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。

不同参数影响下空间型管路冲蚀率的非线性回归分析

针对压裂液中携带的固体颗粒对管道冲蚀磨损导致的管件失效问题,采用ANSYS-Fluent软件对不同流体参数以及结构参数下管道的冲蚀磨损进行数值模拟,得出入口流速、颗粒直径、质量流量、黏度、以及弯管直径与空间型管路最大冲蚀率的最佳非线性曲线拟合方程。研究表明:流速、颗粒直径、黏度分别与最大冲蚀速率成二次函数关系;质量流量、弯管直径分别与最大冲蚀速率成幂函数关系。通过正交试验研究各参数对最大冲蚀速率的综合影响,运用SPASS软件对拟合方程进行多元非线性回归分析,得到冲蚀磨损的预测模型。结果表明,得出的非线性回归方程拟合程度高,能较好地反映各因素对空间型管路最大冲蚀率的影响规律。

带压电缆天滑轮密封圈挤出失效分析及结构优化

针对带压电缆天滑轮在承受作业环境中的超高压时,密封圈被挤出失效而发生泄漏的问题,结合带压滑轮的密封结构、密封原理,通过建立密封结构的有限元分析模型,分析密封圈密封失效的原因,发现密封圈失效的主要原因为,带压滑轮的外壳与内壳体出于加工精度与加工成本的考虑,两者间为间隙配合,再加上在实际工况下因受到介质压力与电缆重力作用,造成内外壳体之间间隙过大,另外为便于装配,密封圈沟槽承压面设置的矩形挡圈与外壳体内壁也有一定间隙,因此造成间隙过大,O形圈无法补偿内外壳体之间产生的间隙,且会在介质压力作用下被挤进间隙中,并且会产生应力集中。针对失效根源提出将矩形挡圈替换为三角形挡圈的优化方案,通过有限元分析得出三角形挡圈能有效补偿内外壳体之间的间隙,防止密封圈发生被挤出损伤。

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。

静态推靠式旋转导向系统偏置机构导向力仿真与分析

介绍了静态推靠式旋转导向系统的结构和工作原理,建立了旋转导向钻井工具的力学模型,得到了钻头处挠度和转角在导向合力作用下的计算式及工作状态下导向工具偏置导向合力与钻头处导向力之间的关系;利用三维建模软件SolidWorks建立了静态推靠式旋转导向钻井工具的三维模型,在ADAMS软件中建立有限元仿真模型,进行仿真后得到钻头处导向合力在工具面角、偏置导向合力等影响作用下的变化曲线关系,对比了在导向合力作用下钻头和翼肋处的偏置量与钻头转角的计算值与仿真值,验证了推导的力学模型中钻头转角和挠度曲线公式的正确性,理论计算值与ADAMS仿真数值解较为接近。在推导的芯轴的变形和钻头转角的基础下,若已知造斜率可以反向推导计算出所需要的导向合力,进而可以分解出3个翼肋上分力的大小即可以通过调控每个导向翼肋上的液压力来更加精确、实时地控制井眼轨迹,为静态推靠式旋转导向系统的偏置机构程序控制开发奠定基础。

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。

一趟钻智能混合钻头齿面结构设计与分析

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。

基于遗传优化算法的井底钻压智能预测模型

准确的井底钻压是提高钻井效率的重要因素。近年来,越来越多研究表明,智能技术是准确预测目标值的有效途径,结合反向传播(Back Propagation,BP)神经网络和长短期记忆神经网络(Long Short-Term Memory,LSTM),并将单一的BP与LSTM模型和遗传算法(Genetic Algorithm,GA)相结合,建立了4种井底钻压智能预测模型(BP、LSTM、GA-BP与GA-LSTM模型)。通过实验论证,遗传算法在一定程度上起到了优化作用,表现出更高的预测精度、更好的鲁棒性与预测趋势、更快的预测时间。GA-LSTM与GA-BP比单一LSTM与BP模型的平均相对误差分别降低了40.13%和47.11%,并且预测时间分别缩短了12.6倍和9.3倍。其中综合考虑各方面性能可选取GA-LSTM作为井底钻压最优智能预测模型,应用于钻压实时监控或与常规的自动送钻系统结合从而实现对井底钻压的准确控制,提高钻井效率与钻头性能,降低钻井成本。

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。

基于ABAQUS牙轮钻头轮体速比计算机仿真研究

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。

指向式旋转导向工具面角度精确控制与优化

指向式旋转导向工具关键性功能是实现快速、平稳地调整钻井工具面,并在存在外部干扰的情况下维持工具面角度精确控制。为了实现指向式旋转导向系统对钻头工具面的调整,对该系统偏置机构内外偏心环的旋转角度与钻头偏转角、工具面角的关系进行了理论公式的推导,得出在确定钻头偏转角和工具面角后,内外偏心环运动轨迹的求解公式,利用软件对运动轨迹公式编程,以求解内外偏心环的运动轨迹以及对运动轨迹进行优选,以快速实现调整目标工具面的运动轨迹,缩短内外偏心环的调整时间,提高系统工作效率;使用三维建模软件Creo建立指向式旋转导向工具的几何模型,并将其导入到ADAMS软件中进行运动轨迹的仿真,仿真结果与理论值误差小于2%,验证了推导的内外偏心环运动轨迹方程的可行性与运动轨迹优选程序的实用性。研究结果可为通过工具面对钻头精确控制提供一定的指导。

