旋转模块式PDC钻头破岩机理研究

针对深部难钻地层钻头的钻速低、寿命短、能耗高等问题,在常规固定齿PDC钻头上引入旋转模块结构,旋转模块齿和固定切削齿“交叉刮切”破碎岩石,提高钻头的破岩效率,且旋转模块齿交替轮流工作的方式使得切削齿冷却及时,减缓切削齿的磨损,延长钻头寿命。介绍了新型钻头的结构特点和工作原理,对旋转模块进行了变参数实验,实验结果表明:旋转模块随着侧转角的增大,转速增加;随着轴倾角的增大,转速降低。研究得到旋转模块在不同结构参数下的切削载荷以及破碎比功的变化规律,验证了旋转模块齿和固定切削齿“交叉刮切”破碎岩石,能够降低破岩比功,为后续旋转模块式PDC钻头的设计提供理论依据和支撑。     

牙齿刮切实验破碎坑的几何建模

牙齿刮切实验是“牙轮钻头与岩石互作用仿真”课题的基础实验研究工作，西南石油学院钻头研究室针对不同岩石，不同齿形的硬质合金牙齿，进行了大量的牙齿刮切破岩实验，以楔形齿和锥形齿为例提出了牙齿刮牙破碎坑几何模型的建模过程，并简要介绍了获取破碎坑几何模型特征参数的方法。     

微心PDC钻头心部结构优化的实验研究

在油气勘探中,需要在地层中进行岩石取样同时保证钻头的破岩效率和机械钻速,因此需要对微心PDC钻头心部结构进行优化。通过在不同尺寸的3种不同岩性(砂岩、灰岩和花岗岩)的岩心柱上完成静压、折断、冲击3种破坏形式的破岩实验,设计及制造一只直径为φ152.4 mm的可变参数的微心PDC钻头,并在不同尺寸的砂岩岩心柱上完成室内台架实验。实验结果表明:折断的破岩效率最高,静压其次、冲击最小;与全覆盖的钻头相比,微心PDC钻头机械钻速提高49%~112%;微心PDC钻头岩柱的高度对钻头的机械钻速影响较小,而岩柱的直径对机械钻速影响较大;微心PDC钻头在3种岩样中均能实现体积破碎,产生大岩屑,能提高破岩效率和机械钻速,并得到3种破岩方式下的最优岩心柱尺寸。     

超高压双流道PDC钻头破岩机制研究

基于岩石弹塑性力学、水动力学及运动学,采用动力接触法模拟射流或机械齿与岩石的交互作用,利用Hoffman失效准则控制岩石破碎的动态边界,采用单步Houbolt算法求解动力方程,建立整体超高压双流道PDC钻头破岩的三维动态数值模型。全面、系统地研究岩石内部应力、岩石的破碎体积、岩石破碎所需能量以及钻压和扭矩等在岩石破碎过程中的变化规律,并对不同刀翼数及超高压喷嘴在不同位置时钻头的破岩效率进行分析,得出最佳双流道PDC钻头的结构。     

PDC钻头复合钻进破岩机理及个性化设计探讨

在复合钻进工况下,地面和井下马达的复合驱动虽能使PDC钻头的钻速能得到显著提升,但钻头寿命也会显著缩短。通过研究定向井、水平井下部钻柱的受力变形特性,建立了复合钻进下PDC钻头的运动学模型,研究了转速比、布齿位置、下部钻柱几何状态等对切削齿切削轨迹的影响规律。在此基础上,改进了PDC钻头破岩数字仿真系统,并利用该系统研究了PDC钻头在复合钻进工况下的运动学、切削力学规律以及井底形态特点。研究结果表明:除了高转速因素以外,复合钻进钻头破岩效率增高的主要原因在于PDC钻头切削齿的不平行刮切特性,以及螺杆弯角所导致的钻头牙齿的不均衡切削状态。针对PDC钻头在复合钻井条件下的破岩机理和失效特点,探讨了复合钻进PDC钻头个性化设计的技术思想和实施方法,为复合钻进条件下PDC钻头工作性能的改进提供了理论依据和技术手段。     

