PDC磨损齿切削破岩过程的实验研究

为探究深部钻井PDC钻头切削齿在磨损状态下的切削破岩过程,选取深部钻井PDC钻头上不同磨损程度的PDC齿开展单齿切削实验,借助应力测试系统、高速摄影机和热红外成像仪分析磨损齿的受力状态、温度变化规律以及岩石裂纹扩展过程。结果表明,与未磨损齿相比,磨损齿所受切削力更大、温度变化更明显,且更易产生大体积岩屑,这将导致钻头在井下振动加剧,磨损急剧加快,严重影响其使用寿命;切削花岗岩时切削力和温度大幅上升的问题更加突出,但更容易发生体积破碎,产生较大块的块状岩屑。研究成果将有助于重新认识真实井底磨损齿切削破岩及温度变化规律,并为钻头设计及井下寿命评估提供重要参考。

基于高压电脉冲破岩损伤模型的破岩过程研究

高压电脉冲破岩钻进是目前比较具有潜力和接近工业化的一种新型破岩钻进方式。已有的基于PFC2D的高压电脉冲破岩损伤模型未对破岩试验所用的岩石进行参数标定,无法保证模拟的模型与实际破岩试验的岩石力学性质一致。基于室内单轴压缩和巴西劈裂试验的数据结果对天然岩石进行了参数标定,通过标定所得的微观参数建立了与高压电脉冲破岩试验尺寸一致的几何模型,并对高压电脉冲破岩过程进行了仿真研究。仿真结果表明高压电脉冲破岩过程中,以产生剪切破坏为主,同时伴随着一定数量的拉张破坏。之后,利用高压电脉冲破岩试验系统进行了电脉冲破岩试验,得到了直径60 mm、深度22.5 mm的不规则破碎孔,并通过点云软件将破碎效果可视化,放电破岩试验的结果验证了标定所得参数的有效性。最后,通过标定参数建立的几何模型研究了裂隙对高压电脉冲破岩效果的影响,结果表明裂隙的存在会降低破岩过程中的能量消耗,且破碎过程中的破碎区域有向裂隙方向发展的趋势。

全尺寸PDC钻头旋转冲击破岩过程数值模拟

旋转冲击破岩机理作为旋转冲击钻井技术的关键基础问题,始终未能得到很好的解决,限制了旋转冲击钻井技术的推广与应用。为了揭露旋转冲击破岩过程,基于有限元方法,依据旋转冲击破岩试验数据,建立并验证了全尺寸PDC钻头旋转冲击破岩数值模型及模拟方法,利用该模拟方法分析了全尺寸PDC钻头在常规破岩与旋转冲击破岩方式下岩石应力的变化情况。分析结果表明:常规破岩岩石的损伤主要发生在齿底与齿前,旋转冲击破岩岩石的损伤主要发生在齿底、齿前与齿周;在冲击力增大阶段,齿前岩石主要受拉、剪作用;在冲击力衰减阶段,齿前岩石主要受压、剪作用;且不同岩石类型的冲击载荷与冲击频率的最佳组合并不一致。所得结论可为旋转冲击钻井技术的推广提供一定的理论支撑。

大直径中空直孔掏槽爆破破岩过程分析

建立了大直径中空直孔掏槽爆破的力学模型,采用FEM-SPH(Finite Element Method-Smooth Particle Hydrodynamics)耦合算法对破岩过程进行了数值模拟。结果表明:该数值模拟方法能够直观展示大直径中空直孔掏槽爆破破岩全过程,爆破破岩过程分为端部爆破漏斗形成和槽腔岩体抛掷两个阶段;理论计算所得端部爆破漏斗边界与数值模拟所得漏斗边界基本一致,而理论计算所得最终槽腔边界与数值模拟所得槽腔边界存在差异,数值模拟所得最终槽腔边界呈倒立钟形,更符合最终槽腔边界的实际观测情况。研究结果为合理确定大直径中空直孔掏槽爆破参数提供了理论依据。