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。

混合钻头切削齿工作部位几何面离散化研究

为更好地研究混合钻头的性能,分析混合钻头与岩石相互作用机制,使用C#语言对混合钻头牙齿的几何表面进行离散化,再将离散化得到的数据导入MATLAB软件生成模型。结果表明:用离散点绘制的牙齿模型与牙齿的三维实体模型基本一致,牙齿离散化的可行性和准确度非常高。切削齿工作部位几何面离散化有利于改进牙齿设计,优化钻头结构,从而提高破岩效率,为后续钻头的工作行为研究及钻头与岩石相互作用的研究提供参考。

老年综合评估在改善老年冠心病患者预后中的作用

目的探讨开展老年综合评估(CGA)对老年冠心病患者预后的作用。方法将接受住院治疗的70岁以上老年冠心病患者136例按随机数字表法分为对照组与研究组,每组患者68例。对照组患者给予心内科专科治疗与护理,研究组患者在对照组患者治疗的基础上开展老年综合评估,并进行针对性干预,治疗后随访1年,观察两组患者干预前后的生活质量评分以及两组患者住院期间冠心病不良事件发生率、平均住院时间、平均住院费用。结果 (1)两组患者干预前生活质量评分差异无统计学意义(P均> 0. 05)。(2)经干预治疗后,两组患者生活质量评分均较干预前明显提高,组内对比差异有统计学意义(P均<0. 01),且研究组患者提高更明显;组间对比差异有统计学意义(P <0. 05)。(3)住院期间,两组患者均未出现心源性死亡,研究组冠心病心脏不良事件发生率显著低于对照组,差异有统计学意义(P <0. 05)。(4)研究组住院时间及住院费用均显著低于对照组,差异有统计学意义(P均<0. 05)。结论对老年冠心病患者进行CGA并进行针对性干预治疗,可有效提高患者生活质量减少心脏不良事件发生、有效缩短住院时间、减少住院费用。

ABAQUS二次开发在PDC单齿破岩仿真中的应用

为了简化建立PDC单齿与岩石互作用模型的繁琐过程,提高PDC单齿破岩仿真的分析效率,使用Python语言和ABAQUS GUI建立了PDC单齿破岩仿真插件。该插件实现了PDC单齿结构参数、切削深度、前倾角和侧倾角的参数化建模;自动完成网格划分、边界条件定义、材料定义;后处理中结果输出及数据储存的功能。最后对仿真结果的合理性进行分析与对比,验证了使用该插件建立PDC单齿切削模型的正确性,为研究PDC单齿破岩性能提供了一个便携高效的分析平台,并为ABAQUS二次开发在其他领域的应用提供了借鉴。

不同形状喷嘴的空化性能数值模拟研究

空化效应可在石油钻井中提高钻头钻速,为了获得不同形状喷嘴的空化性能,利使用FLUENT软件对常规型、扁平型、Y型、十字型、星型这5种形式喷嘴的空化效应进行了数值模拟仿真。研究结果表明:扁平型喷嘴经空化作用后气相具有较大的体积,星型喷嘴经空化作用后气相体积较小;喷嘴轴线上速度分布与喷嘴出口处的面积有关,面积越小轴线上的速度分布越大,但分布越不平稳;十字型喷嘴与常规型喷嘴的空化性能差异主要是由于常规型喷嘴内的湍动能强度较大造成的。喷嘴出口处的水力直径与空化作用后的气相分布具有较高的相关性。

牙轮-PDC混合钻头的破岩特性及温度场变化

较之于常规的PDC钻头或牙轮钻头,牙轮-PDC混合钻头有着更好的破岩效果,其破岩过程产生的热量对其使用寿命和钻井效率都有着重要的影响,但目前对其破岩过程中温度场和破岩特性的研究还不够深入。为了给混合钻头的优化和推广提供理论支撑,基于有限元法、弹塑性力学等建立钻头破岩仿真模型,据此研究了破岩过程中的混合钻头温度场变化规律和破岩特性。研究结果表明:(1)牙轮主导型混合钻头破碎岩石时牙轮切削结构先冲击岩石,形成破碎坑,PDC切削齿再进行剪切,而PDC主导型混合钻头由PDC切削齿对岩石进行刮切形成沟槽,牙轮切削齿再对岩石进行破碎;(2)混合钻头在破岩初始阶段温度上升较快,一段时间后趋于平稳且钻压越大温度越高;(3)较之于PDC钻头和牙轮钻头,混合钻头破岩过程中温度更低,混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和;(4)混合钻头在硬地层中的破岩温度高于在软地层中的破岩温度,而钻速则相反;(5)钻头破岩温度和破岩特性与其自身结构有关。结论认为,该研究成果有助于混合钻头的优化设计和推广应用。

钻柱摩阻扭矩测试试验装置设计

现有的钻柱摩阻扭矩理论模型假设较多,导致计算值与真实值有较大差异,这严重制约了钻柱力学行为研究和钻井参数的优化。鉴于此,基于相似理论,考虑井斜角和方位角的变化,设计了可模拟不同井身结构的钻柱摩阻扭矩测试试验装置。该装置可有效测量不同钻井参数对钻柱摩阻扭矩的影响,可对任意角度的井斜角、方位角的井身结构的整体钻柱进行模拟。结合运动学和强度分析,验证了试验装置设计合理、安全可行。钻柱摩阻扭矩测试试验装置可用于竖直井、大位移井和水平井钻柱的摩阻扭矩分析、运动学和动力学等方面的研究,也可用于自动化钻井和页岩气开采等相关的科研及教学。