Optimization Design of Interface Structure for PDC Composite Sheets Based on Multi-Objective Genetic Algorithms
-
摘要:
为改善PDC复合片界面处的结合能力，提升其整体的抗冲击性和稳定性，提出了一种新型交界结构。采用有限元方法，对比了外界载荷影响下所设计交界结构和常规界面结构复合片的应力分布状态，并基于提出的交界结构，考虑其结构参数的影响，使用最优填充空间法进行采样，结合最小二乘法构建了结构场的二阶响应面近似模型；以交界结构参数为设计变量，结构场等效应力、最大剪应力和最大主应力的最大值为设计目标，采用多目标遗传算法对响应面近似模型进行优化。研究结果表明，相同模拟条件下，相比常规交界结构，新型交界结构的等效应力最大值降低了50.7%，剪应力最大值降低了52.0%，最大主应力最大值降低了22.4%。优化后的PDC复合片在相同条件下，等效应力、最大剪应力及最大主应力均降低14%以上，且具有更好的破岩稳定性，能有效避免应力集中，同时热稳定性增强。研究结果为PDC复合片优化设计提供了理论依据，同时提供了新的优化方法，有助于降低研发成本。
Abstract:A novel interface structure was proposed to enhance the bonding strength at the interface of polycrystalline diamond (PDC) composite sheets, thereby improving their overall impact resistance and stability. The finite element method was employed to compare the stress distribution within composite sheets designed with the proposed interface structure against those with a conventional interface structure under external stress conditions. The study accounted for the influence of the structural parameters of the proposed interface structure, employing an optimal filling space method for sampling. The least square method was used to develop a second-order response surface approximation model of the structural field. Using the interface structure parameters as design variables, the maximum values of equivalent stress, maximum shear stress, and maximum principal stress in the structural field were set as design objectives, and a multi-objective genetic algorithm was then applied to optimize the response surface appro-ximation model. The results demonstrate that, under identical simulation conditions, the proposed interface structure reduces the maximum equivalent stress by 50.7%, the maximum shear stress by 52%, and the maximum principal stress by 22.4% compared to the conventional interface structure. For the optimized PDC composite sheet under the same conditions, equivalent stress, maximum shear stress, and maximum principal stress are all reduced by more than 14%. The optimized PDC composite sheet exhibited improved rock-breaking stability, effectively avoid stress concentration, and enhance thermal stability. The findings provide a theoretical basis for the optimization design of PDC composite sheets and introduce a novel optimization method that can help reduce research and development costs.
-
