硬地层中新型PDC齿破岩机理及试验研究

随着油气开采不断向深部硬地层发展,常规PDC（polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片）钻头出现破岩速度慢、易损坏、效率低等问题,难以满足当下提速增效的钻井需求。PDC切削齿结构是提高PDC钻头破岩效率的关键因素,针对不同岩石地层进行不同结构切削齿的设计具有重大意义。针对深部硬地层钻井,设计了一种非平面结构的新型PDC齿,该PDC齿具有脊形切削结构且可分层破碎岩石。为掌握此新型PDC齿的破岩机理和各项性能,采用有限元仿真模拟与试验相结合的方法,开展了新型PDC齿与常规PDC齿破岩过程的对比研究。结果表明：新型PDC齿在水平方向、横向和纵向三个方向所受切削力的均值及波动幅度均较小,因此新型PDC齿在破岩过程中有更稳定的切削能力;新型PDC齿受剧烈磨损和冲击崩断的可能性更小,使用寿命更长,且具有更高的破岩效率。研究结果可为新型PDC齿的研发和推广提供理论依据,为PDC钻头在硬地层钻井过程中实现提速增效提供支撑。     

岩弹冲击破岩规律试验研究EI北大核心CSCD

针对深部岩层掘进过程中钻具磨损快、掘进效率低等问题,基于粒子冲击破岩技术,提出采用高压气体驱动加速岩弹冲击预裂掘进面岩体,减少钻具磨损。通过SHPB试验和三维扫描试验,测试岩石破坏吸收能和新增表面积,构建岩石冲击破坏吸收能理论模型;采用自主研制的岩弹冲击破岩试验装置研究了气体压力、岩弹质量及岩性对破岩效果的影响。形成了以下结论:基于实测岩石破坏吸收能和新增表面积,得出试验花岗岩岩样比表面自由能γs为6.34 mJ/mm^(2);增大气体压力能够有效提高岩弹冲击动能,使花岗岩吸收能和新增表面积增大,同时岩弹破碎和弹射耗散能随之提高,岩弹冲击动能转化为花岗岩破坏吸收能效率降低;吸收能与岩弹质量和动能乘积成幂次方关系,保持气压不变,增大岩弹质量可在一定范围内提高岩弹冲击动能和花岗岩破坏吸收能,提升破坏效果。但过多提高岩弹质量,导致其动能降低,从而使吸收能转化效率降低。不同岩性的岩石比表面自由能不同,但气体压力、岩弹质量对不同岩性岩石冲击破坏效果的影响基本一致。研究结论为硬岩辅助掘进提供理论和技术支撑。     

基于SPH-FEM耦合算法的磨料水射流破岩数值模拟

磨料水射流破岩是一个涉及诸多因素的非线性冲击动力学问题。针对磨料水射流破岩过程的复杂性以及有限元分析法在处理超大变形问题时存在的网格畸变问题,基于光滑粒子(SPH)耦合有限元(FEM)的方法模拟了磨料水射流破岩过程,并结合模拟结果分析了在磨料浓度30%不同速度磨料水射流作用下岩石的损伤范围。其中磨料水射流采用SPH算法模拟,并通过修改关键字文件实现水与磨料两种不同组分,岩石采用H-J-C累计损伤模型。研究表明:岩石冲蚀坑首先成漏斗状,随着冲蚀坑不断加深,最终形成"V"形剖面和圆形截面组成的"子弹"体;损伤值由冲蚀坑沿径向方向向外急剧减少,岩石的损伤半径与冲蚀坑半径随着射流速度减小而减小,两者之比在1.8-2.2之间。计算结果与相关文献基本吻合,为研究磨料水射流破岩提供一种研究的方法。     

高频扭转冲击钻进的减振与提速机理研究

高频扭转冲击钻井是一种能大幅提高钻井效率的新兴钻井技术,但由于对其破岩机理认识不清,使得高频扭转冲击钻井技术未能在国内推广应用。基于弹塑性力学和岩石力学,采用Drucker-Prager准则作为岩石的本构关系,塑性应变作为岩石破碎的失效判据。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,分析了高频扭转冲击作用下硬地层中钻头的动态破岩过程。结果表明,高频扭转冲击钻进硬地层时拉应力与压应力区域交叉出现且以拉应力为主,较以压应力为主的常规钻进可大幅提高钻头的机械钻速;高频扭转冲击钻进有效地减弱了硬地层中钻头处的粘滑振动,大大地提高了钻头的破岩效率。研究成果有助于深化对高频扭转冲击破岩的认识,为高频扭转冲击钻井技术的应用提供理论依据。     

