PDC钻头切削齿破岩载荷规律的分析

对PDC钻头冠部形状及不同的布齿密度和切削齿在不同的磨损状态下对PDC钻头切削齿受力的影响进行了分析；用相邻的3个切削齿之间的关系(不同的切削齿与切削齿之间的径向距离和切削齿之间的高度差)来分析PDC钻头冠部形状和切削齿布齿密度对切削齿受力的影响，以及将切削齿的磨损状态简化成与切削齿在钻头上装配方向垂直的平面来分析切削齿磨损状态对切削齿受力的影响。     

PDC钻头切削齿布齿设计的新思路

切削齿布齿设计是PDC钻头设计的关键。为提高PDC钻头的钻进效率,综合考虑PDC钻头切削齿的设计特点和切削先后顺序等因素,并且通过对PDC钻头单切削齿实验结果进行分析,提出了以冠部轮廓法线为基准的切削齿布齿设计方法。     

PDC钻头切削齿受力随布齿密度变化关系研究

采用不同布齿方式的３个ＰＤＣ切削齿同步连续切削转动的岩石为模拟井底钻头切削齿实际工作状态，用切削岩石时相同的布齿参数切削砂轮来磨损切削以模拟切削的以模拟切削齿磨状态，试验研究了不同磨损程度的切削齿受力与布齿密度的关系。     

PDC钻头布齿的计算机辅助设计

合理的布齿是保证PDC钻头有优良工作性能的关键。目前常用的PDC钻头布齿设计方法是图解调整法。该方法速度慢,设计工作烦琐,工作量大,效率低,不符合PDC钻头布齿设计灵活的特点,而且有时会出现不必要的误差。本文在讨论PDC钻头布齿设计特点的基础上,叙述利用CAD进行PDC钻头布齿设计的原理和方法,介绍PDC钻头布齿计算机辅助设计软件的内容和编制原理。     

新型锥形PDC齿犁削破岩理论研究

目前关于锥形PDC齿的研究主要集中于数值模拟、现场及室内试验,而关于其切削力学特性的理论分析未见相关报道。通过数值模拟阐述了锥形PDC齿拉伸剪切破岩机理,以及切削载荷分布特性;根据能量平衡原理,推导了锥形PDC齿切削载荷理论公式。结果表明,相比于常规PDC齿,锥形PDC齿破岩过程更加稳定,其切削载荷受岩石性质、齿的形状参数、切削深度以及切削角度的影响,且切削载荷随着锥顶半径、切削角度以及吃入岩石深度的增加而增加。研究成果可为锥形PDC齿及钻头的设计提供理论支撑。     

全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理的有限元分析

针对坚硬地层破岩效率低、钻具粘滑振动造成钻头寿命降低等问题,通过ANSYS有限元分析软件对全尺寸钻头复合冲击破岩机理进行研究。分析了冲击频率、钻压和转速对钻头破岩效率的影响,通过分析发现钻头破岩过程中,岩石内部既存在拉应力,也存在压应力,岩石破坏表现形式为“拉伸+压剪”的综合作用破坏。研究得出在扭转冲击频率为25 Hz条件下,此时轴向冲击的最佳频率为13 Hz,在这2种冲击频率的配合下机械钻速最快;钻压对机械钻速影响较大,两者呈线性正相关关系,并回归出有无冲击载荷条件下钻头机械钻速与钻压的变化关系式;转速对机械钻速的影响较小,两者呈微增趋势,分析认为是坚硬岩层使PDC钻头变切削为研磨状态导致机械钻速变化不大;复合冲击在地层钻进中能明显提高机械钻速。全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理研究对于钻进效率的提高和复合冲击技术的发展具有重要意义。     

切削齿型结构对金刚石钻头钻进性能影响的仿真分析

基于有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立了孕镶金刚石钻头的三维有限元模型,研究了钻头切削齿结构对钻进性能的影响并进行现场试验验证,提出了一种基于Image-Pro Plus的应力面积分布对比方式。结果表明：同心环齿型钻头在钻进初期沿旋转方向切削齿前缘出现应力集中现象,花齿型钻头未出现明显的应力集中;2种齿型钻头在钻进后期均会不同程度出现内外径边缘靠近水口部位应力集中现象,易导致钻头内外径部位变相磨损;花齿型钻头的钻进效率要优于同心环型钻头,但是钻进寿命有所下降。     

