水平井仿生磨鞋钻磨复合桥塞的设计与仿真

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。

仿生耦合PDC单齿的设计及其仿真

针对现有PDC钻头存在的工作效率低、金刚石与硬质合金易分层、由于岩石碎屑排出不及时所形成的泥包等问题,设计了一种破岩效率更高、更耐磨、切削平稳性更好的仿生耦合PDC切削齿。仿生耦合PDC切削齿通过改变刀具自身的结构和破岩方式,更容易破入地层,而且阶梯形的齿结构使岩石更容易剥离,大大提高了破岩效率。对仿生耦合PDC切削齿与常规PDC切削齿进行单齿仿真对比,仿真结果表明:在相同的吃深下,当切削角度在6°~26°范围变化时,仿生耦合PDC切削齿的破岩体积大于常规PDC切削齿,前者破岩效率高于后者,但两种切削齿的破岩效率总体上呈下降趋势;在相同切削角度18°下,随着仿真时间的延长,两种切削齿的破岩体积都增加,且仿生耦合PDC切削齿的破岩体积大于常规PDC切削齿,前者破岩效率高于后者,但两种切削齿的破岩效率都在逐渐下降;仿生耦合PDC切削齿最大剪应力的平均值和标准差均比常规PDC切削齿小。研究结果可为PDC钻头的优化设计提供一定的指导。

基于机器学习的岩性识别研究

钻井过程中的岩性识别是一个复杂且不断变化的非线性过程,很难建立准确的数学模型。由于传统识别方法存在解释精度低以及难以获得或丢失测井曲线的问题,直接通过传感器获取的钻速、钻压等每个与岩性有直接或间接关系的钻井参数,利用钻井参数进行岩石预测。基于机器学习技术,采用BP神经网络学习算法,根据地层岩性的特点,建立神经网络识别岩性模型,构造钻进参数样本并在MATLAB软件中利用神经网络工具箱进行岩性识别,分析训练集样本数量对模型识别准确率的影响。研究结果表明:BP神经网络输出非常准确,描述了采集到的钻井参数与岩性之间的关系,体现出神经网络的优越性;对钻井过程中岩性的识别具有积极的作用,有利于合理选择钻头类型、及时调整钻井参数和提高钻井效率。该岩性识别方法应用于仿生PDC钻头等方面,在试验和理论相互补充、支撑的同时便于利用该方法针对智能石油钻机开展更深层次的研究。

基于UG的三牙轮钻头参数化设计及仿真钻进

以UG软件为设计平台,运用知识融合技术等手段,分别建立牙轮钻头的牙轮体、牙齿参数化模型,并且进行牙轮齿槽造型,使用合理约束将牙轮与牙齿、牙轮与牙轮之间进行装配,然后在UG运动仿真模块中,对三牙轮钻头设置载荷约束与边界条件,确定初始条件,模拟牙轮钻头在井底钻进运动,并开发仿真钻进插件,得到三牙轮钻头在钻进过程中的井底齿坑模型,为钻头几何设计提供丰富有用的参考信息。