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。     

PDC钻头布齿方式初探

PDC钻头的工作性能在很大程度上取决于其布齿方式。本文在对钻头破岩机理进行了某些假设的基础上对PDC钻头的等切削原理布齿方式和等功率原理布齿方式进行了初步研究。通过分析计算得出了PDC钻头的布齿数学模式。该模式对PDC钻头的优化设计有一定的指导意义,并在PDC钻头的应用中见到了明显的效果。     

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。     

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。     

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。     

PDC钻头等切削体积布齿优化设计

在PDC钻头切削齿几何描述的基础上,考虑到钻头旋转钻进时因切削齿周向角不同,即切削次序不同而造成的相互覆盖,建立了切削体积的计算方法和利用线性规划进行PDC钻头等切削体积布齿优化设计的方法,并编制了计算机程序。程序设计的实例结果表明,该方法能较大幅度地提高切削体积均匀度。该方法的提出使得PDC钻头优化设计更加系统化、参数化、自动化。     

PDC钻头等功率布齿的方法

本文在回顾比较已有的ＰＤＣ钻头布齿原则的基础上，选定了在等摩察功下进行ＰＤＣ钻头布齿设计的原则方法，并导出了其数学模型，还编制了一套计算机辅助设计软件。     

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钻头等体积布齿设计的数值计算方法

PDC钻头布齿设计是否合理直接决定着PDC钻头的破岩效果及其使用寿命的长短，而等体积设计是PDC钻头布齿设计的基本原则之一。综合考虑了钻头冠部形状、切削齿的布置、切削齿尺寸、切削齿的相互作用等因素的影响下，建立了切削齿等体积设计数学计算模型．对切削齿的工作角进行了优化设计并将其结果应用于该模型中，最后选取适当的数值计算方法进行了计算机求解。实例计算表明，该模型和求解方法具有适用性，这为PDC钻头的设计和性能模拟分析提供了一种可行方法。     

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。     

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。     

大港油区PDC钻头个性化优选提速实践

随着钻井综合配套技术的飞速发展,钻井速度也随之不断提高。其中,钻头作为钻井作业中破岩的工具对钻井机械钻速的提高起着决定性的作用。近年来,国内外各钻头制造公司根据顾客的需要,推出适应不同地区、不同地层的个性化设计,从过去的地层适应钻头转化为钻头适应地层。文章从大港油田地层特性出发,从钻头的冠部形状、刀翼的合理布置、力平衡优化、水力参数搭配、切屑齿大小等方面进行钻头设计优化,分类阐述了PDC钻头在不同地层的应用技术。个性化设计的PDC钻头首次顺利钻穿了大港部分地区复杂的砾岩层,改变了以往穿砾岩必须换牙轮钻头的历史。     

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°。      

川西须家河组地层PDC钻头结构参数优化及选型

川西深层须家河组气藏主力储层埋藏深、地质条件复杂,尤其是其地层硬度高、可钻性差,致使钻头选型困难,机械钻速低。为提高须家河组地层机械钻速,针对地层岩性特征,利用ABAQUS软件建立了切削齿破岩有限元模型,结合钻头设计理论优化了PDC钻头结构参数,确定出了适合须家河组地层的钻头冠部轮廓、切削齿、刀翼数和保径特征等主要结构参数,提出了PDC钻头选型的关键特征。在此基础上,优选出了9个型号PDC钻头,形成了须家河组地层钻头系列化选型方案:须5段-须3段地层宜选用攻击性强同时具有较强抗研磨性和抗冲击性的PDC钻头,须2段地层宜选用高抗研磨性兼顾吃入能力和抗冲击性的混合布齿钻头。现场应用表明,42只优选钻头平均进尺增加27.57%,钻速提高40.19%,实现了须家河组地层钻井提速新突破。      

PDC钻头混合布齿参数对破岩的影响研究

为优化混合布齿PDC钻头切削结构,提高破岩效率,采用自主设计的试验装置,开展了常规PDC齿与锥形PDC齿混合异轨布齿间距和布齿高度差对破岩效率影响规律的试验和数值模拟研究。研究结果表明:锥形PDC齿的预破碎使岩石切痕间的"凸脊"产生损伤,越接近根部损伤越严重,且随着锥形PDC齿布齿间距的减小,损伤对"凸脊"的影响也越严重;在"凸脊"损伤严重的区域容易形成裂纹,裂纹的拓展使"凸脊"岩石产生体积破碎,形成破碎坑,从而使整个破岩过程的均值切削载荷变小,效率提高;合理的混合布齿间距和布齿高度差更有助于"凸脊"岩石产生体积破碎,可以有效降低常规PDC齿破碎岩石的机械比功、提高混合布齿PDC钻头的破岩效率。研究结果对混合布齿PDC钻头切削结构和布齿的优化设计具有重要的指导意义。     

仿生非光滑PDC片钻头设计与应用

针对目前钻井过程中使用PDC钻头情况,提出并设计加工出仿生非光滑PDC片钻头。重点介绍了仿生非光滑PDC片的设计原理和结构,以及用仿生PDC片制造出的钻头在现场应用的情况。结果表明,非光滑PDC片钻头比常规PDC钻头、牙轮钻头寿命长,平均机械钻速提高60%以上,特别适合配合螺杆钻具使用,具有较好的推广应用前景。     

基于CFX的PDC钻头水力结构优化方法研究

应用CFD仿真软件CFX对PDC钻头的井底流场进行了模拟,并对该流场进行了流道流量分配及压力、速度等方面的分析,结果表明现有钻头模型水力结构存在一定的缺陷。根据PDC钻头水力结构优化原则,对现有钻头模型喷嘴的位置、喷射角度进行了调整,并将调整后的PDC钻头井底流场与原始钻头模型的井底流场进行了对比。结果表明,调整后PDC钻头的井底流场已经得到明显的改善。     

PDC单齿切削破碎天然气水合物参数优选研究

我国南海天然气水合物藏采用固态流化开采技术进行开采时,首先遇到的问题是如何高效切削破碎天然气水合物。根据我国南海天然气水合物赋存条件,通过查阅文献选取了类似我国南海天然气水合物特性的本构关系。同时,基于非线性有限元分析ABAQUS软件平台,建立了钻头牙齿破碎天然气水合物的三维仿真模型,开发了钻头牙齿破碎天然气水合物的有限元仿真方法和程序。利用所开发的程序评价了PDC单齿切削破碎天然气水合物的破碎效果。研究结果表明,PDC齿的最佳前倾角为[17.5°,20.0°],切削深度在4 mm以上为宜,最合适的PDC齿倒角建议在[45.0°,52.5°]之间。所开发的程序和得出的结论可为天然气水合物钻头设计奠定基础。     

金刚石钻头选型分析的软件开发

综合分析了金刚石钻头常用的５种选型方法;介绍了钻头经济型评价的４组公式,为编程方便,在软件实现中采用统一的表达形式;通过面向对象的编程方法,采用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ５．０在Ｗｉｎｄｏｗｓ９５环境下将金刚石钻头的选型方法实现为计算机软件。