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异形PDC齿切削破岩提速机理研究

中国机械工程 2022年第17期33卷 2133-2141页

作者：刘伟吉阳飞龙祝效华罗云旭何灵西南石油大学机电工程学院成都610500

在室内切削实验基础上基于有限元二次开发建立了异形齿切削及全钻头破碎非均质花岗岩的三维数值仿真模型,研究了12种形状聚晶金刚石复合片(PDC)齿切削非均质岩石过程中的切向力、法向力、岩屑、破岩比功,并研究了齿形对全尺寸钻头破岩... 详细信息

在室内切削实验基础上基于有限元二次开发建立了异形齿切削及全钻头破碎非均质花岗岩的三维数值仿真模型,研究了12种形状聚晶金刚石复合片(PDC)齿切削非均质岩石过程中的切向力、法向力、岩屑、破岩比功,并研究了齿形对全尺寸钻头破岩效率的影响。研究结果表明:锥形齿的切向力最小,破岩比功最高,对应的锥形齿钻头的进尺也最小;三平面齿的法向力和切向力均为最大;破岩比功最低的齿为双曲面齿;进尺最大的全钻头齿形为更易吃入岩石的鞍形齿、双曲面齿以及斧形齿。

关键词：花岗岩 PDC齿全钻头切削力破岩比功

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围压条件下电脉冲破碎干热岩机理

天然气工业 2022年第4期42卷 117-129页

作者：刘伟吉胡海祝效华罗云旭陈梦秋西南石油大学机电工程学院西南石油大学地热能研究中心

干热岩储集层具有埋深大、温度高、岩石硬度高、研磨性强、可钻性差、地层环境复杂多变且施工难度大等特点,现有钻井技术难以满足地热资源的有效开发。利用高压电脉冲破岩技术开采干热岩热能有利于避免机械钻井过程中钻头磨损的问题,但... 详细信息

干热岩储集层具有埋深大、温度高、岩石硬度高、研磨性强、可钻性差、地层环境复杂多变且施工难度大等特点,现有钻井技术难以满足地热资源的有效开发。利用高压电脉冲破岩技术开采干热岩热能有利于避免机械钻井过程中钻头磨损的问题,但其破岩机理尚不清楚。为此,基于离散元颗粒流GBM和等离子体通道路径生成的概率发展模型建立了电脉冲破岩热—力耦合模型,并就围压—液柱压力范围介于5~25 MPa,围压—液柱压力比K介于0.05~20时的花岗岩进行电脉冲破碎后产生的裂纹类型及数量、破碎体积分数分析。研究结果表明:①电脉冲破碎花岗岩后,花岗岩内部产生了晶内拉伸、晶内剪切、晶间拉伸与晶间剪切4种微观裂纹,并以前3种裂纹为主;②当K≥1,且围压大于15 MPa时会促进花岗岩的电脉冲破碎,随围压的增大,晶间拉伸裂纹的萌生和扩展得到加强;③K<1时,对于不同的K值,各个类型的裂纹数量曲线呈现出不同的形态,并且产生的裂纹总数少;④在围压处于很低水平时,无论液柱压力如何变化,相对于围压较大的情况电脉冲破岩效率会更高,破碎体积分数更大。结论认为,利用高压电脉冲对岩石进行破碎,是一种新型的破岩方式,围压条件下电脉冲破碎干热岩机理的揭示,为干热岩的高效钻井开发提供了理论支撑和技术参考。

关键词：干热岩 GBM 花岗岩电脉冲破岩围压液压裂纹数值模拟

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基于等效岩体表征方法的花岗岩切削破碎机理

应用基础与工程科学学报 2023年第4期31卷 1043-1060页

作者：刘伟吉王燕飞祝效华罗云旭胡海西南石油大学机电工程学院四川成都610500 石油天然气装备教育部重点实验室四川成都610500 西南石油大学地热能研究中心四川成都610500

利用离散元颗粒流方法,建立了花岗岩的等效岩体表征模型,研究了单向应力和双向应力作用下钻齿切削花岗岩的切削力动态响应、微宏观裂纹、岩屑生成、能量耗散等机理问题.研究发现,晶间拉伸裂纹和晶内剪切裂纹是切削过程中产生的两种主要... 详细信息

