基于岩石塑脆性临界破碎理论的高效破岩PDC钻头研制与应用

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作者 祝效华 胡海 +4 位作者 刘伟吉 冯少波 何灵 田万顷 梁红军 《天然气工业》 北大核心 2025年第5期102-112,共11页

塔里木盆地作为中国最大的含油气盆地,油气资源丰富,勘探开发潜力巨大。然而,塔里木盆地寒武系发育巨厚白云岩,其岩石强度大、可钻性极差,导致传统PDC(Polycrystalline Diamond Compact)钻头在白云岩地层中的机械钻速低、单只钻头进尺... 塔里木盆地作为中国最大的含油气盆地,油气资源丰富,勘探开发潜力巨大。然而,塔里木盆地寒武系发育巨厚白云岩,其岩石强度大、可钻性极差,导致传统PDC(Polycrystalline Diamond Compact)钻头在白云岩地层中的机械钻速低、单只钻头进尺少。为此,针对塔里木盆地寒武系白云岩地层进行了包括内部结构、力学特性、研磨性与可钻性的综合研究和分析,然后结合已有的白云岩地层钻头结构,优选了主切削齿类型、冠部曲线及刀翼参数,在岩石塑—脆性临界破碎理论的指导下,优化了布齿参数、水力结构,最终形成了适用于寒武系白云岩地层的新型高效PDC钻头并开展了现场试验。研究结果表明:①白云岩地层非均质性强、结构致密、强度大,单轴压缩强度达221.51 MPa,具有中等研磨性并且在高围压条件下的可钻性极差;②PDC钻头采用“浅锥型冠部+长保径段”结构,能够有效降低扭矩波动,进而提升钻头在白云岩地层中的钻进稳定性;③基于塑—脆性临界破碎理论设计的高效破岩PDC钻头在寒武系白云岩层段的提速效果显著,总进尺为603 m,机械钻速为2.87 m/h。结论认为,设计的DS675H钻头经现场应用打破了目前塔里木盆地白云岩地层单只钻头进尺最长和机械钻速最快纪录,为后续寒武系及其以下地层高效钻井提供了技术储备,为深部难钻地层钻井提速提效提供了技术支撑。 展开更多

关键词 塔里木盆地 寒武系 白云岩 PDC钻头 异形齿 塑—脆性 高效破岩 钻井提速

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基于试验和数值模拟的滚刀旋转破岩受力和效率研究

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作者 张弛 邓龙传 +3 位作者 庄欠伟 李晓昭 王秋平 乔梁 《岩土力学》 北大核心 2025年第9期2995-3006,共12页

提高滚刀破岩效率和减轻磨损始终是硬岩掘进中一项具有挑战性的任务,因此在实际工程之前关键是确定最佳掘进参数。模型试验对于分析滚刀荷载性能至关重要,采用了新型全尺寸旋转破岩平台以研究滚刀受力特征并获得最佳掘进参数。此外,采... 提高滚刀破岩效率和减轻磨损始终是硬岩掘进中一项具有挑战性的任务,因此在实际工程之前关键是确定最佳掘进参数。模型试验对于分析滚刀荷载性能至关重要,采用了新型全尺寸旋转破岩平台以研究滚刀受力特征并获得最佳掘进参数。此外,采用了有限元法来深化试验分析并提出新见解。基于模型试验初步揭示了滚刀破岩受力和效率随切削深度和切削半径的变化:确定了100 mm刀间距的最佳切削深度为6 mm;随着切削深度增加,岩渣累计百分比先减小后增大;根据滚刀侵入过程的裂纹扩展特征证明了有限元数值模型的准确性,法向滚刀破岩性能数值结果与模型试验结果一致。试验结果为优化刀盘布局和减少滚刀磨损提供了数据支撑。 展开更多

关键词 旋转切削平台 滚刀 有限元法 破岩效率 机械开挖

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异形磨鞋齿钻磨水泥塞影响规律研究

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作者 李明慧 付悦 +3 位作者 沈瑷伦 管锋 田海锋 李梓睿 《石油机械》 北大核心 2025年第4期1-8,共8页