混合式单牙轮钻头破岩性能研究

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。     

盘形滚刀作用下岩石应变计算方法的探讨

全断面岩石掘进机盘形滚刀破岩机理是全断面岩石掘进机研制和应用领域研究的热点和难点。通过对盘形滚刀压痕试验、线性切槽试验和盘形滚刀滚压岩石的圆槽试验发现,盘形滚刀破岩方式不同,岩石剥落状况也不同。以此为研究基础,以盘形滚刀弧刃域与岩石的相互作用为研究对象,以盘形滚刀已有一定切深、逐步到达一定切深和盘形滚刀线性切槽为研究内容,探讨了盘形滚刀与岩石不同作用方式下的盘形滚刀弧形刃域相应点岩石位移和应变的计算理论和计算方法,导出了相应的计算公式,从而为盘形滚刀破岩机理的研究及其物理方程的建立奠定了基础。     

条形药包爆破破岩规律的试验研究

分析了前人关于爆破破岩机理论述方面的矛盾,通过高速摄影观察有机玻璃中条形袋药爆炸波和破裂缝发展规律,得到了关于条形药包爆破破岩规律方面的新认识。提出了冲击该、气体膨胀压和反射拉伸波在破岩过程中各自所起的不同作用。特别在此基础上推出了条形药包下破裂深度计算公式,对工程实践有积极的指导作用。     

基于TBM双滚刀破岩仿真的实验研究

为了提高滚刀破岩效率,探究滚刀间距及加载方式对全断面硬岩掘进机(Full Face Rock Tunnel Boring Machine,简称TBM)滚刀破岩效果的影响.以滚刀破岩机理、岩石破碎理论为基础,选择某类花岗岩,通过有限元分析软件ABAQUS建立一系列滚刀破岩模型,对TBM刀盘结构设计进行研究,模拟不同刀间距、不同加载方式的双滚刀对破岩效果影响.通过模拟分析得出:在一定地质条件下,滚刀顺次加载和同时加载时的最优刀间距均是80mm,但是顺次加载的破岩效果要优于同时加载.通过实验数据分析得出破岩比能在刀间距为80~90mm时最小,从而验证了仿真模拟的正确性与合理性.研究成果对于探究双滚刀破岩机理、加快国内TBM设计理论与工程应用研究有一定帮助.     

条形药包爆破破岩规律的试验研究

分析了前人关于爆破破岩机理论述方面的矛盾，通过高速摄影观察有机玻璃中条形袋药爆炸波和破裂缝发展规律，得到了关于条形药包爆破破岩规律方面的新认识。提出了冲击该、气体膨胀压和反射拉伸波在破岩过程中各自所起的不同作用。特别在此基础上推出了条形药包下破裂深度计算公式，对工程实践有积极的指导作用。     

棱锥齿-半抛齿物探钻头的设计及破岩仿真

在川渝地区复杂难钻地层的钻井勘探中,常规物探钻头存在破岩效率低、钻进速度慢、钻头使用寿命短、作业成本高等不足。因此,设计了棱锥齿和半抛齿两种新型硬质合金齿,并结合这2种齿的结构和工程实际设计了棱锥齿-半抛齿物探钻头,在钻头中间端面布置棱锥齿,边缘锥面均匀布置半抛齿。分析了棱锥齿和半抛齿的破岩机理,并采用有限元仿真方法,开展了棱锥齿与锥形齿、半抛齿与球形齿破岩的对比研究。结果表明：在冲击载荷和钻压作用下,相比于锥形齿,棱锥齿在岩石内部产生的应力更为集中;相比于球形齿,半抛齿切削刃切削挤压岩石时,在接触区域产生的应力更为集中;棱锥齿和半抛齿更容易破碎岩石,其破岩效率得到提高。开展了棱锥齿-半抛齿物探钻头和常规物探钻头的破岩仿真。结果表明：与常规物探钻头相比,棱锥齿-半抛齿物探钻头的钻进速度提升了38.3%,钻头的轴向加速度波动幅度减小了13%。研究结果可为棱锥齿-半抛齿物探钻头的研发提供理论支撑。     