国内油气资源勘探开发逐渐从浅层延伸至深层甚至超深层[1–2]。同时，非常规油气资源的开发占比不断增加，逐渐成为未来开发的重点[3–4]，但地层环境复杂，对石油钻井装备尤其是钻头要求更高[5]。PDC钻头相比其他钻头具有使用寿命长、效率高等优点，但随着勘探地层不断深入，普通PDC钻头已不能满足需求。聚晶金刚石复合片（以下简称PDC复合片）是PDC钻头的基本单元，由聚晶金刚石和硬质合金构成，其性能直接决定钻头的使用寿命与效率[6]。研究表明，PDC复合片切削刃面合理的结构能够有效提升钻头的破岩性能和使用寿命[7]。刘永升[8]应用逆向工程技术，基于蝼蛄和穿山甲的身体结构，将PDC复合片的切削面设计为阶梯状结构，并验证了该结构的优越性。Liu Weiji等人[9]研究指出，斧形PDC复合片具有锋利的脊结构，更容易压入硬岩，兼具对岩石的压碎和剪切作用，能够有效提升钻头的破岩效率。李琴等人[10]设计了一种针对硬地层的脊状阶梯式PDC复合片，通过模拟和试验证明了采用脊状阶梯结构有助于提升复合片的破岩效率。孙荣军等人[11]通过分析掘土动物的习性和优势结构，提出了一种大锯齿PDC复合片切削面，通过室内试验证明了这种切削形状的优势。斯伦贝谢公司研发了Axe新式复合片结构，能有效提升钻头的使用寿命与效率，缩短钻井周期，降低钻井成本[12]。上述研究主要集中在聚晶金刚石结构改造方面，但PDC复合片与岩石相互作用过程中，由于复合片的上下层材料性质存在差异，二者之间的结合力差，抗冲击性能较弱，复合片易失效[13]。另外，PDC复合片与岩石、岩屑接触过程中，摩擦生热致使自身温度升高，由于金刚石和硬质合金的热膨胀性能存在差异，结合面极易发生脱落[14]。国外的Phoenix系列钻头就是对复合片交界结构进行改进，用于地热钻井[15]。然而，目前国内对于PDC复合片的设计多聚焦于聚晶金刚石层，关于交界面的结构设计鲜有报道。另外， 优化PDC复合片的结构参数时，多采用有限元方法模拟破岩过程，然后手动修改结构参数，对不同参数下的复合片破岩规律进行分析，得到最佳结构参数的范围，但无法确定最优值[16–17]。
为此，笔者进行了PDC复合片的聚晶金刚石和硬质合金层的交界面设计，提出一种新式交界面结构，并采用有限元法与普通PDC复合片进行了对比；采用多目标遗传算法进行结构参数寻优[18]，确定了所设计交界结构参数的最优值；通过对比最优交界结构参数PDC复合片与普通PDC复合片的破岩仿真结果，验证了新结构PDC复合片的性能。
1. PDC复合片交界面结构设计
PDC复合片由聚晶金刚石层和硬质合金层构成，金刚石层和硬质合金层均为圆柱体，由于二者的材料性质存在差异（如硬度、强度、导热性等），导致其界面部位最为脆弱，破岩过程中易出现以下情况：1）与岩石接触受力过大的情况下，极可能率先造成交界面破坏，导致上下层间分离，使PDC钻头的使用寿命缩短[19]；2）聚晶金刚石的导热性远好于硬质合金，破岩过程中与岩石相互作用产生的热量聚集在PDC复合片界面处，易导致二者分开，不利于钻井[20]。
张德荣等人[21]提出了一种聚晶金刚石层和硬质合金层成“V”字形互锁的交界结构，并在交界面上设置圆柱体，使上下层进一步啮合。然而，这种界面形状较为复杂，考虑复合片结构的尺寸，加工难度大，成本较高。因此，对PDC复合片的交界结构设计进行了优化（见图1），该结构更加简洁，也便于后续加工。
交界面优化后PDC复合片的聚晶金刚石层与硬质合金层采用非平面结构啮合。非平面啮合结构是指聚晶金刚石层与硬质合金层的啮合面不在同一空间平面上，聚晶金刚石层的正常高度h1为3.0 mm；硬质合金的正常高度h2为5.0 mm；优化部位的高度h3为3.0 mm；聚晶金刚石层增加的高度（增加高度）x1=2.0 mm，非平面宽x2=3.97 mm，柱状体直径x3=1.0 mm，柱状体的高度x4=1.0 mm，2个柱状体之间的距离d=2.0 mm，聚晶金刚石层上的柱状体与硬质合金层上的柱状坑啮合。PDC复合片总高8.0 mm，直径13.44 mm。这种结构增大了聚晶金刚层与硬质合金层的接触面积，能够有效提升二者之间的结构强度，增强PDC复合片的抗冲击性与热稳定性[22]。
考虑结构尺寸的影响，确定后续优化的变量包括聚晶金刚石层增加的高度（以下简称“增加高度”）、非平面宽度、柱状体直径和柱状体高度。
2. PDC复合片受力有限元分析
2.1 PDC单复合片切削模型的建立
研究PDC单复合片的受力是其性能分析的基础。假定钻头所受横向力和轴向力分别为Fx 和Fy，PDC刀具在破岩过程中受轴向力作用吃入岩石，受Fx作用旋转破坏岩石。另外，其切削刃面承受岩石摩擦力（Fs）和反作用力（
F′t ），底部受岩石反作用力（Fb）和切削力（Ft），复合片轴心受力为Fn，切削后倾角为α（见图2）。PDC复合片的受力可以表示为[23]：
{Fx=Ft+Fncosα+FssinαFy=Fb+Fnsinα+Fscosα (1) 式中：Fx ，Fy分别为横向力、轴向力，N；Fs，Fb分别为切削刃面的摩擦力、底部岩石的反作用力，N；Ft，Fn分别为切削力、复合片轴心受力，N；α为切削后倾角，（°）。
PDC复合片的直径为13.44 mm，聚晶金刚石层高3.0 mm，硬质合金层高5.0 mm，切削倾角为15°，切削深度为2.0 mm。建立切削复合片的三维模型，并将其导入ANSYS软件，对PDC复合片进行静态结构分析。对三维模型进行网格划分，采用四面体单元对其进行离散，最终划分单元格数量为91 862，节点数量为145 073（见图3）。
![]()
图 3 优化交界面后PDC复合片有限元网格划分Figure 3. Finite element meshing of PDC composite sheet with optimized interface为便于施加载荷，进行静力结构分析时不考虑温度、时间、速度、动载及冲击载荷对PDC复合片的影响，只考虑岩石对PDC复合片切削刃面的反作用力Ft和底部岩石对齐的反作用力Fb[24]，分析PDC复合片与岩石接触某一瞬间工况的受力情况。
2.2 材料属性与边界条件
分别对PDC复合片的聚晶金刚石层和硬质合金层赋予材料参数，结果见表1。
表 1 PDC复合片的材料参数Table 1. Material parameters of PDC composite sheet材料名称 密度/
（g·cm−3）弹性模量/
GPa泊松比 抗拉强度/
GPa抗压强度/
