摘要：为改善PDC复合片界面处的结合能力,提升其整体的抗冲击性和稳定性,提出了一种新型交界结构。采用有限元方法,对比了外界载荷影响下所设计交界结构和常规界面结构复合片的应力分布状态,并基于提出的交界结构,考虑其结构参数的影响,使用最优填充空间法进行采样,结合最小二乘法构建了结构场的二阶响应面近似模型;以交界结构参数为设计变量,结构场等效应力、最大剪应力和最大主应力的最大值为设计目标,采用多目标遗传算法对响应面近似模型进行优化。研究结果表明,相同模拟条件下,相比常规交界结构,新型交界结构的等效应力最大值降低了50.7%,剪应力最大值降低了52.0%,最大主应力最大值降低了22.4%。优化后的PDC复合片在相同条件下,等效应力、最大剪应力及最大主应力均降低14%以上,且具有更好的破岩稳定性,能有效避免应力集中,同时热稳定性增强。研究结果为PDC复合片优化设计提供了理论依据,同时提供了新的优化方法,有助于降低研发成本。

摘要：合理的钻头水力结构能避免泥包现象发生,提升钻井效率。为完善仿生PDC钻头的水力结构,基于κ-ε湍流模型和离散相模型对4种不同水力结构方案进行数值计算,确定了最佳方案为喷嘴和辅助喷嘴结合。为确定该方案下最佳结构参数,使用响应面法建立了以喷嘴直径x_(1),辅助喷嘴直径x_(2)、喷嘴距钻头中心径向距离x_(3)为设计变量,采样点最大速度D和采样点平均速度E为目标函数的数学模型,基于回归分析对钻头水力结构进行优化设计,求出最佳参数为喷嘴直径16.36 mm,辅助喷嘴直径8 mm,喷嘴距钻头中心径向距离63.85 mm,并对该参数下的水力结构性能进行了数值计算。结果表明:优化后的钻头水力结构不仅减少了流体井底速度波动次数,且明显提升了整体速度,解决了原有的涡流现象,增强了钻井液携岩性能,减小了粒子浓度。

摘要：目前关于PDC仿生齿的研究多集中在波浪齿形上,鲜有与锯形齿破岩特性相关研究的报道。鉴于此,基于弹塑性力学与Drucker-Prager岩石失效准则,建立锯形PDC齿与花岗岩相互作用的有限元模型,对锯形PDC齿的破岩以及破岩温度特性展开研究。研究结果表明:相比普通PDC齿,锯形PDC齿在破岩过程中所产生切削力峰值和均值更小,且该切削力均值减小约12.7%,机械比能减少约19%;后倾角增大情况下,锯形齿的机械比能和切削力均先减小后增大,最佳后倾角为10°时,锯形齿的机械比能和切削力最小,切削深度增加情况下,存在临界切削深度1.5 mm,超过1.5 mm后,切削力与机械比能呈现跳跃式增加,锯形齿在模拟范围内,最佳设计方案为3个锯齿。所得结论对钻头布齿和优化设计具有指导意义。

摘要：石油钻头是油田开采的重要井下装备之一,我国复杂地质的油气开采较难实现,传统钻头在高研磨地层中磨损严重,频繁起下钻导致钻井效率低下。为此,设计一种适用于一趟钻的智能混合钻头。运用CREO软件进行混合钻头的参数化设计,建立三维模型,绘制混合钻头的井底破碎曲线。该钻头PDC部分可以进行轴向伸缩和相对于钻头体转动,钻头PDC部分可伸缩最大距离为5 mm,可转动最大角度为20°;根据钻头钻进时所遇地层可调整混合钻头为PDC主导型或牙轮主导型;将三维模型导入Abaqus仿真软件中进行破岩仿真,得到混合钻头破岩时的机械钻速和岩石的应力场变化。结果表明,混合钻头在破岩过程中主要依靠牙轮切削结构和PDC部分的肩部结构对肩部岩石进行破碎。通过计算可得混合钻头的机械钻速平均为9.62 mm/s。

摘要：针对现有PDC钻头不易吃入硬岩、出现黏滞滑动等问题,基于仿生相似原理,以鼹鼠爪趾和鲨鱼牙齿为仿生原型,结合双级钻头和复合钻头的优势,设计出一种可伸缩仿生PDC钻头。使用数值模拟方法,对比了仿生PDC齿与普通齿的破岩切削力与机械比能、可伸缩仿生PDC钻头和普通PDC钻头的进尺和反扭距;为便于后续伸缩结构设计,采用Box-Behnken法对钻压、转速、伸缩长度及破岩量和扭矩参数进行了多因素有限元仿真试验;建立了参数之间的二次回归数学模型,并分析了上述参数之间的关系。结果表明,仿生PDC齿相较普通齿更容易达到岩石的破碎极限,在破岩过程中的机械比能和切削力分别减少约19%和12.7%,有效提升了破岩效率;可伸缩仿生PDC钻头相比普通PDC钻头,在破岩过程中的进尺增加1.25倍,钻速提升21%,受到岩石的反扭矩减少33%,能有效缓解钻头产生黏滞滑动的问题。通过数值模拟对所得到的二次回归模型预测结果进行验证,发现两者之间的平均误差不超过6%,研究结果为后续现场试验及伸缩结构的优化设计提供理论支撑。