针对国内钻塞作业中异形磨鞋齿钻磨水泥塞影响规律不清晰的问题,基于弹塑性力学和岩石力学理论,以Drucker-Prager准则作为水泥塞的强度准则,以Ductile-Damage准则作为水泥塞的失效准则,采用数值模拟方法,针对圆柱齿、星形齿、金字塔齿... 针对国内钻塞作业中异形磨鞋齿钻磨水泥塞影响规律不清晰的问题,基于弹塑性力学和岩石力学理论,以Drucker-Prager准则作为水泥塞的强度准则,以Ductile-Damage准则作为水泥塞的失效准则,采用数值模拟方法,针对圆柱齿、星形齿、金字塔齿和三棱锥齿等4种磨鞋异形齿单齿破岩效率及影响规律进行了研究。应用ABAQUS软件建立了4种磨鞋异形齿单齿破碎水泥塞三维有限元模型,对比分析出破岩效率最高的磨鞋齿,并在此基础上分析了前倾角、切削深度和切削速度等3种切削参数对其破碎比功的影响。研究结果表明:3种异形齿均比圆柱齿更易破碎水泥塞,其中三棱锥齿破碎比功最小,破岩效率最高;三棱锥齿的破碎比功随着深度的增加而减小,随着前倾角的增加先增大后减小,随着速度的增加而增加,并得到了最佳参数区间,即切削深度1~2 mm、前倾角10°~15°、切削速度7.69~10.26 m/s时为最佳参数区间,可以保证平均力和破碎比功较小的同时破碎更大体积的岩石。研究结果可为钻塞作业中磨鞋齿的选择及钻井参数的优选提供依据。 展开更多

关键词 钻塞作业 磨鞋 破岩效率 异形齿 切削深度 前倾角 切削速度

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双模盾构在不同模式下掘进性能与滚刀寿命研究

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作者 杨延栋 周凯 +3 位作者 周建军 王承山 李帅远 杨国军 《铁道标准设计》 北大核心 2025年第6期151-157,共7页

为了评价双模盾构在不同模式下的掘进性能与滚刀寿命,针对深大城际铁路先开段隧道工程左右线479~562环全断面微风化花岗岩的盾构掘进段,采用数理统计的研究方法,统计分析双模盾构在基本相同地层、不同掘进模式条件下的掘进参数与滚刀磨... 为了评价双模盾构在不同模式下的掘进性能与滚刀寿命,针对深大城际铁路先开段隧道工程左右线479~562环全断面微风化花岗岩的盾构掘进段,采用数理统计的研究方法,统计分析双模盾构在基本相同地层、不同掘进模式条件下的掘进参数与滚刀磨耗数据。结果表明,当盾构推力、贯入度、贯入指数3个参数接近的情况下,TBM掘进模式比EPB掘进模式掘进工效提高约50%,破岩能效提高约15%;双模盾构在TBM模式下提高刀盘转速是提升掘进效率的重要措施,降低土仓内岩渣的堆积高度是提升破岩能效的重要措施;刀盘上绝大部分位置的滚刀在TBM模式下的累计磨损量和破岩体积磨损速率均小于EPB模式,EPB相比TBM模式滚刀寿命缩短44%,TBM相比EPB模式滚刀寿命提高78%,双模盾构在EPB模式下降低土仓内岩渣的堆积高度是提高滚刀寿命的重要措施。建议双模盾构在EPB模式下尽量降低土仓底部岩渣堆积高度,在TBM模式下尽量提高刀盘转速,有利于提高双模盾构掘进性能、延长滚刀寿命。 展开更多