直眼掏槽破岩过程模拟与空孔效应分析

基于空孔直眼掏槽的基本形式,运用三维有限元软件LS—DYNA,模拟了槽孔与3种不同直径空孔的动态破碎贯通过程,得到了直眼掏槽爆破应力分布规律。模拟结果表明:空孔在掏槽爆破中提供初始自由面,对槽腔岩石破碎具有导向作用;通过3组模型破岩过程的对比,可以清晰的看出空孔直径越大,破岩过程的拉伸破坏区域和压缩破坏区域越明显。进一步分析表明,空孔在掏槽爆破中产生空孔效应,改变了槽孔爆破的应力分布,使空孔与槽孔连线上产生最大拉应力,拉应力的大小与增幅与理论计算较接近。以上研究可供直眼掏槽爆破中空孔大小选取作参考。

盾构刀具破岩过程及其切削特性

采用数值模拟技术并借助于大型有限元软件,选择在Ottosen四参数破坏准则基础上引入损伤因子的非线性弹塑性本构模型作为软岩的材料模型,建立盾构刀具切削软岩的二维简化模型,模拟破岩过程中裂纹的生成和扩展;建立三维有限元模型,分析切削力在整个切削过程中的变化,并通过试验验证仿真过程的可行性和有效性。研究结果表明:岩石的破碎过程和切屑的形成过程是由拉伸裂纹和剪切裂纹延伸而成;刀具的切削力与切削时间之间遵循波动变化关系,能够较真实地反映盾构刀具破岩过程中岩石的破碎动态响应过程;采用该方法研究刀具几何参数和切削参数对切削力的影响程度和趋势,为盾构刀具的最优化设计提供了参考依据。

TBM盘形滚刀破岩过程的数值研究

采用ANSYS/LS-DYNA对TBM(tunnel boring machine)滚刀切削岩石的过程进行动态模拟和动力学分析,研究了破岩过程中滚刀的受力情况和滚刀贯入度及滚动速度对切削力的影响规律.结果表明,当岩石单轴抗压强度为45 MPa时,滚刀承受的侧向力、滚动力及正向力的平均值分别约为0、0.45、4.5 k N,在该工况下滚刀的最佳贯入度及滚动速度分别为10 mm和3.6 r/min.研究结果为工程人员在次硬围岩的工况下设计工作参数提供了合理依据.

爆破破岩过程中的动态卸载效应探讨

以瞬态载荷作用下弹性介质中球形空腔的动态响应解析解为基础,分析了爆炸载荷动态卸载时对介质中应力分布的影响,探讨了动态卸载效应在爆破破岩过程中的作用,并对爆破工程实践中的一些现象作了合理地解释,指出了深入研究动态卸载效应的必要性。

气动冲旋钻头破岩过程仿真研究

运用有限元软件LS-DYNA对气动冲旋钻头一次冲击情况下的破岩过程进行了仿真研究,阐述了冲旋钻井过程中钻头与岩石互作用数值研究的相关问题,并对钻头破碎岩石的几个阶段进行了详细的描述。研究表明:钻头破碎岩石的过程分为四个阶段:①中心齿破碎岩石,形成破碎坑阶段。②第二排齿破碎岩石,形成破碎坑阶段。③边齿破碎岩石,形成破碎坑阶段。④整体破碎坑形成阶段。在冲击旋转作用下岩石破碎形态主要有三种:破碎坑、损伤区和无损伤区。钻头产生破碎坑区域越大,钻头破岩效率就越高;损伤区能不同程度地降低了岩石的强度,有利于旋转刮削破岩和下一次冲击破岩,文中所示钻头破碎岩石形成的破碎坑脊部过宽,不利于钻头刮削破碎岩石,原因是钻头部分牙齿之间距离过大。

锚杆钻头破岩过程建模及仿真分析

为实现锚杆钻头破岩过程的可视化,研究了钻头的破岩机理,采用弹塑性煤岩损伤模型对锚杆钻头钻进过程中的破岩过程进行仿真模拟,进而分析煤岩的破坏规律,获得了钻头的阻力载荷等数据。研究结果表明:钻削过程中,受钻头结构的影响,煤岩分为直接破碎区、损伤区、无损伤区3个区域;由于煤岩弹性变形的影响,钻头起始工作时钻进阻力较大、钻机速度较低;钻翼数量等于钻头每转内速度的波动次数,所以钻翼数量直接影响钻头钻进过程的稳定性。

