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东北大学学报(自然科学版) 1978年第4期 73-95页

本文是探索在当量载荷作用下冲击(动载)破岩与静压(静载)破岩的破碎比功在数量与性质上有何区别和联系的初步试验报告。问题的提出随着穿孔技术的不断发展和全断面掘进机的推广使用,迫切需要解决岩石可钻性的测定

关键词：黑云母片麻岩破碎比功凿碎比功静载岩石可钻性岩石物理性质角闪岩闪岩区域变质岩静压比破岩比功钎刃混合岩变质岩侵深试块

单齿复合冲击切削破岩机制及其与扭转冲击的对比

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中国石油大学学报（自然科学版） 2020年第3期44卷 74-80页

作者：刘伟吉曾义金祝效华丁士东页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室北京100083 西南石油大学机电工程学院四川成都610500

复合冲击钻井技术是继扭转冲击钻井技术之后发展起来的新的针对硬地层的提速技术,但其破岩提速机制及其相对于扭转冲击技术的区别还不够清晰,使在实际钻井中对于这两种钻井技术的选择没有依据。针对此问题,在室内试验的基础上基于有限... 详细信息

复合冲击钻井技术是继扭转冲击钻井技术之后发展起来的新的针对硬地层的提速技术,但其破岩提速机制及其相对于扭转冲击技术的区别还不够清晰,使在实际钻井中对于这两种钻井技术的选择没有依据。针对此问题,在室内试验的基础上基于有限元方法建立单齿复合冲击切削岩石(硬岩和软岩)的拟三维数值仿真模型,研究复合冲击作用下钻齿切削岩石过程中岩屑形成及破岩比功等,并与扭转冲击切削做相应对比分析。结果表明:针对硬岩(雅安花岗岩),当切削深度较小(小于0.6 mm)时,复合冲击切削破岩效率最高;当切削深度适中(0.6~1.2 mm)时,扭转冲击切削破岩效率最高;当切削深度较大(大于1.2 mm)时,扭转冲击和复合冲击相对于常规切削破岩几乎没有提速效果;在软地层(南充砂岩)中复合冲击和扭转冲击切削几乎没有提速效果。

关键词：钻井复合冲击扭转破岩破岩机制破岩比功

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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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考虑岩石疲劳损伤的空气冲旋钻井破岩数值模拟研究

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岩石力学与工程学报 2012年第4期31卷 754-761页

作者：祝效华罗衡贾彦杰西南石油大学机电工程学院四川成都610500 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室四川成都610500

以川东北PGP-X井为研究对象,对2 140～4 914 m地层进行分段采样,运用静态试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置对采样岩石进行动、静态力学性能室内试验。利用LS-DYNA建立空气冲旋钻井活塞–钻头–岩石相互作用系统模型,仿真模型... 详细信息

以川东北PGP-X井为研究对象,对2 140～4 914 m地层进行分段采样,运用静态试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置对采样岩石进行动、静态力学性能室内试验。利用LS-DYNA建立空气冲旋钻井活塞–钻头–岩石相互作用系统模型,仿真模型中岩石采用H-J-C动态本构,为考虑冲击载荷往复加载对岩石造成的损伤积累,在每次冲击后,对井底岩石进行强度修正。在此基础上,研究PGP-X井钻井参量及空气锤结构参量与冲击功及破岩比功的关系,探索冲击功、冲击末速度、钻压、冲击频率、转速、井深及岩性对破岩能效的影响。分析发现冲击功–破岩比功曲线具有界限明显的波动区与稳定区,由此得到空气冲旋钻井的临界冲击功及临界钻压;临界冲击功及临界钻压与井深和岩性密切相关,随着井深和岩石硬度增加,临界冲击功和临界钻压都有逐渐减小。通过以上研究,推荐了典型深部地层的临界冲击功、临界钻压、最佳转速与冲击频率组合,这些结果可以作为现场空气冲旋钻井实践的参考。

关键词：岩石力学空气冲旋钻井岩石疲劳损伤岩石动态本构关系钻井参数破岩比功

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单齿高频扭转冲击切削的破岩及提速机理

石油学报 2017年第5期38卷 578-586页

作者：祝效华刘伟吉西南石油大学机电工程学院四川成都610500

高频扭转冲击钻井作为一种新兴钻井技术,由于其在硬地层钻进中具有显著的提速效果以及能够较好抑制黏滑振动的发生而得到极大关注。但由于对其破岩机理以及提速机理认识不够清楚,使得高频扭转冲击钻井技术在推广应用时尚未发挥其最佳性... 详细信息

