PDC钻头切削破岩机理及数值模拟研究

由于PDC钻头几何外形、岩石材料以及井底钻井工况的复杂性,PDC钻头切削破岩机理的研究一直都是难点问题。基于单齿切削机理,引入岩石比功ε,推导出钻井钻压W、扭矩t和切削厚度d之间的关系,建立切削比功E与钻井强度S的二维图;同时结合接触摩擦分量,分析并阐述了破岩过程的概念模型;通过有限元方法建立全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维仿真模型,开展PDC钻头切削破岩机理的研究,进一步分析PDC钻头破岩过程的响应规律。结果表明:岩石损伤与应力云图可直观反映钻井过程岩石损伤剥落形成井眼及井底应力分布状况;PDC钻头钻进方向的位移、加速度和扭矩响应规律与理论分析相一致,并揭示了PDC钻头钻进过程中的"进尺台阶"现象,亦佐证了破岩过程的概念模型。     

PDC钻头切削齿破岩技术研究

在钻井过程中,鉴于PDC钻头切削齿的布局对PDC钻头的稳定性和钻井效率起着关键作用,国外研发设计了一种新型切削齿布局方法.即以切削齿的力平衡组来布齿,该力平衡组包含3个或4个连续切削齿,这些切削齿均匀且按一定角度分布在钻头周围主刀翼和副刀翼上,通过调整连续齿之间的角度和径向半径使切削齿组达到力平衡.实验结果表明,该技术...     

新型斜控PDC钻头冠形设计与破岩机理研究

针对新型油气资源开采的复杂条件,为提高新形势下定向井造斜段井眼质量,提出一种新型斜控PDC钻头。首先根据刀翼线型轮廓设计准则,突破现有锥形心部曲线的局限,将传统锥形心部曲线变为圆弧过渡型曲线;综合考虑影响钻头造斜能力的关键因素,结合布齿参数与钻井实际工况,建立切削齿破岩过程的力学分析模型,然后在此基础上分析钻头造斜易控特性。研究结果表明:传统PDC钻头的锥形心部是制约钻头偏转的关键因素,钻头心部曲线变为圆弧轮廓后,其偏转易控特性得到较大提升。同时通过现场试验,将新型斜控PDC钻头与现有钻头的造斜段钻进性能进行对比,分析其定向钻进的破岩特性与造斜能力。研究结论对钻头破岩机理的研究及定向井技术的发展具有重要的参考价值。     

PDC钻头切削断面对破岩效率的影响

基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager 准则作为岩石的本构关系,采用剪切失效准则,在验证岩石模型及PDC齿破岩建模方法可行性的基础上,建立了PDC齿切削3种典型断面岩石的三维有限元模型,并针对井底不同围压,研究了切削断面的面积、切削齿的后倾角及侧转角对破岩效率的影响。结果表明：不论何种围压,减小切削断面的面积有利于岩石的破碎,且应多采用宽切削断面进行PDC钻头径向布齿;切削齿后倾角对岩石破碎效率影响大于切削齿的侧转角对岩石破碎效率影响,切削齿最优破岩后倾角在低围压下为5°,在高围压下为20°。     

硬地层复合钻头破岩特性与提速机理研究

PDC-牙轮复合钻头是一种综合了PDC钻头与牙轮钻头结构特点和工作原理的新型钻头,能更高效地钻进硬地层。但由于对其破岩机理认识不足,使得PDC-牙轮复合钻头的研发具有盲目性,推广受限。基于弹塑性力学和岩石破碎学,采用Drucker-Prager准则描述岩石本构关系,塑形应变作为破岩判据,通过有限元法建立全尺寸复合钻头和PDC钻头动态破岩的非线性动力学模型,分析了复合钻头作用下硬地层岩石的破坏机制,对比了硬地层中两种钻头的动态破岩过程。结果表明:复合钻头钻井能满足井壁稳定性的要求,然而一旦井壁失稳,井壁岩石将大块脱落;以拉应力破岩为主是复合钻头在硬地层中大幅提高机械钻速的原因之一;硬地层中复合钻头扭转振动低于PDC钻头,破岩效率更高;由于牙轮滚动的多边形效应,复合钻头沿钻进方向对岩石的冲击较PDC钻头更大,能更快钻进硬地层。     