纵轴式截割头截齿布置对破岩载荷规律的影响

为了研究截齿布置对纵轴式截割头破岩载荷规律的影响,在建立截割头破岩载荷数学模型的基础上,对3个不同截齿布置参数的截割头破岩载荷进行了仿真,得到了载荷波动曲线及其相关统计量.仿真结果表明载荷存在2个频率的波动：低频波动由螺旋线头数及其包角决定,波动频率等于螺旋线头数与截割头转频的乘积;较高频率的波动由截齿的不连续性引起,波动频率以截割头转频为基频,其大小与截齿周向间隔角有关;同等条件下,随着截齿周向间隔角θ_i的增加,载荷R_a,R_b,R_c,M_c的峰值和平均值依次增加,但其均方差和波动性系数依次减小.根据仿真结果总结出载荷波动频率的理论计算公式,这对纵轴式截割头的设计研究具有重要的理论指导意义．     

基于弹-塑-断裂理论的镐型截齿截割机理研究与实验验证

为研究镐型截齿在截割煤岩过程中的截割机理,建立镐型截齿外轮廓的数学模型,基于弹性力学、塑性力学和断裂力学等理论,提出了煤岩截齿截割力作用下发生弹-塑-断裂失稳理论模型,以此来描述截齿截割煤岩机理,并依据理论模型分别推导出煤岩在弹性变形、塑性变形和断裂失稳状态下截齿截割力以及煤岩应力表达式。最后采用自主搭建实验设备进行不同截割倾角的镐型截齿截割煤岩实验,实验结果表明:煤岩在截齿截割力作用过程中,随着截齿截割深度的增加,截齿与煤岩的接触面积逐步增大,煤岩存在弹性变形阶段、塑性变形阶段以及断裂失稳阶段并与理论模型相符;截割倾角为90°、75°、60°时,截齿截割阻力理论值与实验值的均方根误差分别为0.082 kN、0.199 kN、0.204 kN,理论值与实验值相差较小,验证理论模型的正确性。     

双顶角钻头钻削CFRP复合材料的刀具磨损机制

为了研究碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料切削中刀具在不同部位的磨损机制和规律,以典型的硬质合金双顶角钻头作为研究对象,主要研究对出口分层影响较大的横刃和对最终制孔成型影响较大的第二主切削刃的磨损机制及规律。通过减小磨损测量间隔,并引入切削刃钝圆半径以及后刀面磨损带宽度,表征了横刃和第二主切削刃在加工中的衰变过程。基于显微刃口观测和钝圆半径变化,揭示横刃易崩刃和第二主切削刃磨损后又受到重新刃磨的磨损机制,获得了此类型钻头不同部位的磨损规律。同时,基于上述的磨损表征,研究不同切削部位磨损量对钻削轴向力和力矩的影响,横刃轴向力与横刃钝圆半径变化相关性较小,而钻削最大力矩与第二主切削刃后刀面磨损变化规律相一致。     

PDC钻头布齿技术研究综述

PDC (polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头是当今油气钻井领域的主要破岩工具,具有耐磨性高、机械钻速高和破岩效率高等优点。PDC切削齿作为切削单元,决定了PDC钻头的破岩性能。PDC钻头布齿的目的是确定每颗PDC切削齿在钻头上的空间位置,使得钻头在钻井破岩时具有优良的性能和可靠的寿命。基于不同布齿技术设计的PDC钻头在钻井过程中表现出不同的破岩性能。因此,PDC钻头布齿技术得到了国内外学者的广泛关注。现已有大量学者针对PDC钻头自诞生以来的布齿技术做了相应研究,但目前仍缺乏系统性的总结。为此,以近年来国内外关于PDC钻头布齿技术的文献为基础,总结了PDC钻头自诞生以来的布齿技术的发展历程,主要包括早期布齿阶段、经典布齿阶段和现代布齿阶段。通过对PDC钻头布齿技术发展历程的分析与总结,指出复合PDC钻头、兼容智能化PDC钻头、长寿命PDC钻头、力平衡PDC钻头、冲击与振动下PDC钻头以及特殊地层下PDC钻头的布齿技术是未来的发展趋势。研究结果可为后续的PDC钻头布齿技术研究提供一定的参考,有望推动PDC钻头布齿技术的进一步发展。     