高频扭转冲击钻井作为一种新兴钻井技术,由于其在硬地层钻进中具有显著的提速效果以及能够较好抑制黏滑振动的发生而得到极大关注。但由于对其破岩机理以及提速机理认识不够清楚,使得高频扭转冲击钻井技术在推广应用时尚未发挥其最佳性能。基于有限元法建立了单齿扭转冲击切削岩石的拟三维数值仿真模型,研究了扭转冲击作用下钻齿切削岩石过程中的裂纹扩展、岩屑形成、损伤演化以及破岩比功等问题。研究结果表明:扭转冲击切削作用下岩石相比常规切削更易发生脆性破碎(体积破碎)形成大块岩屑;扭转冲击切削作用下的破岩比功要明显小于常规切削,且岩石单元从损伤萌生到刚度完全退化的时间同样要小于常规切削作用;在软地层中扭转冲击切削几乎没有提速效果。研究结果可为扭转冲击器及钻头设计、钻井参数优选提供依据。

关键词：扭转冲击切削破岩提速机理破岩比功有限元法

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新型非平面齿破岩规律研究

地下空间与工程学报 2023年第2期19卷 428-436,455页

作者：刘畅杨迎新姚建林黄奎林西南石油大学机电工程学院成都610500 川庆钻探工程有限公司钻采工程研究院四川广汉618300

为了提高聚晶金刚石复合片(PDC)切削齿的破岩性能,设计了一种新型非平面齿,建立了该齿的破岩仿真模型,研究了新型非平面齿的脊长、脊倾角、斜角、切削深度和前倾角对其破岩规律的影响,结果表明:新型非平面齿的内切削刃使岩石产生体积破... 详细信息

为了提高聚晶金刚石复合片(PDC)切削齿的破岩性能,设计了一种新型非平面齿,建立了该齿的破岩仿真模型,研究了新型非平面齿的脊长、脊倾角、斜角、切削深度和前倾角对其破岩规律的影响,结果表明:新型非平面齿的内切削刃使岩石产生体积破碎,其破岩效率高于屋脊齿;新型非平面齿的破岩比功和切削力随着脊长的增加呈现出先增大后趋近不变的趋势;新型非平面齿的切削力和破岩比功随脊倾角的增大而增大;新型非平面齿的破岩比功和切削力随斜角的增大而减小,考虑到齿刃的寿命,斜角应取10°~20°;新型非平面齿的破岩比功随吃入深度的增大而减小,最优吃入深度应大于其脊长;新型非平面齿的切向力和破岩比功随前倾角的增大呈现先减小后增大的趋势,最优前倾角是15°。

关键词：新型非平面齿破岩比功破岩效率吃入深度

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PDC钻头复合冲击井下破岩特性模拟研究

石油机械 2023年第5期51卷 25-32页

作者：雷宇奇房伟蔡晨光杨高于东兵康凯田家林中石油江汉机械研究所有限公司中国石油川庆钻探工程公司井下作业分公司中国石油集团渤海钻探工程有限公司井下作业分公司西南石油大学机电工程学院四川谐铭科技有限公司

为对比各种冲击钻井技术的破岩效果,利用ABAQUS/Explicit模块建立PDC单齿-岩石冲击模型,研究PDC单齿在无冲击、轴向冲击、扭向冲击和复合冲击作用下的破岩特性,再进一步对影响复合冲击性能的因素进行分析。分析结果表明:在其他条件相同... 详细信息

为对比各种冲击钻井技术的破岩效果,利用ABAQUS/Explicit模块建立PDC单齿-岩石冲击模型,研究PDC单齿在无冲击、轴向冲击、扭向冲击和复合冲击作用下的破岩特性,再进一步对影响复合冲击性能的因素进行分析。分析结果表明:在其他条件相同的条件下,复合冲击下的破岩比功相较于无冲击降低了28%,较轴向冲击降低了7%,以复合冲击破岩方式破岩效率最高;岩石在复合冲击作用条件下,钻压对PDC齿破岩效率影响较大,且存在明显差异,增大钻压有利于破碎岩石;转速对复合冲击破岩效率存在一个临界值,未达到这个值时,增大转速反而会降低PDC齿的破岩效率。所得结论可为复合冲击钻井工具选择合适的钻压和转速提供理论依据。