利用离散元颗粒流方法,建立了花岗岩的等效岩体表征模型,研究了单向应力和双向应力作用下钻齿切削花岗岩的切削力动态响应、微宏观裂纹、岩屑生成、能量耗散等机理问题.研究发现,晶间拉伸裂纹和晶内剪切裂纹是切削过程中产生的两种主要裂纹;随着切削深度的增加,裂纹数增加;单向应力下,侧压和液柱压力都会使得岩石压实,使总裂纹数降低,增加切削能耗,且液柱压力对花岗岩破碎的影响高于同值下的侧压,而大侧压或液柱压力会使得晶间拉伸裂纹数量增多;双向应力下,液柱压力对花岗岩破碎的影响远远高于同值下的侧压,侧压和液柱压力的相对大小是影响花岗岩破碎的重要因素.研究结果可为深部硬脆性花岗岩地层的钻井提速提供借鉴和依据.

关键词：破岩机理等效岩体技术离散元切削破岩 GBM 双轴应力

基于扩展PFC2D-GBM模型的单齿切削花岗岩破碎机制

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中国石油大学学报（自然科学版） 2023年第2期47卷 81-89页

作者：黄继庆胡海樊思成刘伟吉祝效华中国石油渤海石油装备制造有限公司天津300457 西南石油大学机电工程学院四川成都610500

常规钻井工具在钻进深部油气资源地层岩石的过程中,通常会遇到钻速低、成本高等问题。为提高钻头在深部硬地层的钻进效率、优化破岩参数,利用扩展PFC2D-GBM模型建立基于真实晶粒结构的花岗岩模型,对PDC单齿切削作用下的破岩机制进行深... 详细信息

常规钻井工具在钻进深部油气资源地层岩石的过程中,通常会遇到钻速低、成本高等问题。为提高钻头在深部硬地层的钻进效率、优化破岩参数,利用扩展PFC2D-GBM模型建立基于真实晶粒结构的花岗岩模型,对PDC单齿切削作用下的破岩机制进行深入分析,分别从宏细观尺度讨论围压、前倾角以及切削速度对破岩效果的影响。结果表明:在切削过程中,岩石中总会萌生晶内拉伸裂纹、晶内剪切裂纹、晶间拉伸裂纹以及晶间剪切裂纹4种微裂纹;无论在何种工况下,晶间拉伸裂纹的数量总是最多且分布范围最广;在无围压时,矿物晶粒在PDC齿作用下沿晶粒边界脱离岩石形成岩屑,产生的裂纹基本是晶间拉伸裂纹,只存在极少的晶内裂纹;随着围压的增大,晶内剪切裂纹的萌生会得到一定的促进作用,并且围压越大,这种促进作用更强。

关键词：硬岩花岗岩 PFC2D 细观破碎数值模拟

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异形PDC齿混合切削破碎花岗岩特性研究

工程力学 2023年第3期40卷 245-256页

作者：刘伟吉阳飞龙董洪铎程润祝效华西南石油大学机电工程学院四川成都610500 石油天然气装备教育部重点实验室四川成都610500 中国石油集团渤海钻探工程有限公司第一钻井工程分公司天津300280

针对常规齿PDC钻头在硬地层钻进中出现的磨损大,崩齿、碎齿严重等问题,各种异形齿被广泛用于钻头设计。为探究和优化单一齿形及混合齿形PDC钻头的布齿间距,提高PDC齿在花岗岩地层的破岩效率,进行了相同形状PDC齿组合切削破岩室内试验和... 详细信息

针对常规齿PDC钻头在硬地层钻进中出现的磨损大,崩齿、碎齿严重等问题,各种异形齿被广泛用于钻头设计。为探究和优化单一齿形及混合齿形PDC钻头的布齿间距,提高PDC齿在花岗岩地层的破岩效率,进行了相同形状PDC齿组合切削破岩室内试验和平面PDC齿与异形齿混合布齿数值仿真实验。研究结果表明:在切削花岗岩且切深为1.0 mm时,平面齿组合的最优布齿间距为10 mm,斧形齿为12 mm,锥形齿为3 mm,三平面齿为11 mm。混合布齿组合中,“平面齿+斧形齿”的最优布齿间距为6 mm,“平面齿+锥形齿”为8 mm,“平面齿+三平面齿”为9 mm。在不同的组合中,包含三平面齿的组合其破岩比功最低,破岩效率最高。研究结果对单一齿形钻头以及混合齿钻头的齿形选择和布齿间距优化具有重要的参考作用。