基于ABAQUS的PDC钻头切削齿温度场分析与仿真

基于有限元分析软件ABAQUS的Drucker-Prager材料模型以及破坏准则,模拟PDC钻头切削齿在切削过程中的温度场,并讨论在切削过程中摩擦产生的热在切削齿后倾角的温度分布和磨损平面的温度分布情况。仿真分析结果能真实地表明在切削齿与岩石作用过程中的温度场、应力场的分布情况,为以后PDC钻头的设计提供有效的依据。     

异形PDC加强齿结构优化设计及有限元分析

针对PDC切削齿的机械磨损、崩裂、聚晶金刚石层剥离的失效形式,提出采用"异形(即非平面)结构设计的PDC加强齿",以提高其使用寿命。通过有限元分析PDC切削齿和"非平面结构设计的异形PDC加强齿"受力情况,结果表明:牙齿工作时的内应力分布及大小得到改善,异形结构进一步增强牙齿聚晶金刚石复合层与硬质合金基体的啮合力,可显著提高牙齿的抗剪破坏能力。特别对牙轮钻头的运动学特征及破岩特点的适应性探索和对今后相关学科研究有着重要的参考价值。     

截齿间距对掘进机破岩效果的影响分析

采用PFC3D离散元模拟仿真的方式对不同截齿间距下的断裂颗粒质量及截割比能耗进行分析.结果表明,在截齿间距与切削深度比值为4-6.25时,得到的岩层断裂颗粒的质量最大且此时增加的速度较大,比值为4～6时,得到的截割比能耗最低.依据截齿间距对破岩效果的影响规律可以为截齿间距的合理选择提供依据.     

混合钻头切削齿工作部位几何面离散化研究

为更好地研究混合钻头的性能,分析混合钻头与岩石相互作用机制,使用C#语言对混合钻头牙齿的几何表面进行离散化,再将离散化得到的数据导入MATLAB软件生成模型。结果表明：用离散点绘制的牙齿模型与牙齿的三维实体模型基本一致,牙齿离散化的可行性和准确度非常高。切削齿工作部位几何面离散化有利于改进牙齿设计,优化钻头结构,从而提高破岩效率,为后续钻头的工作行为研究及钻头与岩石相互作用的研究提供参考。     

TBM滚刀切削温度对破岩效率影响的研究

TBM滚刀破岩效率是衡量非开挖工程中滚刀破岩性能的关键指标,而切削温度又是影响TBM滚刀破岩的关键因素。为了深入研究切削温度对滚刀破岩效率的影响,运用ABAQUS有限元软件,模拟分析滚刀在不同温度时的复杂非线性动态响应过程。研究结果表明:在(50~300)℃范围内,随着温度的升高,滚刀和岩石的力学性能发生改变。滚刀受力先减小后增大,岩石破碎体积持续增大,导致滚刀破岩比能先减小后增大。155℃为滚刀理想切削温度,破岩效率最高。研究结果为TBM滚刀切削温度的选择研究提供了一定的理论依据。     

PDC刀具切削参数对切削力和表面粗糙度的影响

研究了PDC刀具的切削参数对切削力和表面粗糙度的影响。结果表明进给量和背吃刀量是影响切削力的主要因素,切削速度对切削力的影响较小。小进给量、高切削速度有助于提高工件表面光洁度。     

聚晶金刚石复合片的电火花线切割机理与形貌

开展了聚晶金刚石复合片（PDC）的电火花线切割实验，提出了PDC的电火花线切割模型。通过扫描电镜与拉曼光谱仪对切割试件进行显微观察与成分分析，发现聚晶金刚石层表面存在明显石墨化现象，而且聚晶金刚石层与硬质合金层之间的富钴界面层存在严重过量去除现象。按聚晶金刚石层、富钴界面层与硬质合金层三个部分剖析了PDC放电蚀除机理，并对PDC的电火花线切割热损伤进行了分析。研究表明，解决富钴界面层的过量去除问题是提高PDC电火花线切割加工质量的关键。     

