PDC混合布齿钻头破碎非均质花岗岩数值模拟

非常规油气资源所处地层复杂,开采难度大,钻井过程中钻遇地层密实度高,对钻头性能提出了更高要求。普通PDC钻头主要依靠切削齿剪切破碎岩石,攻击性弱,不仅导致钻头寿命和破岩效率严重下降,而且增加了钻井成本。为探究混合布齿PDC钻头的破岩机理和效果,提升PDC钻头破岩效率和寿命,建立了非均质花岗岩模型,使用有限元方法对比了斧形、三棱形和圆形PDC齿混合布齿的破岩效果,优选了最佳布齿方案,并使用响应面法优化了齿间距,对前后排齿不同高度差情况下的钻头破岩效果及规律进行了分析,最后结合钻头的现场应用对比分析了混合布齿、斧形齿和三棱形齿PDC钻头的破岩过程。研究结果表明:①斧形齿攻击性强,有利于吃入岩石,适用于刀翼前排,而三棱形齿更稳定,适用于刀翼后排;②混合布齿最佳方案为前排斧形齿,后排三棱形齿与斧形齿交替布置,后排齿距离前排齿的最佳横向距离为10.0 mm、10.1 mm,最佳纵向距离均为7.0 mm;③前排齿破岩后能释放岩石内应力,便于后排齿的破岩,但产生的应力区域有限,建议前后排齿高度差不超过1 mm;④围压条件下按照最佳方案布齿的PDC钻头相较于单斧形齿和三棱形齿的PDC钻头,钻井进尺分别提升了21.4%和44.1%。结论认为,混合布齿钻头兼具高破岩效率和稳定性,在深部和难钻地层具有较好的钻进效果,具有良好的现场推广应用价值。

锯形PDC齿破岩与温度特性数值模拟研究

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。

基于多目标遗传算法的PDC复合片交界结构优化设计

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。

圆弧锯形仿生PDC齿的破岩机理及钻头钻进分析

为进一步提升聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond composite, PDC)钻头在深部硬地层的钻井性能,抑制黏滞滑动现象的发生,以鼹鼠爪趾为原型,在仿生相似原理和锯形齿结构基础上提出一种圆弧锯形仿生齿。基于弹塑性力学和有限元非线性动力学理论建立了切削齿、钻头破岩的仿真模型,对比锯形齿与圆弧锯形齿的破岩过程,并对比了布置两种齿形钻头的整体钻进过程。结果表明:圆弧锯形齿破碎岩石主要以犁削和铲削为主,能够将载荷集中一点,更容易达到岩石的屈服极限,同时使岩石受拉应力更容易破碎,相比锯形齿所受切削力减小15.8%,效率更高。使用圆弧锯形仿生PDC齿的钻头破岩量更大,进尺提升明显,所受扭矩更小,能有效解决钻头的黏滞滑动。研究结果对国内高性能钻头的设计具有重要参考价值。

基于响应面法的仿生PDC钻头水力结构优化设计

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。

基于UG和VERICUT的牙轮钻头牙轮数控加工仿真研究

牙轮钻头作为石油钻井作业中重要的破岩工具,其加工质量成为了钻头使用寿命长短的重要因素。为了解决牙轮零件加工精度要求高、工序繁多,且需多次装夹等问题,对牙轮零件整体加工工艺进行优化改进。通过UG软件对牙轮整体加工进行工艺规划和数控编程,模拟加工仿真刀路运动轨迹。基于VERICUT软件建立XYZBC五轴车铣复合数控机床运动学模型、开发控制系统、创建刀具库并搭建虚拟仿真平台,模拟仿真零件的实际加工过程,验证和优化加工程序和加工工艺。将加工结果与实际牙轮零件进行分析比较。结果表明:与传统工艺相比,优化后的工艺一次装夹即可完成牙轮零件的一体式加工,大幅提高了牙轮的加工效率,使牙轮产品加工质量保持稳定,牙轮的寿命也得到了相应改善。

