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。

硬地层PDC钻头切削齿尺寸及后倾角优化设计

PDC钻头是目前石油钻井中使用较为广泛的一种破岩工具,但其在硬地层中的使用效果不佳,钻进效率低,使用寿命短。PDC钻头的切削齿尺寸、后倾角等是影响其钻进性能的重要参数,通过室内微钻头试验,综合考虑硬地层PDC钻头布齿设计中切削齿的重叠和覆盖情况,以相同钻压下微钻头在岩样表面旋转一周的切削深度作为评价其破岩效率的指标,分析了切削齿尺寸、后倾角等对硬地层PDC钻头破岩效率的影响。结果表明:在钻进可钻性超过Ⅵ级的硬地层时,切削齿尺寸越大,其破岩效率越低;钻进可钻性为Ⅵ—Ⅶ级的硬地层时,13.44mm切削齿的破岩效率最高,其最佳后倾角为15°。

PDC钻头布齿参数与地层适应性的试验研究

根据地层性质合理选择或设计PDC钻头可以显著提高钻井效率。为指导PDC钻头合理选型及个性化设计,选取21只试验钻头,在6种不同可钻性级别的岩石上进行钻进试验,研究了在钻进不同可钻性级别的岩石中切削齿尺寸、后倾角、布齿密度的合理取值问题。结果表明:(1)当岩石可钻性级别小于Ⅲ时,破岩效率随切削齿尺寸的增大而增大;(2)当岩石可钻性级别大于Ⅲ时,16 mm切削齿的破岩效率最高;(3)切削齿尺寸对破岩效率产生不同影响规律的岩石可钻性级值分界点为3.11;(4)在6种不同可钻性级别的岩石中,随切削齿后倾角增大,破岩效率均呈线性规律降低,但随着岩石可钻性级别的增大,后倾角对破岩效率的影响程度降低;(5)在不同可钻性级别的岩石中,随着布齿密度增大,破岩效率均呈幂函数规律降低。该研究成果为按岩石可钻性级别合理选择PDC钻头提供了依据。

布齿参数对PDC钻头破岩效率影响的试验

PDC切削齿尺寸、后倾角和布齿密度是影响PDC钻头性能的重要设计参数。采用室内钻进试验方法,考察切削齿尺寸、后倾角和布齿密度对PDC钻头破岩效率的影响。结果表明：对可钻性为Ⅲ级以下的岩石,直径19 mm切削齿的破岩效率最高;对可钻性为Ⅳ-Ⅴ级的岩石,直径16 mm切削齿的破岩效率最高;采用直径19 mm和16 mm切削齿时,后倾角为15°左右时的破岩效率最高;随布齿密度增大,破岩效率降低,特别是在可钻性为Ⅲ级以下的岩石中,布齿密度的影响更为明显。

PDC钻头单齿“攻击性”布齿研究及有限元分析

为深入了解PDC钻头的“攻击性”，通过试验及有限元仿真等方法对PDC钻头的几何参数、布齿规律与钻压、扭矩和破岩效率之间的相互关系进行研究分析，得到如下结论：①前倾角A、侧转角B、切削面倾斜角C对“攻击性”影响大小为A〉C〉B，“攻击性”随前倾角A的增大而减小；②前倾角A的适合取值范围为17°～21°；③为保证整个钻头上切削齿“攻击性”的一致性，远离钻头中心的切削齿宜采用稍大的前倾角，可取19°～21°，靠近钻头中心的切削齿宜采用稍小的前倾角，可取17°～19°。PDC钻头的单齿布齿规律将为后续PDC钻头布齿的优化设计和现场钻井施加钻压工艺提供可靠的试验及理论依据，防止连续管等工具在钻井过程中的损坏，提高施工安全系数。

PDC钻头切削齿工作角设计理论

分析了PDC钻头切削齿结构特点及工作过程,定义了切削齿的侧倾角和前倾角两个工作角,并建立了这两个角的计算模式.研究认为,PDC钻头切削齿的齿前角、装配角及侧转角,决定了其工作面的方向及侧倾角;齿前角、侧转角及切削齿齿刃上工作点的位置,决定了该点工作时的前倾角.侧倾角和前倾角的概念不同于侧转角和齿前角.

PDC切削齿后倾角与破岩关系的数值模拟

PDC钻头在煤炭行业中应用广泛,但在煤层顶、底板硬岩穿层钻进中出现了效率低的状况。基于这一问题,以切削齿为单位对钻头破岩作用机制进行研究,在有限差分软件FLAC^(3D)中建立切削齿与岩石相互作用仿真模型。通过改变切削齿空间参数,模拟不同后倾角对切削齿破岩效果的影响。研究结果表明,切削齿的后倾角为15°时,切削齿对岩石产生应力及位移最大,破岩效果最为明显。

PDC钻头切削齿工作角的设计方法

详细讨论了各种因素对PDC钻头切削齿的两个工作角(前倾角及侧倾角)的大小和方向的影响-根据PDC钻头的结构特点,在设计切削齿工作角时,将钻头分为四个区域,分别论述了各个区域切削齿工作角的设计方法和原则.研究认为,控制钻头各部位切削齿结构参数的变化,可以设计出满足要求的切削齿工作角.