关键词 铁路隧道 双模盾构 掘进性能 滚刀寿命 掘进参数 滚刀磨耗 掘进工效 破岩能效

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异形齿切削破碎页岩的试验与数值模拟研究 被引量：2

5

作者 温博 张春亮 +2 位作者 吴昊 任海涛 杨迎新 《石油机械》 北大核心 2024年第1期11-19,共9页

针对PDC钻头在页岩气钻井中破岩效率低和寿命短的问题,开展异形齿切削破碎页岩机理研究。选用凹面齿、斧形齿、三棱齿等典型异形齿开展切削页岩过程、切削载荷的试验研究,利用数值模拟分析异形齿切削过程中岩石的损伤特性。试验结果表明... 针对PDC钻头在页岩气钻井中破岩效率低和寿命短的问题,开展异形齿切削破碎页岩机理研究。选用凹面齿、斧形齿、三棱齿等典型异形齿开展切削页岩过程、切削载荷的试验研究,利用数值模拟分析异形齿切削过程中岩石的损伤特性。试验结果表明:切削齿切削页岩过程中,出现了镜面和“卷屑”等硬塑性特征;凹面齿切削载荷和破岩比功小于其他齿型;平面齿和三棱齿随着前倾角的增加,切削载荷呈增大趋势;凹面齿和斧形齿对前倾角的变化不敏感,且凹面齿在前倾角为10°时破岩效果最好;在相同条件下,4种齿型中凹面齿形成的岩屑最大,利于破岩效率的提高。模拟结果表明:切削过程中凹面齿以“铲削”的方式破碎岩石,三棱齿和斧形齿的棱脊对岩石产生明显的挤压效果;三棱齿沿着棱脊将岩屑一分为二向两侧排出,而斧形齿在块体岩屑的中间部分形成了明显的塑性变形。研究结果可为页岩气钻井提速增效提供基础支撑。 展开更多

关键词 PDC钻头 异形齿 破岩 效率 载荷 能耗 岩屑

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基于线性切割试验碴片分析的滚刀破岩效率研究 被引量：30

6

作者 龚秋明 周小雄 +2 位作者 殷丽君 何冠文 苗崇通 《隧道建设》 北大核心 2017年第3期363-368,共6页

为了研究碴片形状与TBM破岩效率之间的关系,应用机械破岩试验平台对北山花岗岩进行线性切割试验。通过对试验所形成的碴片进行粗糙度指数、扁平度以及长轴分析,发现不同滚刀间距及贯入度下所形成的碴片有很好的规律。TBM破岩效率越高,... 为了研究碴片形状与TBM破岩效率之间的关系,应用机械破岩试验平台对北山花岗岩进行线性切割试验。通过对试验所形成的碴片进行粗糙度指数、扁平度以及长轴分析,发现不同滚刀间距及贯入度下所形成的碴片有很好的规律。TBM破岩效率越高,所形成的碴片大岩块的长轴更长,粗糙度指数更大,同时碴片也更加扁平。将粗糙度指数与比能进行回归分析,二者具有很好的线性关系。对于北山花岗岩,当刀间距与贯入度的比值为40左右时,TBM破岩效率最高。因此,碴片分析对评价TBM的破岩效率和优化施工具有重要意义。 展开更多

关键词 TBM 碴片 破岩效率 滚刀破岩试验 线性切割试验

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PDC钻头布齿参数与地层适应性的试验研究 被引量：21

7

作者 邹德永 徐城凯 +2 位作者 易杨 陈修平 于金平 《天然气工业》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第9期85-90,共6页

根据地层性质合理选择或设计PDC钻头可以显著提高钻井效率。为指导PDC钻头合理选型及个性化设计,选取21只试验钻头,在6种不同可钻性级别的岩石上进行钻进试验,研究了在钻进不同可钻性级别的岩石中切削齿尺寸、后倾角、布齿密度的合理取... 根据地层性质合理选择或设计PDC钻头可以显著提高钻井效率。为指导PDC钻头合理选型及个性化设计,选取21只试验钻头,在6种不同可钻性级别的岩石上进行钻进试验,研究了在钻进不同可钻性级别的岩石中切削齿尺寸、后倾角、布齿密度的合理取值问题。结果表明:(1)当岩石可钻性级别小于Ⅲ时,破岩效率随切削齿尺寸的增大而增大;(2)当岩石可钻性级别大于Ⅲ时,16 mm切削齿的破岩效率最高;(3)切削齿尺寸对破岩效率产生不同影响规律的岩石可钻性级值分界点为3.11;(4)在6种不同可钻性级别的岩石中,随切削齿后倾角增大,破岩效率均呈线性规律降低,但随着岩石可钻性级别的增大,后倾角对破岩效率的影响程度降低;(5)在不同可钻性级别的岩石中,随着布齿密度增大,破岩效率均呈幂函数规律降低。该研究成果为按岩石可钻性级别合理选择PDC钻头提供了依据。 展开更多