关键词： PDC钻头复合冲击破岩比功侵入深度钻压转速

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岩屑分形特征对PDC齿破岩性能影响规律研究

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石油机械 2023年第8期51卷 1-10页

作者：赫文豪陈振良史怀忠黄中伟熊超李欣龙史明豪中国石油大学(北京)油气光学探测技术北京市重点实验室中国石油大学(北京)理学院能源交叉学科基础研究中心中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室

随着油气井钻井工程研究的不断深入,岩屑形貌特征已成为评测岩石可钻性级值与钻头破岩效率的关键考量因素之一。为探究岩屑形貌分形特征对钻头破岩效率的影响规律,结合理论建模和室内试验等研究方法,围绕岩屑粒径分形维数、岩屑最大粒... 详细信息

随着油气井钻井工程研究的不断深入,岩屑形貌特征已成为评测岩石可钻性级值与钻头破岩效率的关键考量因素之一。为探究岩屑形貌分形特征对钻头破岩效率的影响规律,结合理论建模和室内试验等研究方法,围绕岩屑粒径分形维数、岩屑最大粒径、地层岩性系数等关键岩屑形貌描述参数,建立了基于岩屑粒径分形特征的PDC齿破岩比功评估模型,并针对常规齿和锥形齿等PDC齿开展破碎硬质花岗岩试验研究,验证该模型评估PDC齿破岩性能的预测精度。利用该理论模型和试验规律,进一步揭示常规齿和锥形齿等类型PDC齿不同出刃高度、布齿角度等破岩工艺参数下岩屑形貌生成特征及破岩能耗变化规律。研究结果发现:切削深度对PDC齿破岩性能影响效果远大于切削角度,随着地层埋深的增大,PDC齿吃入深度减小,PDC齿生成岩屑分形维数逐渐增大,最大岩屑粒径显著减小,且锥形齿生成岩屑平均粒径大于常规齿;同等钻压或破岩能量条件下,锥形齿脆性破碎能力强于常规齿,生成岩屑分形维数和最大粒径均大于常规齿。研究结果可为深层硬岩钻进过程中岩屑录井形貌数据和PDC钻头混合布齿工艺提供理论依据。

关键词： PDC齿岩屑分形维数最大岩屑粒径破岩比功

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锥形齿旋冲及扭冲的破岩过程与破岩效率分析

石油钻探技术 2021年第3期49卷 87-93页

作者：胡思成管志川路保平梁德阳呼怀刚闫炎陶兴华中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580 山东省深地钻井过程控制工程技术研究中心山东青岛266580 中国石化石油工程技术研究院北京102206

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... 详细信息

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。

关键词：锥形齿旋转冲击扭转冲击破岩过程破岩效率破岩比功

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斧形齿破岩机理数值模拟研究

石油机械 2022年第9期50卷 44-51页

作者：龚均云吴文秀周宗赣长江大学机械工程学院湖北省荆州市434023

斧形齿有较好的抗冲击和耐磨性,可提高PDC钻头的破岩效率,被广泛用于高研磨性和硬质地层钻井。基于弹塑性力学与岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的屈服准则,利用ABAQUS软件建立斧形齿动态破岩的三维数值仿真模型,研究了齿面角、... 详细信息

斧形齿有较好的抗冲击和耐磨性,可提高PDC钻头的破岩效率,被广泛用于高研磨性和硬质地层钻井。基于弹塑性力学与岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的屈服准则,利用ABAQUS软件建立斧形齿动态破岩的三维数值仿真模型,研究了齿面角、后倾角、切削速度和切削深度等因素对斧形齿破岩性能的影响。仿真结果表明:在后倾角15°、切削速度2.5 m/s的情况下,斧形齿的切向力、轴向力都随着齿面角和切削深度的增大而增大,破岩比功随着切削深度的增大而减小;在齿面角130°、切削速度2.5 m/s的情况下,后倾角对斧形齿轴向力的影响比切向力大,随着后倾角的增大,轴向力和破岩比功均增大;在齿面角130°、后倾角15°的情况下,以不同的切削速度切削岩石,切向力和破岩比功均随着速度的增加而增大。研究结果有助于进一步优化PDC钻头的布齿,为PDC钻头的设计和定制提供参考。

关键词： PDC切削齿斧形齿破岩比功 Drucker-Prager准则数值模拟

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