旋转流场下PDC钻头的数值模拟仿真

利用fluent软件对简化的PDC钻头进行了三维旋转流场和非旋转流场的数值仿真。结果表明:钻头底部流道的逆流,是由于井底的特殊形状,致使高速流体与井壁碰撞,在黏性力的作用下造成的;钻头四个喷嘴正对分布时,钻头底部中心的涡旋,是由于喷嘴对称分布,使四股流体经井底相互碰撞,在黏性力的作用下造成的。由于涡旋会降低钻井液的携岩能力并对钻头造成磨损,所以有必要减少涡旋的产生。     

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。     

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。     

基于ABAQUS的三牙轮钻头轮体速比研究

研究轮体速比对岩石破碎机理研究和钻头设计具有重要的指导作用。使用ABAQUS有限元分析软件,建立了三牙轮全齿与岩石的互作用模型。通过仿真模拟得到了岩石上的齿坑、应力分布及各牙轮的轮体速比,并得出轮体速比随钻压增大而增大且趋于稳定。最后将仿真结果与现有的试验结果进行比较,验证了该仿真模拟的方法可较好估计三牙轮钻头的轮体速比。     

基于粒子群算法的自动送钻控制器仿真优化

针对液压盘式刹车自动送钻系统控制过程中影响因素的多样性,控制参数存在时滞、时变、非线性等特点,根据液压盘式刹车自动送钻系统的工作原理,建立数学物理方程并确定目标函数,设计了粒子群算法优化模糊控制器,对 PID 参数进行了整定。为了研究电液伺服阀与液压缸对自动送钻系统液压环节的控制效果,设计了液压调节闭环控制系统,并利用 MATLAB/Simulink仿真软件进行了动态仿真优化。首先使用临界比例度法对PID参数进行了整定,在此基础上,使用模糊控制工具搭建模糊规则对传递函数进行仿真,最后在MATLAB界面,对传递函数进行基于粒子群算法迭代寻优,优化控制系统所需参数。优化结果表明,粒子群优化模糊自适应 PID 控制器与传统的 PID 控制器和模糊自适应 PID 控制器相比,系统的自适应能力显著增强,超调量明显降低,调整时间更短,可以满足自动送钻系统的设计要求,特别适合应用在一种新型的基于井底钻压的自动送钻系统中。     

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。     

不同形状喷嘴的空化性能数值模拟研究

空化效应可在石油钻井中提高钻头钻速,为了获得不同形状喷嘴的空化性能,利使用FLUENT软件对常规型、扁平型、Y型、十字型、星型这5种形式喷嘴的空化效应进行了数值模拟仿真。研究结果表明:扁平型喷嘴经空化作用后气相具有较大的体积,星型喷嘴经空化作用后气相体积较小;喷嘴轴线上速度分布与喷嘴出口处的面积有关,面积越小轴线上的速度分布越大,但分布越不平稳;十字型喷嘴与常规型喷嘴的空化性能差异主要是由于常规型喷嘴内的湍动能强度较大造成的。喷嘴出口处的水力直径与空化作用后的气相分布具有较高的相关性。     

PDC钻头旋转流场与非旋转流场的模拟对比研究

在钻井过程中,当地层较软且含有大量黏度较高的物质时,如果不能及时排出岩屑,容易产生泥包,从而降低钻头钻速。对PDC钻头的旋转流场与非旋转流场进行数值模拟仿真,并通过DPM模型模拟岩屑在井底的运移。研究表明:岩屑的运移轨迹在旋转流场与非旋转流场的环空部位存在明显差异; 旋转流场岩屑侵蚀刀翼背部较多,非旋转流场岩屑侵蚀齿面较多; 刀翼冠部区旋转流场的速度相比非旋转流场的速度较小,刀翼内锥区旋转流场的速度相比非旋转流场的速度较大。