锥形齿旋冲及扭冲的破岩过程与破岩效率分析

为了解锥形齿在旋转冲击和扭转冲击载荷作用下的破岩过程和破岩效率,采用数值模拟和试验数据验证的方法,研究了2种破岩方式下不同冲击幅值和冲击频率对应的岩石内部应力变化、岩石损伤特征、岩石破碎体积和破碎深度、破岩比功。数值模拟分析结果表明,锥形齿在旋转冲击和扭转冲击破岩过程中均表现为切削齿侵入岩石、岩石损伤贯通裂纹萌生、岩石损伤贯通裂纹扩展、裂缝贯通岩屑崩落4个阶段,拉应力是引起岩石内部到表面贯通裂缝产生的主要原因,压剪应力是岩石内部出现损伤和形成微裂纹的主要原因。随着冲击幅值和冲击频率增大,旋转冲击和扭转冲击破岩方式下,锥形齿破碎岩石的体积都会增大,但当冲击幅值和冲击频率增加到一定值时,岩石破碎体积的增加趋势趋于平缓;锥形齿旋转冲击破岩方式下的最大破碎体积高于扭转冲击破岩方式。常规切削、旋转冲击和扭转冲击3种破岩方式下,锥形齿常规切削的破岩比功最大,不同冲击幅值和冲击频率条件下,锥形齿扭转冲击破岩方式下的破岩比功普遍比旋转冲击破岩方式低。

含能弹架石油复合射孔的破岩过程

本文从射孔孔道形成、射孔孔道启裂、射孔孔道扩展、岩石裂缝贯通、岩石裂缝支撑、岩石裂缝止裂6个方面就石油复合射孔的破岩机理及其作用过程进行了论述,以供同行参考。

考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程研究

针对岩石爆破爆炸荷载历程中未联合考虑岩石爆破动态过程和炮孔周围岩体破坏分区的不足,开展了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程及其适用性研究。联合岩石爆破动态过程和岩体破坏分区的理论解,推导了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载理论公式,比较了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程与实测炮孔爆炸压力曲线,开展了单孔爆破现场试验和相应条件下3种爆炸荷载工况的数值模拟,并对爆破振动现场实测和数值模拟结果进行了对比。研究结果表明:考虑岩体破坏分区的爆炸荷载历程包括上升段和衰减段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,上升段持续时间极短,衰减段持续时间较长且主要由填塞情况控制;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载历程理论计算结果与实测炮孔爆炸压力曲线的变化趋势一致,验证了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载理论公式的可靠性;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载工况下,单孔爆破振动波形的数值模拟结果与现场实测结果的主要特征一致,该荷载工况下质点峰值振速计算结果与现场实测值偏差率最小,绝大部分在7%以内,表明了其应用于数值模拟的优越性;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载可随岩石爆破系统条件的变化而动态调整,其可靠性好、适应性强、应用效果佳。

锥形聚晶金刚石复合片齿破岩特征与机制研究

锥形聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)齿是一种具有较强抗冲击性和耐磨性的新型PDC齿,在坚硬、强研磨性和软硬交错地层中取得了非常好的钻井提速效果。为了揭示锥形齿破碎硬岩机制,开展锥形齿破碎花岗岩试验与数值模拟研究,分析了切削深度和前倾角对锥形齿切削力和破岩比能的影响规律,采用高速摄像机和透明K9玻璃观测了锥形齿作用下岩屑形成过程及微裂纹萌生与扩展过程,通过数值模拟分析了破岩过程中岩石应力响应与损伤演化特性,结合对切削槽和大尺寸块体岩屑表面形貌及断口微观特征分析,建立了锥形齿破碎花岗岩机制模型。结果表明,锥形齿破碎花岗岩的过程可以分为挤压成核和块体崩裂两个阶段,前倾角对岩石破碎过程影响较小,切削深度的影响显著;锥形齿周围的裂纹主要由压实核、纵向裂纹和横向裂纹组成,纵向裂纹和横向裂纹扩展的最大深度分别为切削深度的6.69倍和4.53倍;齿尖周围压应力集中,岩石发生压剪破坏,压应力区外围形成弧形条带状拉应力区,并在齿尖及压应力区边界处诱导出拉伸微裂纹;微裂纹向齿前扩展形成弧形拉伸主裂纹,发生块体岩屑崩裂,提高破岩效率,向岩石内部扩展劣化岩石强度,形成底部损伤区,提高后续破岩效率。