关键词：异形齿花岗岩切削破岩布齿间距混合布齿

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影响高压电脉冲破岩效率的关键因素分析

天然气工业 2023年第10期43卷 112-124页

作者：刘伟吉张有建祝效华胡海何灵陈梦秋西南石油大学机电工程学院石油天然气装备教育部重点实验室西南石油大学地热能研究中心

随着石油、天然气、地热等资源勘探开发钻井深度的不断增加,传统的机械钻井方式表现出效率低、能耗高等缺点,难以满足深层、超深层钻探的需要。为此,在系统梳理和总结高压电脉冲破岩机理、放电破岩类型和电脉冲钻进原理的基础上,开展了... 详细信息

随着石油、天然气、地热等资源勘探开发钻井深度的不断增加,传统的机械钻井方式表现出效率低、能耗高等缺点,难以满足深层、超深层钻探的需要。为此,在系统梳理和总结高压电脉冲破岩机理、放电破岩类型和电脉冲钻进原理的基础上,开展了高压电脉冲破岩过程中的电学结构参数、岩石特征参数和电极结构参数对高压电脉冲破岩效率的影响研究,并探讨了电脉冲钻井技术的发展趋势与研究方向,最后提出了一种电脉冲—机械复合高效破岩新技术。研究结果表明:①高压电脉冲破岩过程的电学参数对破岩效率有显著影响;②岩石内部裂缝、裂隙倾角和裂隙度同样会直接影响高压电脉冲破岩效率;③电极钻头结构设计需结合其在井底处流场分布并考虑高温烧蚀因素;④复合钻头将高压电脉冲破岩技术与机械旋转钻井技术相结合,既保留了机械钻头修整井壁质量的能力,又加入了电极钻头高效的破岩能力,保证其在硬岩地层的长时间钻进,大大提高了钻井效率。结论认为,高压电脉冲破岩技术作为一种新型高效破岩技术,其合理使用可为钻井提速技术创新提供有益参考,其与机械钻井相复合的新型钻井技术能够实现深部难钻地层和干热岩地层的高效低成本钻井。

关键词：高压电脉冲破岩机理电极结构非均质花岗岩电脉冲—机械复合破岩

强研磨性地层中PDC钻头井底热-流-固三场耦合研究

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工程设计学报 2022年第4期29卷 446-455页

作者：祝效华李聪刘伟吉谭宾徐文西南石油大学机电工程学院四川成都610500 中国石油天然气集团有限公司川庆钻探工程有限公司四川广汉618399

PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头在强研磨性地层中破岩时,其钻齿在刮切破碎岩石的同时与岩屑、岩石剧烈摩擦,产生的局部高温加快了钻齿的磨损失效,这会极大地缩短整个钻头的使用寿命。因此,探究温度对PDC钻... 详细信息

PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头在强研磨性地层中破岩时,其钻齿在刮切破碎岩石的同时与岩屑、岩石剧烈摩擦,产生的局部高温加快了钻齿的磨损失效,这会极大地缩短整个钻头的使用寿命。因此,探究温度对PDC钻头磨损的影响并改进其水力结构对提升单个钻头的进尺深度和降低钻井经济成本有显著意义。为此,通过钻齿切削实验来验证其温度与磨损之间的关系,并在考虑井底钻井液流动状态及其与钻齿之间对流换热的基础上,建立了PDC钻头井底热-流-固三场耦合模型,分析了井底钻井液与PDC钻头之间的相互作用,同时针对原有的PDC钻头水力结构提出了优化措施。结果表明:1)在钻齿切削过程中温升现象十分明显,说明温度是影响PDC钻头磨损的重要因素;2)PDC钻头井底流场呈热-流-固耦合状态,且钻井液流动状态对其钻齿换热的影响大,这为钻头水力结构的优化提供了方向;3)通过调整喷嘴的流量及角度等水力结构,降低了钻齿的平均温度,可有效改善PDC钻头的磨损情况。研究结果对强研磨性地层中钻头的优化设计有重要指导意义。