关键词 PDC钻头 台架试验 破岩效率 切削齿尺寸 切削齿后倾角 布齿密度 岩石可钻性 地层适应性

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非平面三棱形PDC齿破岩机理研究与现场试验 被引量：15

8

作者 刘建华 令文学 王恒 《石油钻探技术》 CAS CSCD 北大核心 2021年第5期46-50,共5页

非平面三棱齿的破岩机理不清晰,导致三棱齿PDC钻头达不到预期的破岩效果。为此,采用有限元法对非平面三棱齿进行数值模拟分析,分析破岩过程中的各项切削力的变化规律,研究其破岩机理。数值模拟和刮切试验结果表明,三棱齿与平面PDC齿在... 非平面三棱齿的破岩机理不清晰,导致三棱齿PDC钻头达不到预期的破岩效果。为此,采用有限元法对非平面三棱齿进行数值模拟分析,分析破岩过程中的各项切削力的变化规律,研究其破岩机理。数值模拟和刮切试验结果表明,三棱齿与平面PDC齿在破岩过程中的岩石受力状态存在明显的差异,相同条件下三棱齿切削破碎砂岩时的切向力及切向力的波动幅度均小于常规平面齿。三棱齿PDC钻头现场试验表明,其在研磨性高、冲击性强地层中的破岩效率较高,抗冲击性能较好。研究表明,三棱齿主要通过拉剪作用破坏岩石,切向力和扭矩更小,抗冲击性和耐磨性更高,能够提高破岩效率、延长钻头使用寿命。 展开更多

关键词 三棱齿 非平面 破岩机理 数值模拟 切削试验 现场试验

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锥形聚晶金刚石复合片钻头(PDC)齿与常规PDC齿破岩效果对比试验 被引量：12

9

作者 孙源秀 邹德永 +1 位作者 徐城凯 郭玉龙 《科学技术与工程》 北大核心 2015年第36期159-162,共4页

为对比分析锥形PDC齿与常规PDC齿在不同岩样上的破岩效果,通过单齿破岩试验,分析了不同磨损高度的常规PDC齿与锥形PDC齿在钻压影响下的破岩规律。结果表明:在一定的钻压下,锥形齿在钻进硬度较小的岩石(灰板岩、绿板岩、大理岩)时,相比... 为对比分析锥形PDC齿与常规PDC齿在不同岩样上的破岩效果,通过单齿破岩试验,分析了不同磨损高度的常规PDC齿与锥形PDC齿在钻压影响下的破岩规律。结果表明:在一定的钻压下,锥形齿在钻进硬度较小的岩石(灰板岩、绿板岩、大理岩)时,相比无磨损PDC复合片的切削深度较小,但远大于磨损了的PDC复合片的切深;随着岩石硬度的增大,锥形齿的切削深度越接近无磨损的PDC齿;在钻进较硬的岩石(石灰岩、玄武岩)时,当钻压小于某一值时,锥形齿的切削深度小于无磨损PDC复合片;当钻压大于该值时,锥形齿的切削深度则大于无磨损PDC复合片。试验结果为复合片-锥形齿混合钻头设计提供了理论支撑。 展开更多

关键词 锥形聚晶金刚石复合片钻头(polycrystallic DIAMOND COMPACT bit PDC)齿 磨损高度 切削深度 破岩效率

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高频扭转振动对钻井过程破岩特性的影响研究 被引量：6

10

作者 田家林 付传红 +1 位作者 庞小林 杨琳 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2016年第5期792-798,934,共7页