屋脊齿破岩效率研究

为探究各种因素对屋脊齿破岩效率的影响,对屋脊齿破岩过程进行了试验和仿真,分析了屋脊齿脊角、前倾角、侧转角、吃入深度以及齿旋角对屋脊齿破岩效率的影响。结果表明,在相同切削条件下,脊角在120°时破岩效率最高,是传统平面齿的2倍左右,且切削力波动更小,有利于延长切削齿寿命;屋脊齿在2 mm以内的小吃深切削条件下,轴向、切向载荷均显著低于常规的圆形平面PDC齿;比功对前倾角敏感性不高,但对吃入深度较为敏感,2 mm为最佳吃入深度;屋脊齿破岩比功随侧转角的增大而增大,增幅明显,且径向力随之增大,建议屋脊齿不设侧转角;齿旋角对破岩效率以及切削力的影响较大,设计屋脊齿PDC钻头时,应尽可能使每个屋脊齿的齿旋角θ=0°。     

牙齿破岩效率的评价及牙齿优选探讨

 牙轮钻头牙齿的冠部形状是影响破岩效率的关键因素之一, 因此, 建立科学的牙齿形状评价方法对于提高钻头设计质量具有重要的现实意义。提出了通过衡量单个牙齿在垂直压入岩石实验中的破岩比效, 对不同形状牙齿在不同性质岩石上的压入破岩效率进行定量评价的系统方法和准则, 并针对国内在钻头牙齿形状研究方面存在的欠缺, 对与牙齿形状评价技术以及牙齿优选相关的若干问题进行了探讨。     

基于离散元方法的PDC钻头破岩仿真研究

针对前人对PDC(聚晶金刚石复合片)钻头破岩仿真研究多采用有限元法,忽略了岩体的各向异性、不均匀性以及不连续性等问题。提出了采用离散元法来研究PDC钻头的破岩仿真过程,利用离散元软件PFC3D建立了虚拟单轴压缩实验和虚拟巴西劈裂法实验,推导出了岩石的三维离散元模型的细观参数,确定了岩石的本构模型。在此基础上建立了PDC单齿切削岩石的离散元模型,讨论了侧倾角对切削力的影响关系,并与单齿切削岩石的有限元模型进行了对比。结果表明:离散元模型与有限元模型结果比较接近,离散元数值模拟的求解时间为有限元数值模拟的1/3,离散元方法具有潜在的高效率。在单齿切削岩石的离散元模型的基础上建立了全钻头破岩离散元模型,研究了PDC钻头动态破岩过程中各切削齿所受扭矩和钻压的分布规律。并通过全钻头破岩室内台架实验对模型的准确性进行了验证。     

泥包对破岩效率影响的PDC单齿切削模型研究

PDC钻头泥页岩地层钻进易发生泥包,严重影响机械钻速。钻进性能的变化归根结底源于切削齿与地层的相互作用,但是目前建立的单齿切削模型考虑的因素不全面,并不适用于钻头发生泥包的情况。建立了PDC钻头分别发生切削齿泥包和钻头整体泥包时的单齿切削模型,模型全面考虑了围压、切削齿倒角面、切削齿后底面、岩屑破碎带等因素,通过实例计算、利用前人实验数据验证了模型计算结果的可靠性。最后利用模型量化分析了泥包对破岩效率的影响规律,结果发现切削齿泥包和钻头泥包均严重影响破岩效率,且后者影响程度更大;切削齿泥包中,围压和"泥包团"长度对破岩效率影响显著,破岩效率均随两者的增大而减小;钻头泥包中,泥包面积对破岩效率影响显著,破岩效率随泥包面积的增大而减小。     