基于离散元法的砾岩地层三棱齿切削破岩数值模拟

三棱齿因具有强抗冲击性与高耐磨性,可提高PDC钻头在砾岩地层中破岩效率及寿命,但在砾岩地层中的破岩机理及破岩效果不明确,导致砾岩地层中三棱齿PDC钻头设计缺乏理论依据。针对上述问题,基于离散元法建立了三棱齿切削破碎砾岩的数值仿真模型,研究不同砾石与胶结物基质黏结强度差情况下砾岩破岩形式与过程,并分析了三棱齿直径及后倾角对三棱齿切削力及砾岩破碎过程中岩石裂纹拓展的影响。结果表明:在黏结强度差大于70 MPa时,砾石会直接被剥离,而强度差小于40 MPa时,砾石直接被破碎;2种黏结强度差情况下,三棱齿直径为16 mm,后倾角为15°时,切削破碎砾岩效率均能达到最高。该研究对三棱齿PDC钻头设计具有理论意义。

钢筋锥螺纹复合梳刀的设计与制造

本文着重叙述使用于特定螺纹切削头的复合螺纹梳刀的设计,指出它与普通切向螺纹梳刀的不同之处,并简单介绍了它的制造过程和切削条件。

尖锥形后备齿PDC钻头的参数优化与现场应用

通过ABAQUS有限元仿真分析了尖锥形齿在单齿条件下的破岩过程,计算得到了齿切削力和破碎比功随齿顶角和前倾角的变化规律获得了齿顶角和前倾角的最优匹配关系,为尖锥形后备齿PDC钻头的设计提供了理论支持。在此基础上研发的的尖锥形后备齿PDC钻头在岳XX井成功开展了现场试验,结果表明该钻头在机械钻速和进尺方面均表现优异具有较高的工程应用价值。在实际应用中也发现:除齿顶角和前倾角这两个参数之外,尖锥形齿与常规PDC齿的位置关系也值得深入研究其研究结果有望进一步提高尖锥形后备齿PDC钻头的破岩效率和使用寿命。

负前角硬质合金齿轮滚刀齿形精度保持性的研究

负前角硬质合金齿轮滚刀具有曲线刀刃，提高其齿形精度保持性比具有直线刀刃的普通齿轮滚刀更复杂、更困难。针对负前角硬质合金齿轮滚刀齿侧面铲磨畸变的特点，提出了一种使用新型凸轮曲线的变Ｋ值铲磨工艺，并优化设计了相应的新型变Ｋ值凸轮，在生产中进行了实验验证。该工艺具有操作简单、使用方便、精度稳定等优点。

PDC钻头厚层砾岩钻进技术探索与实践

为了降低海上钻井作业成本、提高作业效率,开发了PDC钻头厚层砾岩钻进技术。在保持普通PDC钻头快速切削性能的基础上,通过优选新型高强度PDC切削齿、改进钻头切削结构提高钻头的整体强度,通过采用后倾角渐变、力平衡设计、加强切削齿保护等方法提高钻头的稳定性,并且在使用中通过优化钻具组合、采用合理的钻井参数和"中低排量-中低转速-中高钻压"的平稳钻进模式预防PDC钻头在砾岩段的先期破坏,有效延长了钻头在砾岩钻进中的寿命。应用该技术实现了用PDC钻头在辽东湾一次性钻穿馆陶组和东营组上部疏松地层中垂厚近80m的砾岩段,有的井钻穿砾岩段后又直接钻下部中硬地层至完钻井深。采用PDC钻头厚层砾岩钻进技术,可以大量节省海上钻井作业时间,显著降低钻井费用。

考虑围压及岩石强度的PDC单齿破岩数值模拟

采用显式动力学中侵蚀接触的有限元分析方法,对PDC齿切削岩石进行了数值模拟,研究了围压强度对PDC齿切削力的影响,分析了不同齿径及后倾角对PDC齿破岩效率的影响规律。模拟结果较好地反应了PDC齿的剪切破岩机理,且后倾角增大,剪切破坏难度加大;围压使岩石强度增大,破岩难度增加;考虑软、硬地层时,分别选用10°、19mm和15°、13mm的后倾角及齿径组合能获得最高的破岩效率。

高职生认知铣削平面用铣刀的难点分解

随着数控技术的快速发展,铣刀在机械制造业中的应用越发广泛,但因铣刀结构复杂,部分高职生对铣刀的认知不是很清晰。本文坚持化繁为简的思路,即将复杂问题简单化、直观化,将铣削概念用实例来讲解以加深学生的理解,吸引学生积极主动思考,准确把握铣刀的相关技术要素。本文将从铣削平面用铣刀的几何参数、铣削用量、铣削层参数、铣削力的分解、铣削方式、铣刀几何参数的选择等方面逐一进行难点分解。

超长细杆加工

介绍了采用螺纹回转顶尖拉紧工件,反向走刀,粗、精车刀进行加工的方法,来加工细长杆类工件,扩大了设备的加工能力,提高了设备的利用率。

基于游动矢量球头立铣刀刃磨研究

以“S”形等导程螺旋线建立球头立铣刀刃口曲线,以刃口曲线为磨削依据,提出以刃口曲线上磨削点的三个游动正交矢量为参考坐标系规划砂轮磨削轨迹的磨削方案。在此基础上,建立具有法前角的前刀面以及后刀面的磨削数学模型,通过求取磨削过程中任意时刻磨削点的游动正交矢量,利用偏心法求取球头立铣刀前刀面磨削深度。以磨削点的游动正交矢量、前刀面法向前角以及前刀面各磨削点对应深度来规划砂轮磨削前刀面的位姿,以磨削点的游动正交矢量、后刀面法向角度以及后刀面各磨削点对应宽度来规划砂轮磨削后刀面的位姿,最终遍历整个刃口曲线形成砂轮磨削铣刀的运动轨迹。利用五轴磨床对建立的铣刀模型进行实际加工,实验结果显示球头铣刀各结构参数误差均能保证在5%以内,验证了砂轮磨削轨迹模型的准确性,为球头立铣刀的磨削建立理论基础。