为了研究高频扭转振动钻井对PDC(Polycrystalline Diamond Compact)钻头破岩的影响,基于弹塑性力学和机械振动原理,分别建立切削齿的切削模型和岩石的振动方程,并指出了岩石的响应特点。通过岩石的应力-应变试验,得到了岩石的等效塑性... 为了研究高频扭转振动钻井对PDC(Polycrystalline Diamond Compact)钻头破岩的影响,基于弹塑性力学和机械振动原理,分别建立切削齿的切削模型和岩石的振动方程,并指出了岩石的响应特点。通过岩石的应力-应变试验,得到了岩石的等效塑性应变率与岩石剥落之间的关系。依据现场试验与分析计算,研究了高频扭转振动频率对钻井机械钻速的影响。研究结果表明:当钻井扭振频率为岩石的共振频率时,岩石的塑性应变率为1.5%,钻井的机械钻速为6.3mm/s。研究方法与结论对于利用高频扭振提高破岩效率研究具有重要的应用意义。 展开更多

关键词 高频 扭转振动 PDC钻头 切削齿 破岩效率

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刃型参数对滚刀破岩影响的线性切割试验 被引量：9

11

作者 龚秋明 吴帆 +2 位作者 马帅 郑彦龙 殷丽君 《中南大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期1098-1108,共11页

采用北京工业大学自主研制的机械破岩试验平台,分别应用V刃、平刃和圆刃滚刀对重庆青砂岩进行线性切割破岩试验。基于破岩现象和试验数据,从滚刀力、刀刃应力、比能和岩渣等方面研究刃型参数对滚刀破岩机理和效率的影响,并讨论不同刃型... 采用北京工业大学自主研制的机械破岩试验平台,分别应用V刃、平刃和圆刃滚刀对重庆青砂岩进行线性切割破岩试验。基于破岩现象和试验数据,从滚刀力、刀刃应力、比能和岩渣等方面研究刃型参数对滚刀破岩机理和效率的影响,并讨论不同刃型滚刀的适用性。研究结果表明:刃型参数会影响岩石内部裂纹扩展模式,改变滚刀破岩机理。圆刃滚刀的破岩曲线呈线性增长趋势,刀尖接触应力较高,滚刀力较小,刀刃下方径向裂纹扩展充分,岩片多为“两侧薄、中间厚”,滚刀更容易侵入岩石,但滚刀的受力状态不好;平刃滚刀的破岩曲线呈幂函数增长趋势,刀尖接触应力小,岩石损失范围更小,破岩裂纹平直扩展并产生扁平状岩片,破岩相对较难,但刀具受力状态较好;V刃滚刀破岩性能介于圆刃与平刃滚刀之间。无论何种刃型的滚刀,随着贯入度增加,岩石内部裂纹扩展范围加大,刀刃接触应力呈降低趋势。对于重庆青砂岩而言,圆刃滚刀比能最低,破岩效率最优。 展开更多

关键词 滚刀刃型 线性切割试验 破岩效率 刀刃应力 岩渣参数

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椭圆形与圆形PDC齿破岩有限元仿真对比分析 被引量：8

12

作者 伍开松 邓敏凯 杨迎新 《石油机械》 北大核心 2011年第5期30-33,96,共4页

为了观察椭圆形PDC齿的切削效果,用ABAQUS软件模拟椭圆形PDC齿切削岩石的瞬时切削过程,并提取切削数据与截面面积相同的圆形齿仿真结果进行对比,分析椭圆形齿在切削岩石过程中的优势以及破岩效果。结果表明,在同等切削条件下,前倾角在15... 为了观察椭圆形PDC齿的切削效果,用ABAQUS软件模拟椭圆形PDC齿切削岩石的瞬时切削过程,并提取切削数据与截面面积相同的圆形齿仿真结果进行对比,分析椭圆形齿在切削岩石过程中的优势以及破岩效果。结果表明,在同等切削条件下,前倾角在15~25°之间时,系统对椭圆形PDC齿所输出的功与圆形PDC齿相差不大,但椭圆齿局部最大应力要比圆形齿小得多,椭圆形齿所受的疲劳应力要比圆形齿小,岩石对圆形PDC齿的破坏力较强;用椭圆形PDC齿切削岩石时建议采用前倾角为20~25°之间的值。 展开更多

关键词 椭圆形 PDC齿 岩石 切向接触力 塑性能耗 破岩效率

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TBM滚刀切削温度对破岩效率影响的研究 被引量：4

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作者 刘洪斌 穆伟涛 +1 位作者 肖慧娜 李萍瑛 《机械设计与制造》 北大核心 2017年第2期207-209,共3页