滚轮式PDC钻头工作机理的试验研究

针对页岩气钻采中定向钻进的PDC钻头扭矩波动大、冲击振动大、工具面不稳定等问题,笔者提出一种刀翼上设置有双侧支撑的滚轮新结构钻头,通过滚轮单元破岩实验以及全钻头钻进破岩实验来开展新型钻头减扭、缓冲机理研究,主要研究6种滚轮轮廓形状、4种滚轮的吃入深度、6种滚轮径向位置、7种PDC齿相对高度等因素对新型钻头扭矩、钻压的影响规律。结果表明：6种轮廓滚轮的等效摩擦系数均低于PDC齿,且为PDC齿的18.65%～43.73%,得出滚轮减扭能力高于PDC齿;6种不同径向位置的滚轮缓冲能力均强于PDC齿,为PDC齿的1.59～9.17倍,滚轮式PDC钻头的扭矩为常规PDC钻头的71.72%～98.33%;随着滚轮与PDC齿相对高度的减小,钻头扭矩逐渐减小,滚轮钻压的占比也逐渐增加,钻头减扭能力、缓冲能力均增加,为适用于页岩气钻采的新型钻头产品设计与研制提供理论支撑。     

PDC钻头岩石可钻性测定与分级新方法研究

PDC钻头作为最重要的油气钻井破岩工具,其岩石可钻性级值是进行钻头个性化设计与选型、优化钻井参数的关键依据,在中硬以上的地层价值尤为重要。然而,我国2000年颁布实施的石油天然气行业标准《岩石可钻性测定及分级方法》却存在明显的缺陷,对中硬以上的岩石经常出现测试无效、无法获得可钻性级值数据的现象。通过对不同岩性岩石试样的大量微钻头可钻性实验测试,发现标准钻压过低、PDC微钻头结构参数不合理是中硬以上岩石测试无效的主要原因。针对这些问题,首先,研究了微钻头切削齿安装角度对其干涉状态的影响规律,提出了最优的微钻头侧转角,消除了微钻头切削齿与岩石发生干涉的可能性;其次,开展了5种岩石在不同钻压下的微钻头钻岩实验,实验数据表明变压可钻性级值与钻压之间呈线性关系,提出了采用钻压分档测试、当量转化分级或分档独立分级的可钻性测试与分级新方法。该方法既能有效解决中硬以上岩石的可钻性测试问题,又能与过去的软岩测试数据相兼容。主要研究成果已经被2016版行业标准《岩石可钻性测定及分级》所采纳。     

高温高压条件下花岗岩切削破碎试验研究

 为了达到最接近实际工程的试验效果,采用中国矿业大学的“20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,设计了精确的加压和旋转系统,操作控制比较方便,测量数据准确。利用大尺寸(f 200 mm×400 mm)花岗岩试样和工程钻头(f 30 mm的PDC钻头),使试验条件更加接近实际工程情况,开创了该类大试样试验的先河。通过正交试验研究花岗岩在高温高压状态下的切削破碎规律,得出以下结论：(1) 高围压状态(100 MPa)下,随着温度升高,花岗岩的可切削性逐渐增强,在超过一定的钻压时,切削速度随着温度的升高而明显增大,在755 N钻压下,300 ℃的切削速度比室温时增大30%～50%;(2) 高围压状态(100 MPa)下,随着温度升高,单位破岩能耗明显降低,在钻压为755 N时,300 ℃时的单位破岩能耗比室温时降低20%～30%;(3) 在高温高压环境下,切削速度随着钻压或转速的增大而增大;单位破岩能耗随着转速的增大而增大,随着钻压的增大而减小,与室温无围压状态下的切削破碎规律基本一致;(4) 由于花岗岩在此温压范围内属于渐进破坏,抗压强度下降缓慢,如果钻压太低则切削速度和单位破岩能耗受温度影响很小,为了在高温下取得对花岗岩的良好切削效果,钻压需要超过一定的值。     

碳酸盐岩地层岩石声学特性的试验研究与应用

选取并收集我国川东北地区和济阳坳陷古潜山构造的地层岩样及相对应的井下声波测井资料，测试了岩石的牙轮钻头可钻性、PDC钻头可钻性和声学特性，应用数理统计方法研究分析了岩石地面纵波速度VP、横波速度VS分别与牙轮钻头可钻性KdRC，PDC钻头可钻性KdPDC的相关关系及同块地层岩样地面纵波速度VP与井下测井纵波速度VPD的相关关系，建立了利用声波测井资料预测碳酸盐岩地层剖面可钻性的数学模型，选定符合率F值大于0．75为检验标准，经用现场声波测井资料代入预测模型进行计算，预测精度达91．7％，达到并超过了研究预期的技术指标。     