复合冲击作用下PDC钻齿破岩过程连续-非连续数值模拟研究

复合冲击钻进是兼具轴向和扭转2个维度冲击的新型破岩技术,针对岩石在聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)钻齿轴向-扭转2个方向冲击作用下破坏机制复杂、复合冲击破岩机理不清晰等问题,基于连续-非连续分析方法(Continuous Discontinuous Element Method,CDEM),建立基于共享节点的FEM-DEM岩石模型,再通过室内单轴压缩实验验证该计算模型的合理性。基于JavaScript二次开发,建立单钻齿复合冲击运动模型,并模拟PDC单钻齿在正弦函数下的复合冲击破岩过程。通过对岩屑、径向剪切裂纹、侧向裂纹和侧向主裂纹等形成过程的分析,揭示岩石在复合冲击作用下的破坏规律。在此基础上,建立单钻齿复合冲击切削力学模型,开发适用于分析复合冲击破岩钻进的连续-非连续数值算法,分析不同切削深度、前倾角度、轴向冲击速度、扭转冲击速度下的破岩效果,探讨不同钻齿参数下的切削力和破岩规律。结果表明：复合冲击作用下钻齿前方和下方岩石均发生大体积破碎,可实现“立体破岩”效果,进而减小钻头的粘滑效应。钻齿与岩层的接触面积、接触弧长、冲...     

超声波辅助PDC切削齿振动破岩仿真分析

PDC钻头在软至中硬地层钻进时具有钻速高、使用寿命长、设计灵活等显著优点,在钻井领域中的需求量逐年增加。而超声波钻进作为一种新型碎岩技术,由于在钻进过程中具有穿透能力强、钻进效率高等优点而获得了广泛关注。以超声波振动辅助PDC钻头破岩有望取得良好的钻进效果。为此,基于线型Drucker-Prager模型,利用ABAQUS软件建立了超声波辅助PDC钻进振动切削岩石的二维有限元模型,分析了不同超声波振动频率下PDC钻进破岩比功和切削力的变化规律,比较了超声波振动切削与常规切削岩屑形成过程的差异。研究结果表明,当激励频率从20 kHz至40 kHz增长的过程中,破岩比功与平均切削力都呈现先减少后增加的变化趋势,即存在一个最优频率位于25~30 kHz间,使破岩比功最小,钻进效率最高;超声波辅助振动切削的破岩方式与常规切削的塑性破坏不同,主要以脆性破坏为主,其切屑形成过程共分为4个阶段,且切削力保持为零的阶段较常规切削更为明显;当激励频率接近岩石固有频率时,超声波振动切削的平均切削力较常规切削小20.5%,并更易产生大块岩屑,使岩石产生更多体积破碎,从而提高破岩效率。     

基于工作面全覆盖的地面瓦斯高效抽采模式研究

针对煤层碎软、渗透性低、工作面瓦斯抽采难度大且效率低的问题,提出两端对接分段压裂顶板水平井组的工作面瓦斯抽采全覆盖模式。选取淮北煤田宿县矿区某矿井为例,依据研究区地应力与工作面展布特征,结合研究区内瓦斯地质条件及煤层力学性质分析,利用交叉偶极子声波测井方法优选水平井水平段布置方位,采用Fracpro PT的压裂模拟技术确定水平井水平段距离7₁煤层的范围,即布置在煤层顶板2 m以内;采用抽采模拟技术对研究区试验工程进行预测,结果显示,抽采3 a后工作面的瓦斯含量和压力都大幅度降低,达到了工作面瓦斯抽采全覆盖的要求。提出的抽采模式为国内类似地质条件煤矿地面瓦斯高效抽采提供一种手段。     

PDC碎岩功耗的理论分析与计算

PDC钻头破碎岩石的理论研究,对于合理设计与应用PDC钻头有着非常重要的意义。虽然国内外学者对PDC钻头的碎岩问题进行了诸多的试验和数值模拟研究,但是理论分析研究相对缺乏。PDC碎岩功耗可以定量地从能量角度反映工具破碎岩石的效率,也是评价钻进效率有效指标之一。本文基于单齿PDC的受力模型和接触力学理论,推导了PDC单齿碎岩功耗和PDC钻头碎岩功耗的理论计算公式。结合实例对比分析表明,该公式对于整形PDC片是适用的。研究结果有助于PDC钻头的设计和PDC片的布齿措施,为深化认识PDC切削碎岩机理提供重要的理论依据。     

