热力耦合作用下修井磨鞋产热规律与控温方法

针对修井液冷却不充分恶劣工况下修井磨鞋钻进慢、磨损快的技术瓶颈问题,基于热源法原理和傅里叶定律建立修井磨鞋磨粒力学与温度解析模型,明确磨粒受力、温度与结构参数的定量关系,采用温度-位移耦合侵彻接触算法建立磨粒热力耦合仿真模型,结合全尺寸修井磨鞋无冷却钻进试验探究室温环境下的修井磨鞋产热规律,进而提出改善修井磨鞋散热特性的控温方法,同时开发新型修井磨鞋并验证实际散热效果。结果表明:修井磨鞋磨粒的高温区域分布在磨粒切削刃和前刀面,高温中心由磨粒刀尖向前刀面逐渐演化,最高温度达到612.3℃;从磨粒切削刃、磨粒后角、水眼布置和散热方式等方面提出修井磨鞋控温方法,有散热孔磨粒稳定阶段的降温幅度在13.9%~21.3%;相对于常规修井磨鞋,新型修井磨鞋的高温区域由磨粒工作表面转移到试验工件表面,室温环境下的降温幅度超过10.5%。

磨粒布齿角度对旋进式修井磨鞋工作特性影响规律

针对复杂井筒工况下修井磨鞋钻进慢、磨损快的技术瓶颈问题,以前期优选的旋进式修井磨鞋为研究对象,基于剪切滑移线理论模型建立磨粒力学解析模型,明确磨粒布齿角度与修井磨鞋工作扭矩定量关系,基于Python语言的ABAQUS二次开发编写单磨粒切削仿真软件,实现单磨粒切削仿真模型参数化建模,试制不同布齿角度单磨粒修井磨鞋并完成实验测试,从布齿类型、成屑特征、切屑形态、切痕形貌和工作特性5个方面确定优选布齿角度。研究结果表明,零布齿角磨粒切削力增长最快,正布齿角切削力数值最大,负布齿角磨粒切削力数值最小且平稳波动变化,波动范围为642.5~785.3 N。随着磨粒布齿角度在0°~45°范围内增大,切屑体积逐渐减小,切屑长度由5 mm减小为2 mm,切屑形状由卷筒状变为不规则颗粒状。当布齿角度为5°和10°时,实验工件表面轮廓深度最大,达到1.0 mm。当磨粒布齿角度为8°时,材料去除质量最大,达到9.49 g,同时工作扭矩仅为28.7 N·m,工作过程较为平稳。综合考虑工作效率和工作安全,旋进式修井磨鞋的优选布齿角度为-8°。