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... 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。 展开更多

关键词 滚刀 切削温度 破岩效率 ABAQUS

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高压CO_(2)射流—PDC齿复合破岩流场及携岩增强机理 被引量：10

14

作者 蔡灿 高超 +3 位作者 王海柱 蒲治成 谭政博 杨显鹏 《天然气工业》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第10期101-108,共8页

对于深井难钻地层采用欠平衡气体钻井技术,可以显著提高机械钻速、延长钻头寿命、减轻地层损害,但现有的欠平衡空气钻井技术存在着井底燃爆风险较大、喷嘴低喷射压力的破岩及携岩效率差等问题。为此,提出了高压CO_(2)气体射流—PDC齿复... 对于深井难钻地层采用欠平衡气体钻井技术,可以显著提高机械钻速、延长钻头寿命、减轻地层损害,但现有的欠平衡空气钻井技术存在着井底燃爆风险较大、喷嘴低喷射压力的破岩及携岩效率差等问题。为此,提出了高压CO_(2)气体射流—PDC齿复合破岩技术,并采用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟软件与实验室试验相结合的方法,分析了喷嘴直径、喷距、压降对高压CO_(2)射流—PDC齿复合破岩井底流场的影响,进而分析了井底高压CO_(2)射流携岩增强的机理。研究结果表明:(1)提高喷嘴压降和增大喷嘴直径有利于增强射流对岩石的打击效果,增大喷嘴直径还可以增加射流冲击范围;(2)增大喷距会导致高压CO_(2)射流对岩石表面打击力大幅度降低;(3)岩屑的运移轨迹规律在有、无射流切削的情况下差别明显,花岗岩在射流的作用下,切削齿前部的累积岩屑很少,岩屑在射流携带作用下沿切削齿两侧呈扇形向后运移;(4)高压气体射流可以显著提高岩屑的排出,进而提高PDC齿切削效率。结论认为,该研究成果可以指导高压CO_(2)射流—PDC齿复合破岩工具的研制,有助于欠平衡高压气体钻井技术的进一步完善。 展开更多

关键词 高压CO_(2)射流—PDC齿 复合破岩 井底流场 破岩效率 携岩增强 实验研究 数值分析

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基于单齿破岩有限元模拟的黏滑振动机理研究 被引量：4

15

作者 贺振国 石李保 +3 位作者 李灵樨 孔璐琳 张小宁 刘新云 《石油机械》 北大核心 2021年第5期17-26,共10页

油气勘探开发中深部复杂地层具有孔隙压力高、温度高、岩石硬度高、塑性强及可钻性差等特点,给钻井作业带来了诸多困难,为此,进行了钻头齿破岩黏滑振动机理研究。通过单齿切削数值模拟及试验,研究在破岩过程中钻头齿与岩石的作用方式、... 油气勘探开发中深部复杂地层具有孔隙压力高、温度高、岩石硬度高、塑性强及可钻性差等特点,给钻井作业带来了诸多困难,为此,进行了钻头齿破岩黏滑振动机理研究。通过单齿切削数值模拟及试验,研究在破岩过程中钻头齿与岩石的作用方式、破碎微观过程,以及在不同钻压及岩性条件下钻齿切深、破岩载荷及破碎效率之间的关系。研究结果表明:在不同模拟条件下,切削载荷波动随钻头齿切削深度的增加而增大,切削深度变化会改变岩石的塑-脆性破坏形式;钻头齿切深突增导致钻柱扭矩不足以克服岩石阻力,钻头转速的低频振动终止,动态平衡打破,从而导致黏滑振动的发生。研究结果可以为提高钻井效率及高效开发深部油气资源提供理论参考。 展开更多

关键词 单齿破岩 黏滑振动 有限元 动态模拟 切削深度

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旋切方式作用的新型钻头破岩特性与试验分析 被引量：1

16

作者 田家林 刘刚 +4 位作者 杨琳 付传红 朱永豪 庞小林 李友 《中国石油大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第3期156-164,共9页