GPa聚晶金刚石层 4.1 800 0.08 0.784 7.40 硬质合金层 15.0 640 0.22 1.120 5.46 对PDC复合片施加相应边界条件，结果如图4所示。由于PDC复合片在工作时硬质合金层镶嵌在钻头上，所以分析时将硬质合金层固定。假定其工作时吃入地层的深度为2.0 mm，红色部分为复合片工作时的受力区域，只要其所受最大应力小于材料的抗压强度，则认为不会失效。
施加载荷为30 MPa，其载荷矩阵可以表示为：
[Pt Pb Ph]=[−cosα000sinα0000] (2) [Px Py Pz]=[−sinα000cosα0−cosα00][PtPbPh] (3) 式中：Pt，Pb，Ph，Px，Py和Pz均为矩阵中的元素。
2.3 求解及结果分析
使用ANSYS软件求解器进行求解。通过线性静力方程[K]{x}=[F]，求解器推算出[K]−1，最终得到{x}=[K]−1[F]{x}，完成求解。基于von-Mises、Tresca准则，得到优化前后PDC复合片的等效应力、最大剪切应力、最大主应力及应力矢量图（见图5和图6，图中红色部分代表拉应力）。
从图5（a）和图5（d）可以看出，最大应力分布位置处主要存在的是拉应力，由于2种材料的抗压强度远大于其抗拉强度，受拉应力破坏是造成其失效的主要原因。PDC复合片的最大等效应力分布在聚晶金刚石层与硬质合金层交界处，且主要分布在硬质合金层上，破岩过程中硬质合金层与聚晶金刚石层交界处受拉应力冲击，导致聚晶金刚石层失去附着，裂纹从内部逐渐扩展至外部，加上叠加外部岩石对聚晶金刚石层的冲击，易发生崩复合片、断复合片等现象[25]。
从图5（a）还可以看出，等效应力从最大位置处向外逐渐扩散，应力相应减小，可以推出PDC复合片的失效形式主要为疲劳磨损造成的。对比图5和图6可以发现，优化后的PDC复合片在受到相同外力作用下相比普通PDC复合片，等效应力最大值降低了50.7%，最大剪应力最大值降低了52.0%，最大主应力最大值降低了22.4%，所受应力明显降低，证明优化后的复合片不易损毁，具有较高的稳健性和可靠性。另外，对比应力矢量图可以看出，优化后PDC复合片的最大主应力矢量区域的面积明显大于普通PDC复合片，说明其结构有助于传递和分散载荷，能有效避免应力集中现象发生，有利于提升PDC复合片的抗冲击性能与寿命。
3. PDC复合片优化设计
3.1 构建响应面模型
试验设计法是从全部试验参数设计点中选出最优组合进行测试，是测试空间样本点的有效方法[26]。其通过数据虚拟仿真方法来代替试验测试，可有效降低设计成本和缩短产品开发周期。为构建出理想响应面模型，采用最优填充空间设计法进行采样，该方法能够获取空间内均匀分布的设计点，填充能力强，能够覆盖全空间。选取上文所述的增加高度、非平面宽度、柱状体直径和柱状体高度为设计变量，有限元分析结果的等效应力、最大剪应力、最大主应力的最大值为输出结果，选取24组样本点（见表2）。
表 2 PDC复合片设计变量试验取值Table 2. Experimental values of design variables of PDC composite sheet序号 x1/mm x2/mm x3/mm x4/mm 1 2.000 4.28760 0.912 0.984 2 2.176 4.25584 0.984 1.008 3 1.984 3.68416 1.072 0.952 4 2.016 4.35112 1.024 0.960 … … … … … 22 1.952 4.00176 1.032 0.904 23 1.968 3.87472 1.056 1.088 24 1.904 3.652 40 0.920 1.024 通过构建响应面的方式，搭建近似模型；通过筛选试验确定优化导向，以应力最大值最小化为目标寻求最优解。该模型的精度较高，同时可显示预测位置的误差和相关值。优化过程中，输入参数与目标函数之间的关系为隐式函数，但需要明确两者之间的数学关系。因此，使用最小二乘法将输入变量（x1，x2，x3和x4）与输出变量（等效应力，最大剪应力，最大主应力）间难以求解的隐式函数转化为明确关系，构建二阶响应面模型的多项式[5]：
g(x)=α+n∑i=1αixi+n∑i=1αiixi2+n∑i=1,j≠iαijxixj+θ (4) 式中：g(x)为拟合函数；x为设计变量；
θ 为随机误差；α，αi，αii和αij为待定系数，下标i和j为变量序号。构建完成二次多项式后，通过设计变量、约束关系与目标函数之间的关系，得到PDC复合片的优化数学模型：
{F(X)=min (5) 式中：F(X)为目标函数；F1(X)为等效应力，MPa；F2(X)为最大剪应力，MPa；F3(X)为最大主应力，MPa；x1为增加高度，mm；x2为非平面宽度，mm；x3为柱状体直径，mm；x4为柱状体高度，mm。
基于Kriging模型，使用协方差函数对均值为0的随机过程插值，得出设计样本与目标值之间的响应关系[27]，设计点观测值与响应面预测值的关系见图7。从图7可以看出，以观测值和预测值为横纵坐标的点分布在y=x直线上，说明观测值与预测值具有较好的一致性，拟合优度很高，能够满足预测精度要求[28]。
计算得到等效应力最大值、剪应力最大值和主应力最大值的响应面，如图8、图9和图10所示。
由图8可知，设计变量增加高度和非平面宽呈负相关关系，随着增加高度增大和非平面宽减小，等效应力最大值随之减小，且在增加高度最大值和非平面宽最小值处存在最小值。由图9可知，剪应力变化趋势与等效应力响应面相同。由图10可知，增加高度、非平面宽与最大主应力之间存在二次函数关系，使最大主应力存在最小值。
3.2 优化设计求解与结果分析
优化设计过程中，多个优化目标之间会出现矛盾，为满足目标与约束条件及设计变量之间的关系条件，获取最优参数，采用多目标遗传算法，其精度与效率较高，易满足条件[29]。