摘要：针对水平井可钻式复合桥塞技术钻塞效率低及返屑困难等问题,以土壤动物蜣螂的胸节背板为仿生原型,设计出一种仿生孕镶金刚石取心磨鞋(以下称仿生磨鞋)。仿生磨鞋以"套铣"的方式钻磨多级复合桥塞,与传统磨鞋相比其钻塞速度更快,返屑成功率更高。为了验证仿生磨鞋的改善效果,在有限元分析软件ABAQUS中对常用的5翼PDC镶齿平底磨鞋与仿生磨鞋进行了钻除复合桥塞仿真对比试验。仿真结果表明:两种磨鞋在钻塞方式上存在较大的差异,仿生磨鞋的钻塞速度明显快于常规磨鞋;仿生磨鞋钻除下来的钻屑尺寸更小,返屑成功率更高,卡钻的可能性更低;增加钻压与转速对提升磨鞋的钻塞速度都具有促进作用,但增加钻压的增速效果更明显;磨鞋底面最外圈边缘的磨损量最大,在加工磨鞋时应该对其优化加强。研究成果可为国内可钻式复合桥塞工艺技术的进一步发展提供理论基础。

摘要：研究牙轮钻头的轮体速比,可以提高牙轮钻头的破岩效率。并且研究轮体速比对牙轮钻头的工作原理、岩石破碎机理、钻头的设计分析都有一定的指导作用。运用CERO软件建立三牙轮钻头的几何模型,并将其导入ABAQUS有限元分析软件中,为了节省仿真时间去除牙轮壳体部分只保留与岩石接触的全齿模型,从而建立钻头全齿与岩石接触互作用仿真模型。通过设置边界条件、网格、载荷、仿真时间来观察井底应力分布,通过改变钻压和转速来看三牙轮钻头的牙轮与钻头本体的转速之比变化情况,大大降低了人力、财力和时间成本,从而缩短了试验周期。牙轮的轮体速比随着钻压的增大逐渐增大并最后趋向某一统计平均值,随着钻头转速的增加各牙轮的轮体速比缓慢增大,当达到一定转速时,牙轮的轮体速比达到峰值将不再增加。最后为了验证使用有限元分析软件研究轮体速比的准确性,将其和现场试验进行对比。

摘要：为解决普通孕镶金刚石钻头(普通钻头)破岩效率低、钻进不稳定、不耐磨以及不能根据地层选择合适形态破岩等问题,结合仿生原理和非平面结构设计了新型聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)齿和钻头底唇面,提出一种在钻头底唇面安装传感器进行岩性识别,可选择合适形态破岩的智能仿生PDC钻头(智能钻头)。利用机器学习,基于现场钻井数据对岩石性质进行分类。分析了智能钻头切削结构针对软中硬地层和硬地层具有两种工作形态,基于建立的切削模型和岩石失效准则,对智能钻头和普通钻头的破岩过程进行数值模拟对比,结果表明:机器学习的加权KNN(K-nearest neighbor)算法可很好避免样本重叠问题,可精确对岩石性质分类,其训练模型可提供给传感器进行岩性识别。破碎砂岩时,智能钻头经传感器调节将具有PDC齿的底唇面和仿生底唇面保持同一高度破岩,对比普通钻头,其破岩比能和切削力明显更小,表明其效率更高、切削更稳定;破碎花岗岩时,智能钻头经传感器调节将具有PDC齿的底唇面下放破岩,其破岩效率明显高于普通钻头,也更稳定。研究成果对石油钻井设备智能化发展有重要意义。

摘要：相较于直井及斜直井,水平井应用较广,但目前关于水平井整体钻柱动力学特性的研究不够深入。为探究其动力学特性,基于有限单元法以及钻柱动力学方程,综合考虑弯曲井眼轨道、钻柱与井壁非线性碰撞接触等因素,建立水平井钻柱系统钻进仿真模型,将仿真模型结果与Johancsik模型对比,验证了仿真模型的准确性。通过模拟钻进全程来剖析稳定器、大钩载荷以及卡钻情况对钻柱系统整体动力学特性的影响。研究结果表明:三维模拟分析钻柱与井壁接触力及钻柱振动验证了稳定器可减少钻柱与井壁的碰撞;当卡钻情况发生时,水平段和竖直段钻柱屈曲特性逐渐从螺旋屈曲转变为正弦屈曲;较之于未施加大钩载荷的情况,施加大钩载荷后降低了钻柱的钻进速度,缓解了钻柱的振动,验证了实际作业中施加大钩载荷的必要性;经模拟分析确定临界大钩载荷,当在钻柱端施加的大钩载荷大于临界值时,钻柱在钻进过程中会发生卡钻的情况;当其小于临界值时,大钩载荷的值越大钻柱轴向进给及横向振动越稳定,钻柱与井壁的接触力越小,在实际钻井作业中可依据井况调整大钩载荷的值。研究成果可为钻柱研究设计及结构优化提供参考。

摘要：针对常规PDC钻头破岩效率低、钻头泥包和使用寿命短等问题,以穿山甲鳞片、蝼蛄爪趾、鲨鱼牙齿和扇贝壳作为仿生原型,从多个维度进行结构仿生,设计了一种新型耦合仿生PDC齿。采用有限元法、弹塑性力学等方法,建立了仿生PDC齿的破岩仿真模型,利用有限元软件ABAQUS的温度-位移耦合显式侵彻接触算法和显式动力学模块,研究了仿生PDC齿破岩过程中温度场的变化规律和破岩方式,并与常规PDC齿进行了模拟对比。模拟结果发现:仿生PDC齿与常规PDC齿在破岩时的温度传递过程存在较大差异;仿生PDC齿能够防止钻头泥包的产生,且能够减少摩擦热的集聚,避免高温热失效,延长其使用寿命;仿生PDC齿破岩速度更快,对岩石的破碎更加彻底。研究表明,仿生PDC钻头的现场适用性较好,具有较好的现场推广应用价值。