TBM滚刀作用下岩石破坏过程数值模拟

根据岩石Drucker-Prager塑性屈服准则和岩石的力学特性,利用ABAQUS软件建立了全断面岩石隧道掘进机(TBM)滚刀破岩的仿真模型,并对滚刀的破岩过程进行了仿真。模拟结果表明:岩石内聚力和内摩擦角的选取对滚刀破岩过程中法向力的影响较大,法向力随着岩石内聚力和内摩擦角的增大而增大。在岩石破坏前,法向力随着滚刀下压深度的增加而增加。对于所选定的岩石力学参数,当yz方向剪应变达到0.183时,岩石出现破碎。这对改进刀盘参数的设计、提高掘进效率具有一定的指导意义。

硬地层复合钻头破岩特性与提速机理研究

PDC-牙轮复合钻头是一种综合了PDC钻头与牙轮钻头结构特点和工作原理的新型钻头,能更高效地钻进硬地层。但由于对其破岩机理认识不足,使得PDC-牙轮复合钻头的研发具有盲目性,推广受限。基于弹塑性力学和岩石破碎学,采用Drucker-Prager准则描述岩石本构关系,塑形应变作为破岩判据,通过有限元法建立全尺寸复合钻头和PDC钻头动态破岩的非线性动力学模型,分析了复合钻头作用下硬地层岩石的破坏机制,对比了硬地层中两种钻头的动态破岩过程。结果表明:复合钻头钻井能满足井壁稳定性的要求,然而一旦井壁失稳,井壁岩石将大块脱落;以拉应力破岩为主是复合钻头在硬地层中大幅提高机械钻速的原因之一;硬地层中复合钻头扭转振动低于PDC钻头,破岩效率更高;由于牙轮滚动的多边形效应,复合钻头沿钻进方向对岩石的冲击较PDC钻头更大,能更快钻进硬地层。

自控水力截齿破岩机理的混沌动力学特征

本文应用混沌理论研究了高压水射流与机械刀具结合破岩过程中水楔作用发挥程度的识别方法。基于截割力信号所展示的不规则的非周期混沌现象,将一个破碎强度时间序列纳入了非线性耗散动力系统。应用时间延迟方法反演了该系统的动态,其结果表明,系统的长时性态为一具有自相似分形结构的奇怪吸引子,分维数就是岩石破碎机理改变的一个灵敏度量。

基于ABAQUS的单双滚刀破岩分析

为研究无初始角速度的被动滚动和有初始角速度的主动滚动这两种运动模式下全断面隧道掘进机滚刀破岩历程的摩擦耗能差别以及不同间距下双刀协同破岩的工作状态,探寻最优刀间距,利用ABAQUS对滚刀破岩过程进行有限元分析。结果表明:滚刀与岩石接触之初,接触应力持续增加导致岩石破碎后,无论滚刀有无动力,其摩擦耗能均随掘进距离线性增加;岩石破碎前的压入过程中,被动滚动的滚刀摩擦耗能上升快、耗能高,而主动滚动的滚刀基本没有摩擦耗能,磨损量也低于被动滚动的滚刀;岩石破碎后,滚刀主动滚动时的摩擦耗能比被动滚动减少32.4%,其磨损量也降低约1/3;双刀协同破岩时存在最优刀间距,这为刀盘滚刀布局设计提供了参考。

液压式应力波辅助破岩工具设计及实验研究

对碳酸盐岩储层深井、超深井钻井进行了动载破岩机制研究,设计了应力波辅助破岩工具。使用ABAQUS进行了数值模拟,得出影响破岩效率的因素和规律,并依据该规律进行工具参数优化。通过实验,验证了该工具的可靠性和实用性,对应力波辅助破岩工具的参数设计及配套工艺提供了重要参考。将应力波辅助破岩工具单元与减振器单元融合,可适用于多种复杂地层钻井作业,尤其适用于泥岩夹火成岩层地层、砾石层夹层等软硬交替地层钻井作业,能够提高机械钻速和丼深质量,延长破岩工具的使用寿命,具有很好的应用前景。