使用多目标遗传算法求解后获得3组设计备选点，结果见表3。由表3可知，3个备选点的差距不大，优化的目的主要是为了减小PDC复合片所受的等效应力，所以选候选点Ⅱ为最佳设计点。与优化前等效应力62.354 MPa、最大主应力45.022 MPa及最大剪应力34.653 MPa相比，等效应力降低了14.08%，最大剪应力降低了17.13%，最大主应力降低了11.07%。
表 3 备选设计点参数值Table 3. Parameters of alternative design points序号 x1/mm x2/mm x3/mm x4/mm 等效应力/MPa 最大主应力/MPa 最大剪应力/MPa Ⅰ 2.197 6 3.573 5 1.099 9 0.975 8 53.586 40.037 28.707 Ⅱ 2.199 2 3.577 0 1.099 8 0.976 7 53.576 40.037 28.715 Ⅲ 2.199 1 3.580 3 1.098 2 0.972 7 53.624 40.037 28.714 4. 优化后PDC复合片破岩性能验证
为了验证优化后PDC复合片的破岩性能，基于弹塑性力学和Drucker-prager岩石本构模型建立了PDC复合片与岩石相互作用的有限元模型（见图11），模拟其破岩动态过程，并和普通PDC复合片对比。PDC复合片切削倾角为15°，切削深度为2.0 mm，沿切削方向的速度为200 mm/s，岩石上表面与PDC复合片运动方向相垂直的面释放自由度，其余面均固定，初始温度27 ℃，仿真时间0.5 s，破岩过程中将PDC复合片视为刚体，不同材料的物性参数见表4，其中岩石所涉及的塑性材料参数来源于文献[30–31]。
![]()
图 11 PDC复合片破岩有限元模型Figure 11. Finite element model of PDC composite sheet rock breaking表 4 不同材料的物性参数Table 4. Physical properties of different materials名称 弹性模量/
GPa密度/
（kg·m−3）热导率/
（W·m−1·℃）比热容/
（J·kg−1·℃−1）热膨胀系数/
℃−1泊松比 聚晶金刚石层 890.0 3 510 543.0 790 2.5×10−6 0.07 硬质合金层 579.0 15 000 100.0 230 5.2×10−6 0.22 砂岩 13.6 2 650 3.5 800 5.2×10−7 0.30 普通PDC复合片、优化后PDC复合片破岩过程中的切削力变化曲线如图12所示。从图12可以看出，优化后PDC复合片破岩过程中所受切削力的最大、最小值相较于普通PDC复合片均有所减小，经计算优化后PDC复合片所受的切削力相比普通PDC复合片所受切削力均值减小18.4%，说明优化后PDC复合片在破碎相同岩石时所需要的扭矩更小[32–33]。
优化后PDC复合片与普通PDC复合片破岩时的表面应力和温度分布如图13、图14所示。从图13可看出，优化后PDC复合片在破岩时表面应力分布区域面积明显大于普通PDC复合片，且应力明显减小，说明优化后的结构更利于传递应力，能有效防止应力集中现象，降低复合片的失效概率[34]。
![]()
图 13 优化前后PDC复合片破岩时的表面应力云图Figure 13. Stress contour of rock-breaking surface of PDC composite sheet before and after optimization![]()
图 14 优化前后PDC复合片破岩时的温度云图Figure 14. Temperature distribution contour of PDC composite sheet before and after optimization从图14可以看出，优化后PDC复合片与普通PDC复合片破岩时的温度分布均呈扇形分布，优化后PDC复合片的温度分布区域面积大于普通PDC复合片，说明优化后PDC复合片的聚晶金刚石层与硬质合金层交界面积增大，更有利于散热，减少热应力集中，从而提高PDC复合片的热稳定性，且有助于延长其使用寿命[35]。
为充分了解PDC复合片的抗冲击性，将其设置为非刚体，其有限元模型见图15，后倾角为15°，设置法向和切向速度均为60 mm/s，时间为0.2 s。普通PDC复合片与优化后PDC复合片破岩过程中的等效应力最大值如图16所示，初始破岩时的等效应力如图17所示。由图16可知，相同条件下，优化后PDC复合片相较于普通PDC复合片初始接触岩石时应力明显减小，更快地达到破岩稳定状态（即应力不发生明显波动），说明其抗冲击性能强于普通PDC复合片；由图17可知，初始破岩时优化后PDC复合片的最大应力出现在两侧面位置，与普通PDC复合片相比，应力分散于两侧，可以避免PDC复合片中心受力过大[36]。
![]()
图 15 PDC复合片压入岩石的有限元模型Figure 15. Finite element model of PDC composite sheet pressed into rock![]()
图 16 PDC复合片压入岩石的等效应力变化曲线Figure 16. Equivalent stress variation of composite sheet pressed into rock![]()
图 17 优化前后PDC复合片初始破岩时的等效应力云图Figure 17. Equivalent stress contour of PDC composite sheet before and after optimization during initial rock breaking5. 结 论
1）交界结构优化后的PDC复合片能够有效减小PDC复合片在外载下所受应力，增大应力分布面积，防止应力集中。因此，所提出的交界结构相较于普通PDC复合片具有较好的抗冲击性和稳定性。
2）多目标遗传算法能够准确寻得所设计交界结构参数的最优值，提升所设计交界结构的性能，降低PDC复合片在外载下所受的应力，充分发挥交界结构的性能。