磨损状况下聚晶金刚石钻头切削齿的切削参数求解

针对磨损状况下PDC钻头切削齿的切削参数预测方法尚未建立,无法很好地开展等磨损布齿设计的问题,建立了磨损齿的几何模型,并提出了求解切削参数的零点遍历法。基于MATLAB平台对零点遍历法进行编译,并对切削齿的切削弧长、切削面积和切削体积进行求解。结果表明,提出的零点遍历法能够用于磨损齿和未磨损齿的切削参数求解（误差在2%以下）;结合切削齿的受力与磨损模型,能够预测PDC钻头每颗齿的磨损趋势。     

全局力平衡PDC钻头布齿优化设计

针对聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在钻井破岩过程中因受力不平衡,导致钻井倾斜、井径扩大、钻头产生横向振动和涡动,造成钻头早期失效的问题,基于已有PDC钻头切削力学知识,构建了PDC钻头弯曲力矩及全局力平衡布齿优化设计模型,并提出模型求解方法。布齿设计实例结果表明,采用全局力平衡布齿设计方法得到的布齿结构可使PDC钻头在不同进尺条件下均能保持全局力平衡状态,尤其低进尺(小于1 mm)时的力平衡状态得到极大改善,提高了PDC钻头的钻井稳定性,对于改善钻头受力、提升钻头使用寿命、提高钻井质量与效率具有重要意义。     

电磁耦合处理对硬质合金刀具切削力的影响研究

为了研究电磁耦合处理对硬质合金刀具切削力的影响,利用电磁耦合设备对YT15硬质合金刀具进行强化处理,通过干车削40Cr试验研究不同电磁耦合处理参数情况下对刀具切削力的影响。结果表明,在适当的电磁耦合处理参数作用下刀具的总切削力大幅下降。通过采集到能反映切削过程稳定性的总切削力信号幅值,发现电磁耦合处理可以提高切削稳定性、延缓刀具磨损。建立了相应的修正后的电磁耦合处理刀具的切削力经验公式,分析了各切削要素对处理前后硬质合金刀具切削力的影响。     

自由切削阶梯端铣刀铣削力试验研究

在传统阶梯端铣刀大平面铣削加工中,能采用较大的切削深度、进给速度和较高的铣削速度以提高铣削效率,但切削深度不能大于刀片边长的2/3,刀具耐用度和生产率较低。本文介绍了一种自由切削阶梯端铣刀的基本理论,每齿进给量和切削深度较大,能有效提高加工效率。通过铣削力试验,证明该自由切削阶梯端铣刀的铣削力比传统端铣刀低30%以上,刀具耐用度提高。     

花岗岩加工中影响切削机理的关键因素研究

针对金刚石刀具加工花岗岩过程中,单颗粒切削和颗粒顺次切削实验的实施和分析困难的问题,采用非线性软件LS-DYNA建立切削的数值模型,根据得到的花岗岩有效应力云图分析其断裂破碎过程,获得切削过程中的切削力数值,研究不同的切削参数下单颗粒和颗粒顺次切削对切削性能的影响规律。准确地预测金刚石颗粒在切削中的切削力,其结果为后续的刀具的选择和设计、提高金刚石刀具的使用寿命和加工质量,以及具体工况下切削参数的选取提供了一定的依据。     

岩石切削过程中破坏机制的离散元分析

利用离散单元方法(DEM)对两种不同属性的花岗石样本模型进行了切割模拟,通过调整不同的切削参数计算并分析了岩石切削过程中的切削力、切削深度、切削比能及切削力倾角的变化规律,从细观上探讨了临界切深对岩石脆性破坏模式和塑性破坏模式及其转变的影响,指出了当切削深度逐渐增大时,破坏模式依次从塑性破坏模式到过渡破坏模式最后转变为脆性破坏模式,同时切削力倾角并不随切削深度变化。将离散单元法分析的结果与实际实验进行了比较,表明该方法是合理的。