大直径反循环钻头底面形状设计

针对大直径反循环钻头底面形状对反循环形成效果的影响,分析了反循环钻头孔底循环介质流动的特点;基于反循环钻头孔底流动模拟实验器对凸面型、凹面型和凸凹组合型3种典型的钻头底面形状进行了对比测试;运用CFD技术对不同底面形状反循环钻头孔底局部流场进行了数值模拟,揭示了其各自的流动特征及影响反循环形成效果的机理。实验结果表明,凹面型钻头底面形状更有利于反循环的形成。反循环钻头底面形状设计研究对改善和提高大直径反循环钻头的性能具有重要的意义。     

煤矿区煤层气开发部署方法

煤矿区煤层气的开发部署,受煤炭采掘规划和采掘布置的影响。基于我国目前的煤层气勘探开发现状,以晋城矿区为例,提出了煤层气开发部署原则,设计了井网优化部署方案,并进行了开发潜力及瓦斯治理效果分析。随着煤炭采掘的不断推进,煤矿区煤层气开发的地面垂直井形式会发生变化,即由起初单纯的地面垂直井转化为地面采动区井,而后可转化为地面采空区井。在地面垂直井阶段,气井连续排采10 a,累计产气量为576.44×10⁴m³,目标煤层瓦斯含量降幅约为27.17%~51.99%。通过地面采动区井和地面采空区井阶段的瓦斯抽采,可使瓦斯抽采率进一步提高,达到有效治理瓦斯的目的。     

基于离散元的超声波振动辅助TBM滚刀碎岩分析

超声振动辅助碎岩技术以其弱化岩石强度、降低切削力、加快钻进速度等优势受到广泛关注,将超声振动技术与滚刀结合,能有效提升隧道硬岩施工滚刀破岩效率。采用颗粒流离散元软件对超声波振动辅助滚刀碎岩过程进行了模拟研究,结果表明,超声波振动能够产生周期性应力波并向岩石内部传播,在岩石的近表面区域出现较强的拉应力,有助于浅层岩石的张拉破坏。超声波振动提升了岩石内部裂纹的生成规模,加快了裂纹的生成速度,提前了裂纹初次萌生时间,对滚刀的破岩性能有良好的增益效果。超声波振动下岩石裂纹生成更加平稳,减少了跃进式破碎现象,能够避免因剧烈振动产生的冲击载荷对滚刀产生异常磨损和破坏,对延长滚刀寿命具有促进作用。     

水力割刀在岩心钻探烧钻事故处理中的应用

宁强县中坝外围预查区岩心钻探ZK1102钻孔地层裂隙发育,钻孔漏失严重。由于送浆时间不足,冲洗液未到达孔底即开始钻进,导致钻孔发生严重烧钻事故。烧钻事故发生后,通过尝试传统起拔、旋转等方法均无效后,结合便携式全液压钻机装备特点和地层条件现状,在能够确保找矿成果和事故处理的安全性、经济性以及可靠性的前提下,进行科学分析研判,甄选出了最佳事故处理方案,即利用BTW钻杆连接水力割刀切割事故段钻具,而后下入NTW钻具连接磨铣钻头研磨剩余钻具钻头,高效、经济、稳妥地解决了烧钻事故。在水力割刀实际应用中,分析总结了在不同操作顺序和切割参数下切割失败的原因,为施工人员积累了丰富的经验,为烧钻事故顺利处理打下了坚实的技术基础。本文对利用水力割刀处理岩心钻探烧钻事故进行了积极探索,为其他地区使用水力割刀处理类似复杂钻孔事故提供了参考。     

综采工作面随采地震的采煤机震源模拟

为了分析以采煤机作为震源接收到的随采地震数据的波场特征,从正演模拟的角度出发,通过将采煤机截割方式及滚筒的受力情况转换为震源力函数的形式,以不同时间不同位置的荷载分布作为震源对波动方程进行加载,采用高阶交错网格有限差分法对波动方程进行求解,得到正演单炮数据。最终,数值模拟得到的随采地震数据显示出,采煤机震源激发的波场中,横波能量占据主导地位,纵波能量较小,且在高频数据中,y分量上有明显的槽波存在,其极化特征显示出该槽波为Love型槽波。最终,模拟数据与实际采集的y分量数据对比表明,二者在波场成分及分布方面具有较高的相似性。