3）动态破岩过程中，优化后PDC复合片的切削力和所受应力更小，可避免应力集中现象，降低了失效概率。同时，优化后的PDC复合片在破岩过程中的热传递效果更好，能够防止交界面处的热量集中问题，提升了热稳定性。
-
![]()
图 3 优化交界面后PDC复合片有限元网格划分
Figure 3. Finite element meshing of PDC composite sheet with optimized interface
![]()
图 11 PDC复合片破岩有限元模型
Figure 11. Finite element model of PDC composite sheet rock breaking
![]()
图 13 优化前后PDC复合片破岩时的表面应力云图
Figure 13. Stress contour of rock-breaking surface of PDC composite sheet before and after optimization
![]()
图 14 优化前后PDC复合片破岩时的温度云图
Figure 14. Temperature distribution contour of PDC composite sheet before and after optimization
![]()
图 15 PDC复合片压入岩石的有限元模型
Figure 15. Finite element model of PDC composite sheet pressed into rock
![]()
图 16 PDC复合片压入岩石的等效应力变化曲线
Figure 16. Equivalent stress variation of composite sheet pressed into rock
![]()
图 17 优化前后PDC复合片初始破岩时的等效应力云图
Figure 17. Equivalent stress contour of PDC composite sheet before and after optimization during initial rock breaking
表 1 PDC复合片的材料参数
Table 1 Material parameters of PDC composite sheet
材料名称 密度/
（g·cm−3）弹性模量/
GPa泊松比 抗拉强度/
GPa抗压强度/
GPa聚晶金刚石层 4.1 800 0.08 0.784 7.40 硬质合金层 15.0 640 0.22 1.120 5.46 
下载: 导出CSV
表 2 PDC复合片设计变量试验取值
Table 2 Experimental values of design variables of PDC composite sheet
序号 x1/mm x2/mm x3/mm x4/mm 1 2.000 4.28760 0.912 0.984 2 2.176 4.25584 0.984 1.008 3 1.984 3.68416 1.072 0.952 4 2.016 4.35112 1.024 0.960 … … … … … 22 1.952 4.00176 1.032 0.904 23 1.968 3.87472 1.056 1.088 24 1.904 3.652 40 0.920 1.024
下载: 导出CSV
表 3 备选设计点参数值
Table 3 Parameters of alternative design points
序号 x1/mm x2/mm x3/mm x4/mm 等效应力/MPa 最大主应力/MPa 最大剪应力/MPa Ⅰ 2.197 6 3.573 5 1.099 9 0.975 8 53.586 40.037 28.707 Ⅱ 2.199 2 3.577 0 1.099 8 0.976 7 53.576 40.037 28.715 Ⅲ 2.199 1 3.580 3 1.098 2 0.972 7 53.624 40.037 28.714
下载: 导出CSV
表 4 不同材料的物性参数
Table 4 Physical properties of different materials
名称 弹性模量/
GPa密度/
（kg·m−3）热导率/
（W·m−1·℃）比热容/
（J·kg−1·℃−1）热膨胀系数/
℃−1泊松比 聚晶金刚石层 890.0 3 510 543.0 790 2.5×10−6 0.07 硬质合金层 579.0 15 000 100.0 230 5.2×10−6 0.22 砂岩 13.6 2 650 3.5 800 5.2×10−7 0.30
下载: 导出CSV
-
[1] 高德利,黄文君. 超深井工程理论与技术若干研究进展及发展建议[J]. 石油钻探技术,2024,52(2):1–11. doi: 10.11911/syztjs.2024024 GAO Deli, HUANG Wenjun. Research and development suggestions on theory and techniques in ultra-deep well engineering[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2024, 52(2): 1–11. doi: 10.11911/syztjs.2024024
[2] 高德利,黄文君. 深层、超深层定向钻井中若干基础研究进展与展望[J]. 天然气工业,2024,44(1):1–12. GAO Deli, HUANG Wenjun. Basic research progress and prospect in deep and ultra-deep directional drilling[J]. Natural Gas Industry, 2024, 44(1): 1–12.
