头，其牙轮上的牙齿由齿形齿和盘式齿复合而构成，并且各牙轮上齿形齿和盘式齿的布置方式可根据硬地层等复杂地层的特性和钻井要求进行调整。两种齿对岩石的破碎作用将会互相影响，使得破碎岩石更加容易。为此，概述了国内外在复合齿形牙轮钻头方面所做的研究工作，并详细分析了这种新型钻头的结构特点和破岩机理，指出要研制出具有良好性能的复合齿形牙轮钻头，主要应从破岩机理、布齿方法与齿面结构、齿面强化工艺、钻头整体性能台架试验及复合齿形牙轮钻头结构设计等方面进行深入研究。     

破岩钻井方法及高压水射流破岩机理研究

简要分析回顾了破岩和钻井方法的发展，论述了激光钻井和高压水射流钻井的发展潜力。阐明了高压水射流钻井技术已具备工业应用的可行性。分析了高压水射流破岩机理研究中的关键问题及解决途径，介绍了利用数值模拟和试验相结合的方法研究高压水射流破岩机理所取得的一些突破性进展，提出了建立和完善高压水射流破岩理论体系、发展水射流钻井技术的研究方向。     

盘式单牙轮钻头破岩机理试验研究

在简述盘式单牙轮钻头的结构特点和破岩机理的基础上 ,详细介绍了这种钻头在资中重二砂岩上进行台架试验的破岩过程、试验数据和动态曲线。试验结果分析表明 ,盘式单牙轮钻头钻进破岩时牙齿在接触井底过后有一个较长的滑移过程 ,运动轨迹成网状相互交叉 ,与井底接触的牙齿过渡平稳 ,从而减小钻头的振动 ,有利于提高钻头轴承和齿面的寿命。这种钻头的缺点是盘式齿在长距离滑移切削过程中磨损较快 ,在某些地层钻进时钻头性能不如普通牙轮钻头和PDC钻头。     

混合钻头破岩特性研究

现有的常规PDC钻头和牙轮钻头均无法满足深硬地层、难钻性地层以及软硬交错地层的破岩要求。混合钻头在国内外的成功应用证明其具有较好的破岩效果,但对其破岩特性的研究还不够深入,导致混合钻头设计优化和推广受限。鉴于此,基于有限元分析法和弹塑性力学理论,以Drucker-Prager准则为岩石的本构关系,建立了混合钻头破岩仿真模型,开展了混合钻头破岩特性研究。研究结果表明: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,这与现场结论一致;牙轮主导型混合钻头适用于硬地层,PDC主导型混合钻头适用于软地层;混合钻头破岩特性与其自身结构有关。混合钻头破特性研究为促进混合钻头的优化设计和混合钻头的现场应用奠定了基础。     

PDC钻头在砾岩地层中的破岩机理与适应性分析

PDC钻头在非均质砾岩地层钻进时,不能仅通过磨损来进行优选,应当明确其破岩机理,从而对其应用效果欠佳的情况给予指导。为此,通过有限元软件建立非均质砾岩模型,对PDC单齿破碎砾石地层进行模拟,明确破岩机理,并提出优选建议。分析结果表明：切削齿在砾岩地层切削时,对小粒径砾岩影响切削力的主控因素为胶结物和基质强度,对大粒径砾岩影响切削力主控因素为砾石本身的固有剪切强度;在砾岩地层中,切削齿齿形推荐选用斧形齿,其半径尽量与砾石尺寸相匹配,且优先选择大厚度齿,选择二级、螺旋布齿可减轻单齿的损伤;可以通过优选新型异质材料来改善切削齿力学性能。研究结论可为提高PDC钻头在砾岩地层中的适应性提供理论支撑。     

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。     

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。     

牙轮钻头不同轮头速比破岩量仿真分析

牙轮钻头的牙轮有绕自身轴线的自转运动,牙轮轴有绕钻头中心线的旋转运动,因此在破岩时存在不同的轮头速比。采用LS DYNA通用显式动力分析仿真软件研究不同的轮头速比与钻头破岩量的关系,对指导钻头的设计和使用,提高钻头机械钻速,降低钻井成本具有一定的意义。     

冲旋钻井钻头仿真模型的建立研究

针对钻井机械钻速预测研究中的不足,提出用计算机仿真方法来研究冲旋钻井的机械钻速.为此,首先对冲旋钻头常用的牙齿面进行离散化后,再结合冲旋钻头的结构特点和尺寸,利用坐标变换建立了冲旋钻井钻头的真实数学模型.该模型能准确可靠地描述钻头的形状和结构,是冲旋钻井机械钻速预测的基础.     

高压水射流破岩比能演化机理研究

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型，在对高压水射流破岩过程模拟分析的基础上，进行了射流破岩比能演化机理的研究。研究结果表明，在脉冲射流载荷的衰减阶段，由于岩石卸载的阻力较小，卸载过程中所释放的能量利用较为充分，使得脉冲射流的破岩比能明显小于连续射流；因为旋转射流的每一质点均具有三维速度，易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏，且回流的干扰较少，提高了射流的能量利用率，使得破岩比能也明显低于连续射流，且随着切向速度与轴向速度比值的增大，旋转射流破岩比能逐渐减小。     

空气锤钻头应用研究

对空气锤钻头在国外的应用进行了调研。在冲击回转钻进中,根据地层条件不同选择不同的端面设计平底钻头能很好地控制井斜,平底钻头的钻速是三牙轮钻头的3~6倍,但平底钻头径向磨损严重,常用三牙轮进行扩眼。为解决钻头径向磨损问题从而发展了增强齿平底钻头,在以陡倾角而著称的Stillwater、Allegheny高原及Arkoma、Permian、Appalachian盆地进行了大量试验,结果证明:与平底钻头相比,钻速快,寿命长,成本低,更耐磨,能更好控制井斜和狗腿严重度,而且井眼更平滑。     

气动潜孔锤钎头破岩分析及工艺参数优选

为提高硬质地层气动潜孔锤的破岩效率和进尺能力,基于非线性接触动力学理论,运用ABAQUS软件建立了活塞-气动潜孔锤钎头-岩石(花岗岩)仿真模型,采用无反射边界条件,分析了冲击速度和回转速度对钎头冲击反力、侵入深度和破岩比功的影响,进而对工艺参数进行优选。分析结果表明:冲击反力峰值与冲击速度近似呈线性增加,回转速度对钎头冲击反力和钻头侵入岩石深度影响较小;钎头在冲击破岩过程中存在多次反弹,活塞第二次撞击钎头后,钎头侵入岩石深度达到最大;相同条件下,冲击回转钻进破岩速度比仅在钻压作用下回转剪切钻进速度提高3～5倍;破岩比功受冲击速度和回转速度影响较大,随着冲击速度的增加,破岩比功存在一个最优值,当钻压为25 kN时,最优工艺参数组合为冲击速度8 m/s,回转速度20 r/min。研究结果可为现场工程施工提供参考。