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。     

基于离散元方法的PDC钻头破岩仿真研究

针对前人对PDC(聚晶金刚石复合片)钻头破岩仿真研究多采用有限元法,忽略了岩体的各向异性、不均匀性以及不连续性等问题。提出了采用离散元法来研究PDC钻头的破岩仿真过程,利用离散元软件PFC3D建立了虚拟单轴压缩实验和虚拟巴西劈裂法实验,推导出了岩石的三维离散元模型的细观参数,确定了岩石的本构模型。在此基础上建立了PDC单齿切削岩石的离散元模型,讨论了侧倾角对切削力的影响关系,并与单齿切削岩石的有限元模型进行了对比。结果表明:离散元模型与有限元模型结果比较接近,离散元数值模拟的求解时间为有限元数值模拟的1/3,离散元方法具有潜在的高效率。在单齿切削岩石的离散元模型的基础上建立了全钻头破岩离散元模型,研究了PDC钻头动态破岩过程中各切削齿所受扭矩和钻压的分布规律。并通过全钻头破岩室内台架实验对模型的准确性进行了验证。     

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。     

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。     

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...     

振荡冲击器破岩机理数值模拟分析

为了揭示振荡冲击器作用下的井底岩石破碎机理,用数值模拟分析的方法,研究了不同参数对破岩效率的影响,包括不同工作频率、不同循环动载和不同岩石类型,并分别对其进行了定量分析。结果表明,井底岩石的破碎分为3个区域:破碎区,损伤区和无损区,在振荡冲击器的作用下,井底岩石的破碎过程分为3个阶段:钻头的中心齿压碎岩石,边齿对岩石造成破坏,钻头旋转切削破碎岩石。井底岩石的破碎效率随着振荡冲击器工作频率的变化而变化,当工具的工作频率为16 Hz时,破岩效率最高,振荡冲击器的破岩效率随着交变动载荷峰值的增加而不断增加,当其峰值载荷超过10 k N之后,破岩效率增加比较缓慢,振荡冲击器的破岩效率随着地层岩石硬度的变化而变化。这对振荡冲击器的现场应用具有十分重要的指导意义。     

PDC钻头岩石可钻性测定与分级新方法研究

PDC钻头作为最重要的油气钻井破岩工具,其岩石可钻性级值是进行钻头个性化设计与选型、优化钻井参数的关键依据,在中硬以上的地层价值尤为重要。然而,我国2000年颁布实施的石油天然气行业标准《岩石可钻性测定及分级方法》却存在明显的缺陷,对中硬以上的岩石经常出现测试无效、无法获得可钻性级值数据的现象。通过对不同岩性岩石试样的大量微钻头可钻性实验测试,发现标准钻压过低、PDC微钻头结构参数不合理是中硬以上岩石测试无效的主要原因。针对这些问题,首先,研究了微钻头切削齿安装角度对其干涉状态的影响规律,提出了最优的微钻头侧转角,消除了微钻头切削齿与岩石发生干涉的可能性;其次,开展了5种岩石在不同钻压下的微钻头钻岩实验,实验数据表明变压可钻性级值与钻压之间呈线性关系,提出了采用钻压分档测试、当量转化分级或分档独立分级的可钻性测试与分级新方法。该方法既能有效解决中硬以上岩石的可钻性测试问题,又能与过去的软岩测试数据相兼容。主要研究成果已经被2016版行业标准《岩石可钻性测定及分级》所采纳。     

高压水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元法和岩石动态损伤模型对高压水射流破岩过程进行了模拟，结果表明，水射流破碎岩石主体所用的时间为毫秒量级，普通连续水射流破岩的主要形式是卸载及射流冲击所产生的拉伸破坏，并呈“阶跃式”发展。在此基础上，探索了水射流参数对破岩效果的影响，数值计算与试验结果吻合良好，表明利用该方法分析水射流破岩过程和机理是可行的，所得结论可作为水射流破岩体系设计和优化的依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于高压水射流破岩的岩石损伤破坏效应研究

由于高压水射流破岩的影响因素繁多和作用机理的复杂,运用动态非线性有限元法,进行高压射流的数值试验,分析破岩过程中应力及破岩深度变化,以破岩过程中诸如射流速度、射流直径、射流入射角度、射流束数等控制参数为研究方向,基于ANSYA/LS-DYNA进行不同井深条件岩石破坏的显示动力有限元分析。结果表明,进行高压水射流破岩时选取不同射流控制参数所实现的射流效率明显不同,射流速度和射流直径的增大都会增加破岩的深度;射流垂直入射时,破岩效果最好;射流束数和破岩深度成反比。以本文研究结果指导实际现场操作,可以有效提高破岩效率。