[3] 王勇,汤勇,李士伦,等. 多级压裂水平井周期性注气吞吐提高页岩油气藏采收率:以北美Eagle Ford非常规油气藏为例[J]. 天然气工业,2023,43(1):153–161. WANG Yong, TANG Yong, LI Shilun, et al. Cyclic gas injection huff-n-puff in multi-stage fracturing horizontal wells to improve recovery of shale oil and gas reservoirs: taking Eagle Ford shale in North America as an example[J]. Natural Gas Industry, 2023, 43(1): 153–161.
[4] 高德利. 非常规油气井工程技术若干研究进展[J]. 天然气工业,2021,41(8):153–162. doi: 10.3787/j.issn.1000-0976.2021.08.014 GAO Deli. Some research advances in well engineering technology for unconventional hydrocarbon[J]. Natural Gas Industry, 2021, 41(8): 153–162. doi: 10.3787/j.issn.1000-0976.2021.08.014
[5] 吴泽兵,袁若飞,张文溪,等. PDC混合布齿钻头破碎非均质花岗岩数值模拟[J]. 天然气工业,2024,44(5):105–117. WU Zebing, YUAN Ruofei, ZHANG Wenxi, et al. Numerical simulation of breaking heterogeneous granite with PDC mixed-tooth bits[J]. Natural Gas Industry, 2024, 44(5): 105–117.
[6] 刘伟吉,王燕飞,祝效华,等. 基于等效岩体表征方法的花岗岩切削破碎机理[J]. 应用基础与工程科学学报,2023,31(4):1043–1060. LIU Weiji, WANG Yanfei, ZHU Xiaohua, et al. Rock cutting mechanism of heterogeneous granite using equivalent rock mass technology[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2023, 31(4): 1043–1060.
[7] WEI Jiusen, LIU Wei, GAO Deli. Effect of cutter shape on the resistance of PDC cutters against tip impacts[J]. SPE Journal, 2022, 27(5): 3035–3050. doi: 10.2118/209809-PA
[8] 刘永升. 仿生PDC切削齿结构设计与破岩机理研究[D]. 成都:西南石油大学,2015. LIU Yongsheng. Study on bionic PDC cutter structure design and rock breaking mechanism [D]. Chengdu: Southwest Petroleum University, 2015.
[9] LIU Weiji, MENG Xun, WENG Xiaosong, et al. Rock-breaking performance of specially-shaped PDC cutters from a new insight into the damage beneath cutting groove[J]. Geoenergy Science and Engineering, 2023, 231(part A): 212326.
[10] 李琴,傅文韬,黄志强,等. 硬地层中新型PDC齿破岩机理及试验研究[J]. 工程设计学报,2019,26(6):635–644. doi: 10.3785/j.issn.1006-754X.2019.00.015 LI Qin, FU Wentao, HUANG Zhiqiang, et al. Rock breaking mechanism and experimental study of new PDC tooth in hard formation[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2019, 26(6): 635–644. doi: 10.3785/j.issn.1006-754X.2019.00.015
[11] 孙荣军,谷拴成,石智军,等. 硬岩钻进用仿生PDC切削齿优化与破岩机理研究[J]. 煤炭科学技术,2018,46(5):143–148. SUN Rongjun, GU Shuancheng, SHI Zhijun, et al. Study on optimized bionic PDC cutter applied to hard rock drilling and rock cutting mechanism[J]. Coal Science and Technology, 2018, 46(5): 143–148.
[12] 刘维,高德利. PDC钻头研究现状与发展趋势[J]. 前瞻科技,2023,2(2):168–178. LIU Wei, GAO Deli. Research status and development trends of polycrystalline diamond compact Bits[J]. Science and Technology Foresight, 2023, 2(2): 168–178.