关键词：强研磨性地层钻头破岩温度磨损流场

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局部高温诱导致裂非均质花岗岩机理研究

工程力学 2023年第10期40卷 222-236页

作者：刘伟吉向畅谭宾祝效华胡海李枝林西南石油大学机电工程学院四川成都610500 西南石油大学地热能研究中心四川成都610500 中国石油集团川庆钻探工程有限公司四川广汉618399

深部难钻地层钻速慢、钻井成本高的问题是现阶段钻井提速遇到的瓶颈问题,传统机械破岩难以大幅提速,亟需新的高效破岩方法。该文通过室内试验分析了局部高温作用下花岗岩的破碎模式,基于颗粒流离散元PFC2D建立了非均质花岗岩的等效岩体... 详细信息

深部难钻地层钻速慢、钻井成本高的问题是现阶段钻井提速遇到的瓶颈问题,传统机械破岩难以大幅提速,亟需新的高效破岩方法。该文通过室内试验分析了局部高温作用下花岗岩的破碎模式,基于颗粒流离散元PFC2D建立了非均质花岗岩的等效岩体模型及局部高温诱导致裂花岗岩的热-力耦合模型,考虑了地层压力、液柱压力对于局部高温诱导花岗岩致裂的影响,再现了非均质花岗岩的微、宏观破裂过程,总结了温度、压力与岩石微观损伤的关系。实验结果表明:合理调节温度,在不产生熔融花岗岩的前提下,高温破碎花岗岩效果极为显著,破碎的岩屑呈片状,利于携岩。局部高温作用下花岗岩主要产生两个类型裂纹:晶内剪切裂纹和晶间拉伸裂纹;液柱压力对高温诱导裂纹的抑制作用特别明显,侧向压力能促进晶内剪切裂纹扩展;局部高温使花岗岩产生明显损伤的情况仅发生在浅地层,对深部地层作用甚微,建议结合PDC钻头切削或冲击;对花岗岩不同位置进行加热时,晶内剪切裂纹只存在于加热中心位置,而晶间拉伸裂纹扩展的范围更广,裂纹密度和分布与晶粒属性有关。研究结果有助于对高温热致裂岩石机理的深入了解以及为深部钻井提速提供新的思路。

关键词：高温热致裂液柱压力侧向压力损伤花岗岩

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粒子冲击及其辅助钻齿破岩规律研究

西南石油大学学报（自然科学版） 2023年第5期45卷 152-163页

作者：祝效华何灵刘伟吉罗云旭阳飞龙西南石油大学机电工程学院四川成都610500

粒子冲击钻井是一种新型高效的钻井技术,结合冲击技术和机械破岩,实现了钻头在研磨性硬地层的高效钻进。当前粒子冲击辅助破岩的机理还不够明确,为优化粒子冲击钻井参数,提高钻井效率,基于离散元颗粒流方法,建立了具有微观聚团特性的黑... 详细信息

粒子冲击钻井是一种新型高效的钻井技术,结合冲击技术和机械破岩,实现了钻头在研磨性硬地层的高效钻进。当前粒子冲击辅助破岩的机理还不够明确,为优化粒子冲击钻井参数,提高钻井效率,基于离散元颗粒流方法,建立了具有微观聚团特性的黑砂岩数值模型。在考虑黑砂岩的矿物组分及占比情况下,研究了粒子在不同粒径、入射角度、入射速度条件下的单粒子冲击、多粒子冲击及辅助切削破岩规律。研究表明:1)粒子冲击辅助切削破岩相比传统切削破岩效率更高,粒子粒径在1.5和3.0 mm时,破岩比功会呈现急剧降低的现象,粒径在1.5~2.5 mm破岩比功变化不大;2)粒子粒径、入射角度和入射速度对辅助破岩有重要影响,为提高辅助破岩效率,建议使用粒径为3.0 mm的粒子和0°~25°的入射角度,同时加大入射速度。研究表明,粒子冲击钻井技术是提高研磨性硬地层高效钻进的有效手段,研究结果能为该技术的发展提供一定的指导意义。

关键词：粒子辅助破岩离散元数值模拟破岩效率