在分析传统三牙轮钻头破岩特性的基础上,提出一种旋切方式破岩的新型钻头(旋切钻头)。运用柱坐标与复合运动原理,建立破岩过程切削齿的位置方程、速度方程和加速度方程。同时结合算例参数,分析不同齿圈切削齿破岩过程接触段上的速度和... 在分析传统三牙轮钻头破岩特性的基础上,提出一种旋切方式破岩的新型钻头(旋切钻头)。运用柱坐标与复合运动原理,建立破岩过程切削齿的位置方程、速度方程和加速度方程。同时结合算例参数,分析不同齿圈切削齿破岩过程接触段上的速度和加速度分布规律。根据加速度计算结果进行切削齿破岩工作力学和失效机制研究。结果表明:在钻进过程中,旋切钻头的切削齿以冲击、旋切方式破岩,不同齿圈切削齿同时切削井壁,且大齿圈切削齿过井眼中心,运动速度快,可有效地提高钻头心部破岩效率。试验结果验证了算例分析和计算方法的正确性,建立的计算方法修正了现有研究的部分错误,且适用于其他牙轮钻头与复合钻头的研究。 展开更多

关键词 钻头 破岩 旋切 效率 机械钻速 试验

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硅质白云岩PDC钻头齿型优选实验研究 被引量：10

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作者 邹德永 任尊亮 +2 位作者 陈雅辉 潘龙 崔煜东 《钻采工艺》 CAS 北大核心 2021年第6期19-24,共6页

当钻遇硅质白云岩地层时,由于对PDC钻头齿破碎硅质白云岩地层的规律认识不清、选齿的盲目性,造成钻头出现打滑、崩齿、使用寿命短等问题。文章对可钻性级值为6.8级的硅质白云岩进行了常规齿、斧形齿及三棱齿的单齿破岩效率实验。通过实... 当钻遇硅质白云岩地层时,由于对PDC钻头齿破碎硅质白云岩地层的规律认识不清、选齿的盲目性,造成钻头出现打滑、崩齿、使用寿命短等问题。文章对可钻性级值为6.8级的硅质白云岩进行了常规齿、斧形齿及三棱齿的单齿破岩效率实验。通过实验结果发现,在相同切削条件下,斧形齿吃入岩石的深度最大,在切削岩石的过程中受到的切向力最小,发生粘滑振动的概率更低;其次为三棱齿;常规齿吃入岩石的深度最小,受到的切向力最大,发生粘滑振动的概率更高。其中,常规齿受到的切向力标准值是斧形齿的2.6倍,三棱齿受到的切向力标准值是斧形齿的1.7倍。通过对斧形齿破岩规律研究,斧刃角110°、直径13 mm的斧形齿的后倾角设置为15°时破岩效率最高。研究结果对适用于硅质白云岩地层PDC钻头切削齿的选型和钻头优化设计提供了重要依据。 展开更多

关键词 硅质白云岩 单齿破岩效率实验 斧形齿 切向力 粘滑振动 破岩规律

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PDC切削齿破碎干热岩数值模拟 被引量：38

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作者 祝效华 但昭旺 《天然气工业》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第4期125-134,共10页

开采干热岩地热资源大多都需要在硬度大、研磨性强、可钻性差、温度高的地层中钻井,PDC钻头的合理布齿是提高破岩效率的关键。为了给干热岩钻井用PDC钻头的设计提供参考,基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的强度准... 开采干热岩地热资源大多都需要在硬度大、研磨性强、可钻性差、温度高的地层中钻井,PDC钻头的合理布齿是提高破岩效率的关键。为了给干热岩钻井用PDC钻头的设计提供参考,基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的强度准则,建立了PDC切削齿动态破岩的三维数值仿真模型,研究了60 MPa围压条件下切削深度、温度、后倾角、切削速度对PDC切削齿破岩效率的影响以及影响机理。研究结果表明:①PDC切削齿以0.5 m/s的速度切削岩石,PDC切削齿(后倾角5°～25°)的破岩比功随切削深度的增加而减小,随温度的增加呈现出先增大后减小的趋势,临界温度为200℃;②PDC切削齿以0.5 m/s切削速度切削岩石,PDC齿(切削深度1～3 mm)的破岩比功随后倾角增加呈现出先减小后增大的趋势,最优破岩后倾角为20°;③岩石温度处于20～300℃的范围内,PDC齿以后倾角5°进行破岩,破岩比功随切削速度的增加而增大,任意切削速度下,破岩比功随切削深度的增加而减小。结论认为:在干热岩钻井中,采用浅内锥、大冠顶、长外锥的钻头外形结构,增加冠顶处布齿密度、降低中心处布齿密度、20°后倾角,可以释放岩石围压、均匀切削齿磨损、增加切削深度、降低破岩比功、提高钻井效率。 展开更多