[13] LIU Wei, GAO Deli. Microstructure and wear of Ni-WC hardfacing used for steel-body PDC bits[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2021, 101: 105683. doi: 10.1016/j.ijrmhm.2021.105683
[14] 吴泽兵,席凯凯,赵海超,等. 仿生PDC齿旋转破岩时的温度场和破岩特性模拟研究[J]. 石油钻探技术,2022,50(2):71–77. doi: 10.11911/syztjs.2021114 WU Zebing, XI Kaikai, ZHAO Haichao, et al. Simulation study on temperature field and rock breaking characteristics of the bionic PDC cutter in rotating state[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2022, 50(2): 71–77. doi: 10.11911/syztjs.2021114
[15] 呼怀刚,黄洪春,汪海阁,等. 国内外PDC钻头新进展与发展趋势展望[J]. 石油机械,2024,52(2):1–10. HU Huaigang, HUANG Hongchun, WANG Haige, et al. New progress and development trends of PDC bits in China and abroad[J]. China Petroleum Machinery, 2024, 52(2): 1–10.
[16] 刘畅,杨迎新,姚建林,等. 新型非平面齿破岩规律研究[J]. 地下空间与工程学报,2023,19(2):428–436. LIU Chang, YANG Yingxin, YAO Jianlin, et al. Research on rock breaking law of new non planar cutter[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2023, 19(2): 428–436.
[17] PENG Qi, ZHOU Yingcao, YU Jiaqing, et al. Study on rock breaking efficiency of special shaped cutters[J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2022, 983(1): 012089. doi: 10.1088/1755-1315/983/1/012089
[18] ZHENG Deyu, XIA Yufeng, TENG Haihao, et al. Application of genetic algorithm to enhance the predictive stability of BP-ANN constitutive model for GH4169 superalloy[J]. Journal of Central South University, 2024, 31(3): 693–708. doi: 10.1007/s11771-024-5591-x
[19] SHAO Fangyuan, LIU Wei, GAO Deli, et al. Development and verification of triple-ridge-shaped cutter for PDC bits[J]. SPE Journal, 2022, 27(6): 3849–3863. doi: 10.2118/210580-PA
[20] 袁若飞,吴泽兵,张文溪. 可伸缩仿生聚晶金刚石复合片钻头[J]. 石油钻采工艺,2023,45(3):296–306. YUAN Ruofei, WU Zebing, ZHANG Wenxi. Scalable biomimetic polycrystalline diamond compact bit[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2023, 45(3): 296–306.
[21] 张德荣,孔春岩,常十梨,等. 异形PDC加强齿结构优化设计及有限元分析[J]. 机械设计与研究,2014,30(5):80–83. ZHANG Derong, KONG Chunyan, CHANG Shili, et al. The structure design of special-shaped PDC reinforced-cutter and its finite element method analysis[J]. Machine Design & Research, 2014, 30(5): 80–83.
[22] 刘永旺,李坤,管志川,等. 降低井底岩石抗钻能力的钻速提高方法研究及钻头设计[J]. 石油钻探技术,2024,52(3):11–20. doi: 10.11911/syztjs.2024003 LIU Yongwang, LI Kun, GUAN Zhichuan, et al. Research on the method of improving ROP and designing drill bits to mitigate drillability of bottomhole rocks[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2024, 52(3): 11–20. doi: 10.11911/syztjs.2024003
[23] WEI Jiusen, LIU Wei, GAO Deli. Modeling of PDC bit-rock interaction behaviors based on the analysis of dynamic rock-cutting process[J]. Geoenergy Science and Engineering, 2024, 239: 212955. doi: 10.1016/j.geoen.2024.212955
[24] XIONG Chao, HUANG Zhongwei, SHI Huaizhong, et al. Investigations on the stinger PDC cutter breaking granitoid under in-situ stress and hydrostatic pressure conditions[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2023, 164: 105312. doi: 10.1016/j.ijrmms.2022.105312
[25] 高德利,刘维,万绪新,等. PDC钻头钻井提速关键影响因素研究[J]. 石油钻探技术,2023,51(4):20–34. doi: 10.11911/syztjs.2023022 GAO Deli, LIU Wei, WAN Xuxin, et al. Study on key factors influencing the ROP improvement of PDC bits[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2023, 51(4): 20–34. doi: 10.11911/syztjs.2023022
[26] 吴泽兵,谷亚冰,姜雯,等. 基于遗传优化算法的井底钻压智能预测模型[J]. 石油钻采工艺,2023,45(2):151–159. WU Zebing, GU Yabing, JIANG Wen, et al. Intelligent prediction models of downhole weight on bit based on genetic optimization algorithm[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2023, 45(2): 151–159.
[27] 王娟,梅启亮,邹永玲,等. 基于多参数时间序列及粒子群优化算法的油藏产量动态建模预测方法[J]. 石油钻采工艺,2023,45(2):190–196. WANG Juan, MEI Qiliang, ZOU Yongling, et al. Reservoir production performance prediction model based on multi-parameter time series and particle swarm optimization algorithm[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2023, 45(2): 190–196.