可伸缩仿生聚晶金刚石复合片钻头

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。

种草、养奶牛、奶加工系统的机理分析

在我国人口增加、消费水平提高、奶产品供需矛盾日益尖锐的情况下,地处天津市远郊的东双塘村,本着服务城市、繁荣农村经济的宗旨,从1982年开始发展奶牛业,经过近10年的努力,形成了以奶牛业为主的畜牧业生产。至1990年底,存栏奶牛达到972头,年产商品牛奶221万公斤。与1986年相比,牧业收入由35万元上升到150.8万元,

产权制度改革相关问题辨析

市场经济在本质上是一个由许多独立经济利益主体构成的、产权界区明晰的、公平竞争的经济系统。优化企业产权制度是完善社会主义市场经济运行的一项重要基础工程,只有构筑好产权界区明晰、充满活力的微观基础,才能提高产权主体对资产营运的关切度;才能盘活资产存量,促使其增值;才能优化资源配置,最终保证社会生产力的持续、稳定、快速增长。

智能仿生PDC钻头的破岩数值模拟

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。

锯齿形PDC刀具的破岩特性及温度场

聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact, PDC)刀具的结构是影响钻头性能的重要因素,锯齿形PDC刀具性能较好但研究较少,缺乏相关理论支撑。因此,基于弹塑性力学及Drucker-Prager准则构建了刀具与岩石的有限元模型,对锯齿形PDC及常规PDC刀具的破岩和温度场进行对比研究。结果表明,锯齿形PDC通过剪切和犁碎的方式破岩,有效且明显提升了破岩效率。锯齿形PDC较常规PDC切削力均值减小约20%,波动明显更小。后倾角变大,其切削力增加,破岩比能先增加减小又增加,存在最佳后倾角10°~15°;切削深度增大,切削力变大,破岩比能先减小后增加,存在临界切深1.5~2 mm;锯齿数增加,刀具的切削力与破岩比能先增加后减小,3个锯齿为最佳。温度场研究结果表明,锯齿形PDC比常规PDC刀具散热面积大,热稳定性更好,工作参数与温度变化之间存在规律。研究深度揭示了锯齿形PDC刀具的破岩特性以及温度场,对PDC刀具优化及高性能钻头布齿具有较为重要的指导意义。

水平井钻柱系统动力学特性分析模型的建立

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。

PE流化床中床高的影响与控制

线性低密度聚乙烯装置是中海壳牌石化公司二期100万t/a乙烯工程项目之一。本文对床高生产运行的影响进行了研究,主要分析了流化床床高的重要性及影响因素,适度提高床高可有效冲刷扩大段,降低反应器的时空产率,提高催化剂产率。

我国西部地区乡镇企业发展的战略选择

实践表明,发展乡镇企业是振兴西部地区(西部包括陕西、甘肃、四川、青海、贵州、云南、西藏、宁夏、新疆等九省区)乡村经济的必由之路。因此,需要对有关西部地区乡镇企业长期发展的根本性问题进行探讨。一、产业选择根据西部地区乡镇产业结构低层次的总体特征,应当实行以市场需求为导向。

浅析UNIPOLTM聚乙烯工艺设计注意事项

UNIPOLTM公司的UINIPOL聚乙烯气相法在全国有30多套已经投产运行,经过对比研究,发现各套装置的设计都有一些小瑕疵。为能给同类装置设计起参考作用,结合各个装置和实际生产情况,对这套技术的各个系统需要注意的工艺设计问题分别进行论述。

浅谈Unipol工艺中表观气速SGV对反应流化状态的影响分析

通过分析表观气速SGV的概念及其测量计算过程,理解表观气速对操作人员监控反应状况起到的作用;分析了不同气速下床层在反应器中呈现的状态,并结合实际生产经验,总结了监控反应流化状态和调整气速的方法。