关键词 干热岩 地热开采 PDC切削齿 破岩比功 破岩效率 数值模拟 DRUCKER-PRAGER准则 后倾角

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异形单牙轮钻头破岩仿真及齿形选择 被引量：2

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作者 邓嵘 敖建章 +1 位作者 杨松 安美 《石油机械》 北大核心 2014年第12期11-16,共6页

为了给异形单牙轮钻头每个齿圈选择出破岩效率较高的齿形,进而达到提高整个钻头破岩效率的目的,对异形单牙轮钻头破岩机理进行了研究,建立了异形单牙轮钻头与岩石相互作用的仿真模型,通过有限元分析软件LS-DYNA对钻头的破岩过程进行了仿... 为了给异形单牙轮钻头每个齿圈选择出破岩效率较高的齿形,进而达到提高整个钻头破岩效率的目的,对异形单牙轮钻头破岩机理进行了研究,建立了异形单牙轮钻头与岩石相互作用的仿真模型,通过有限元分析软件LS-DYNA对钻头的破岩过程进行了仿真,而且通过物理试验对仿真结果进行了验证,并将试验结果与仿真结果进行了对比。建模时牙齿和岩石单元划分均采用三维8节点实体单元3DSOLID164,对岩石的周围和底边采用无放射边界条件并进行全方位约束。分析结果表明,用LS-DYNA仿真软件可以对单牙轮钻头的破岩过程进行较真实的计算机仿真,且能得出理想的结果;异形单牙轮钻头小端齿刮切量较大,大端齿冲击量较大,在为这些齿圈选择和设计牙齿时应综合考虑。 展开更多

关键词 异形单牙轮钻头 破岩机理 牙齿 齿圈 破碎坑 仿真

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混合式单牙轮钻头破岩性能研究 被引量：7

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作者 邓嵘 侯凯 +1 位作者 李孟华 李向东 《工程设计学报》 CSCD 北大核心 2018年第3期262-269,共8页

在石油钻探过程中,优质的钻头对于降低钻井成本和提高钻井效率至关重要。通过设计,将牙掌结构与牙轮结构相连接,并且分别在牙轮和牙掌上安装锥形齿和PDC齿,从而设计出一种新型的混合式单牙轮钻头。该混合式单牙轮钻头较一般单牙轮钻头多... 在石油钻探过程中,优质的钻头对于降低钻井成本和提高钻井效率至关重要。通过设计,将牙掌结构与牙轮结构相连接,并且分别在牙轮和牙掌上安装锥形齿和PDC齿,从而设计出一种新型的混合式单牙轮钻头。该混合式单牙轮钻头较一般单牙轮钻头多了PDC齿,利用冲击和剪切原理破岩。牙轮大端通过井底中心,所有齿圈与井壁接触,在破岩的同时可以起到保径作用。建立了混合式单牙轮钻头与岩石相互作用的有限元模型,并对钻头井底模型、牙齿主切削力和破岩体积进行了仿真分析。通过台架实验对数值模拟得到的钻压和进尺量进行验证。研究结果表明,数值模拟得到的钻压和进尺量与台架测试结果相符,破岩载荷规律与钻头结构设计特点一致。混合式单牙轮钻头与球形单牙轮钻头相比,侧向力减小39.6%,破岩效率提高37%。使用该混合式单牙轮钻头钻井时稳定性更高,可以减小井斜发生的概率。根据结果可知,数值模拟在研究该混合式单牙轮钻头破岩规律中是有效的,该方法为钻头进一步设计及其工作特性的评估提供了依据。 展开更多

关键词 混合式单牙轮钻头 数值模拟 侧向力 破岩效率

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