[28] 康正明,秦浩杰,张意,等. 基于LSTM神经网络的随钻方位电磁波测井数据反演[J]. 石油钻探技术,2023,51(2):116–124. doi: 10.11911/syztjs.2023047 KANG Zhengming, QIN Haojie, ZHANG Yi, et al. Data inversion of azimuthal electromagnetic wave logging while drilling based on LSTM neural network[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2023, 51(2): 116–124. doi: 10.11911/syztjs.2023047
[29] 樊永东,庞惠文,金衍,等. 基于成像测井的孔缝智能分割与识别[J]. 石油钻采工艺,2022,44(4):500–505. FAN Yongdong, PANG Huiwen, JIN Yan, et al. Intelligent segmentation and recognition of pores and fractures based on imaging logging[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(4): 500–505.
[30] ZHANG Zengzeng, ZHAO Dajun, ZHAO Yan, et al. 3D numerical simulation study of rock breaking of the wavy PDC cutter and field verification[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2021, 203: 108578. doi: 10.1016/j.petrol.2021.108578
[31] 吴泽兵,袁若飞,张文溪,等. 锯形PDC齿破岩与温度特性数值模拟研究[J]. 石油机械,2024,52(1):29–37. WU Zebing, YUAN Ruofei, ZHANG Wenxi, et al. Numerical simulation on rock-breaking and temperature characteristics of sawtooth PDC cutter[J]. China Petroleum Machinery, 2024, 52(1): 29–37.
[32] XI Yan, WANG Wei, FAN Lifeng, et al. Experimental and numerical investigations on rock-breaking mechanism of rotary percussion drilling with a single PDC cutter[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2022, 208(Part B): 109227.
[33] WANG Yong, NI Hongjian, WANG Ruihe, et al. Numerical simulation research on cutting rock with a PDC cutter assisted by an impact force[J]. Advances in Civil Engineering, 2022(1): 1.1–1.9.
[34] 刘维,高德利. 大齿快切PDC钻头提速研究与现场试验[J]. 天然气工业,2022,42(9):102–110. LIU Wei, GAO Deli. Research and field test of large-tooth and rapid-cutting PDC bit for ROP enhancement[J]. Natural Gas Industry, 2022, 42(9): 102–110.
[35] 杨迎新, 牛世伟, 陈炼, 等. 具有独立缓冲结构的PDC—牙轮复合钻头研制[J]. 天然气工业,2024,44(5):96–104. YANG Yingxin, NIU Shiwei, CHEN Lian, et al. A PDC-roller hybrid bit with an independent buffer structure[J]. Natural Gas Industry, 2024, 44(5): 96–104.
[36] 祝效华,王燕飞,刘伟吉,等. PDC单齿切削破碎非均质花岗岩性能的评价新方法[J]. 天然气工业,2023,43(4):137–147. ZHU Xiaohua, WANG Yanfei, LIU Weiji, et al. A new method for evaluating the rock cutting and breaking performance of PDC cutters in heterogeneous granites[J]. Natural Gas Industry, 2023, 43(4): 137–147.
-
期刊类型引用(7)
1. 金永辉，王治富，孙庆名，李源流，王波，陈义哲. 致密储层纳米增注技术研究与应用. 特种油气藏. 2023(01): 169-174 . 
百度学术
2. 陈璐鑫，卓绿燕，ALAIN Pierre Tchameni，吕军贤，谢彬强. 温敏聚合物/纳米SiO_2复合材料的制备与性能评价. 油田化学. 2023(01): 12-18 . 百度学术
3. 周忠亚，王小军，秦文斌，卢和平，代林，李俊，胡象辉，陈晋东，谢彬强. 钻井液用梳型耐温抗盐增黏剂合成的逐级放大与性能. 油田化学. 2023(04): 590-595 . 百度学术
4. 刘建坤，蒋廷学，黄静，吴春方，贾文峰，陈晨. 纳米材料改善压裂液性能及驱油机理研究. 石油钻探技术. 2022(01): 103-111 . 本站查看
5. 贾寒，田子豪，黄维安. 两亲SiO_2纳米颗粒的制备及提升聚合物性能. 实验室研究与探索. 2022(04): 17-20+50 . 百度学术
6. 王捷，朱正平，张鹏，唐浩翔. 智能纳米颗粒在油田开发中的应用研究进展. 现代化工. 2022(10): 39-43+50 . 百度学术
7. 曹广胜，吴佳骏，左继泽，安宏鑫，张紫航. 纳米二氧化硅对表面活性剂溶液乳化性能的影响. 化学工程师. 2021(09): 77-80 . 百度学术
其他类型引用(8)
计量
- 文章访问数: 228
- HTML全文浏览量: 64
- PDF下载量: 57
- 被引次数: 15