单齿切削破碎非均质花岗岩微宏观机理研究

深部难钻地层岩石硬度大、可钻性差等问题是制约深层非均质硬地层钻井提速的瓶颈问题,深入研究其切削破碎机理对于提高钻进速度、降低钻井成本有重要意义。该文采用离散元PFC2D—GBM (Particle Flow Code 2D—grain-based model)来模拟硬脆性的非均质花岗岩,研究了不同液柱压力、晶粒尺寸、晶粒随机分布特性、钻齿倾角、切削深度和速度等条件下的单齿切削破碎花岗岩机理。研究发现:晶间剪切裂纹和晶内拉伸裂纹是切削过程中花岗岩产生的两种主要裂纹类型;切削力随着切削行程表现出明显的波动,切削力大小急剧增大和降低,并且随着液柱压力、切削深度和切削齿倾角的增大表现得更加明显;液柱压力、晶粒尺寸和晶粒的随机分布特性对切屑形态有很大影响,相比之下,与上述三个因素相比,切削深度、刀具前角和切削速度对切屑形态影响不大。研究结果对于深入认识花岗岩切削破碎机理有重要意义,可为改进破岩钻头的设计提供依据。     

截齿截割煤岩的LS_DYNA仿真模拟

研究应用LS_DYNA软件进行煤岩截割破碎仿真的程式与方法,对悬臂式掘进机截割头上镐形截齿截割煤岩进行仿真模拟,在hypermesh中建立有限元网格模型,调用LS_DYNA971求解器进行求解,研究不同切削角对截齿截割阻力的影响以及切削厚度与比能耗之间的关系,并与常用的截齿截割阻力公式计算结果相比较,仿真结果证明了建模...     

考虑孔隙缺陷的CFRP微观切削仿真与实验研究

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在航空航天等领域应用广泛。在CFRP制造过程中难以避免会产生孔隙等缺陷,对后续的切削加工造成一定影响。在考虑了CFRP成型过程形成的孔隙缺陷基础上,运用有限元仿真模拟方法,从纤维-树脂-界面尺度建立了含孔隙缺陷的CFRP微观切削仿真模型,研究了不同孔隙率条件下不同纤维排布方向的CFRP微观切削行为,并通过实验验证了仿真模型的正确性。研究结果表明:孔隙的存在会增加刀具的“空切”现象,从而对CFRP切削过程的切削力、材料破坏及亚表面损伤、材料能量等产生影响。随孔隙率的增加,切削力呈下降趋势,孔隙边缘的纤维产生整体断裂的倾向增加;孔隙对0°、45°和135°纤维排布方向的CFRP切削加工的面下损伤影响不大,在纤维排布方向为90°条件下,孔隙率高于3vol%时对加工表面的面下损伤具有较大影响;在材料内部能量耗散方面,“顺切”(纤维方向角小于90°)时的总耗散能低于“逆切”,随孔隙率增加,总耗散能降低。      

准直孔掏槽全断面爆破技术在河东煤矿的应用

为了加快岩巷掘进速度,应用准直孔掏槽和全断面一次爆破技术为河东煤矿设计了新的爆破方案,现场爆破效果超过了预期设想,爆破效率得到大幅提高,各项经济技术指标得到明显优化,成功地实现了准直孔掏槽全断面一次爆破。这2项技术为岩巷钻爆法掘进速度的提高提供了有力支持。     

高速切削时摩擦系数对切削影响的数值模拟

高速切削加工中,刀屑间的摩擦系数对切削产生重要影响．由于刀屑接触的复杂性,它们之间的摩擦系数很难确定．为了探究高速切削时,刀具与切屑间摩擦系数对切削的影响,采用有限元通用程序ABAQUS／STANDARD对不同摩擦系数下切削过程进行数值模拟．通过对Mises应力和加工表面节点垂直方向位移的比较,得出刀屑间的摩擦系数对剪切角有较大影响,摩擦系数增大,剪切角随之减小．高速切削既能够提高切削效率,又能提高加工精度．