Prospect of HDR geothermal energy exploitation in Yangbajing,Tibet,China,and experimental investigation of granite under high temperature and high pressure

Hot dry rock(HDR) geothermal energy,almost inexhaustible green energy,was first put forward in the 1970s.The development and testing of HDR geothermal energy are well reported in USA,Japan,UK,France and other countries or regions.In this paper,the geological characters of Yangbajing basin were first analyzed,including the continental dynamic environments to form HDR geothermal fields in Tibet,the tectonic characteristics of south slope of Nyainqêntanglha and Dangxiong-Yangbajing basin,and the in-situ stress...     

动静组合载荷破岩声发射能量与破岩效果试验研究

 在动静组合载荷多功能试验装置上,以脆性岩石(花岗岩)为研究对象,进行不同载荷作用下的破碎试验。运用声发射系统AEwin采集岩石破碎过程中的声发射数据。基于不同加载模式下的声发射总能量和破碎体积的实测数据,分析两者之间的关系;采用破岩体积和破岩比能2个指标作为表征破岩效果的参量,综合分析各种加载模式下的破岩效果。结果表明：岩石破碎声发射累计能量与破碎体积有密切相关性,动载荷、动静组合载荷和静载荷下破碎单位体积岩石释放的声发射累计能量分别为WD,WS+D,WS,且WD＜WS+D＜WS;组合载荷破岩的声发射累计能量和破碎体积较纯动载或纯静载大,且存在最优加载参数组合,可使破岩体积达到最大且破岩比能最小。     

基于岩碴粒径分布规律的TBM破岩效率分析

岩碴的形状、大小及其粒径分布规律是综合反映TBM破岩效率的重要指标,也是TBM掘进参数与岩石性质的重要联系。根据盘形滚刀破岩机制,对TBM掘进岩碴进行了现场量测和筛分试验,获得了TBM岩碴尺寸特征和粒径分布规律。在此基础上,对实测岩碴尺寸和粒径分布数据进行了统计分析和理论分布函数拟合。分析了粗糙度指数与岩石强度、岩石耐磨性的关系,探讨了不同围岩等级下粗糙度指数随掘进推力的变化规律。研究结果表明:①片状岩碴的长轴与短轴之比约为1.5,而长轴与厚度之比则差别较大,其长轴、短轴和厚度均服从正态分布;②不同岩性条件下岩碴粒径分布均符合Rosin–Rammler函数分布;③岩碴粗糙度指数越大,TBM破岩效率越高;硬岩条件下岩碴粗糙度指数随单轴饱和抗压强度增大而减小,而中硬—软岩条件下则相反;④无论是软岩还是硬岩,岩碴粗糙度指数随岩石耐磨性增大而减小,岩石耐磨性越强,TBM破岩效率越低;⑤TBM破岩效率与围岩等级密切相关,可根据现场实测岩碴粒径分布规律,确定Ⅱ级和Ⅲ级围岩条件下TBM破岩效率最佳时的掘进推力区间。     

空气钻井中动态破岩有限元仿真研究

 空气钻井技术是以空气作为循环介质的欠平衡钻井技术,其钻头的破岩形式与常规泥浆钻井有很大的区别。在岩石力学和弹塑性力学的基础上,考虑岩石材料的各项异性、地层倾角、钻头与岩石间摩擦因数等影响因素,采用有限元方法建立空气钻井中全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维模型。通过对空气钻井中岩石的破坏机制和钻头动态破岩过程的研究以及对破岩后形成井眼、井壁和井底岩石应力应变的分析。结果表明：井底岩石受到较大拉应力的作用,使得空气钻井中破岩速度更快;干燥空气钻成的井眼井壁稳定性较好,但是一旦发生井壁不稳定性,井壁岩石将成块掉落。最后通过对钻头上随时间变化的位移分析,得到钻进各向异性地层岩石的井斜和方位的变化规律。本模型为空气钻井的破岩机制、井斜变化规律以及井壁稳定性研究提供一种新的方法,为钻头和钻具设备的研制、优化设计提供理论依据。