双级PDC钻头井底应力场分析

介绍了双级PDC钻头特征,建立了双级PDC钻头的井底应力场分析模型,给出了相关参数和边界条件以及分析方法,利用有限元方法对双级钻头井底进行三维应力场数值分析得到了井底应力场云图和曲线图,并与常规钻头井底应力场进行了对比.分析和研究认为,双级PDC钻头井底形成了径向应力小、周向应力大的二次应力场,等效应力卸载明显,且总等效应力是常规钻头的85.56%,提高机械钻速的潜力较大.     

双级PDC钻头井底应力场分析

介绍了双级PDC钻头特征，建立了双级PDC钻头的井底应力场分析模型，给出了相关参数和边界条件以及分析方法，利用有限元方法对双级钻头井底进行三维应力场数值分析得到了井底应力场云图和曲线图，并与常规钻头井底应力场进行了对比。分析和研究认为，双级PDC钻头井底形成了径向应力小、周向应力大的二次应力场，等效应力卸载明显，且总等效应力是常规钻头的85．56％，提高机械钻速的潜力较大。     

改进型PDC钻头在辽东油田群的探索与应用简

辽东湾海域分布着多个大型油田群,贡献突出,但特有的底砾岩层常导致PDC钻头过快损坏,严重制约了作业时效再提升.为攻克此难题,联合PDC钻头厂家,在分析已钻数据及岩石特性的基础上,对力平衡设计、结构稳定性、刀翼防涡设计、井底流场优化等方面进行针对性改进优化.改进型PDC钻头从根本上解决了PDC钻头钻砾岩层及毗邻砂泥岩复合层的难题,节省了大量作业时间,经济效益明显,具有重要的推广应用价值.     

用矩形出口喷嘴改善PDc钻头水力结构的研究

如何充分发挥水力能量清洗井底和冷却钻头的作用,是PDC钻头水力结构设计中要考虑的一个重要问题.本文通过室内实验研究,分析了矩形出口喷嘴的射流结构特性,得出了射流轴心动压力衰减规律及横向动压力和横向动压力梯度的分布规律.将矩形出口喷嘴与圆形出口喷嘴的射流特性进行了对比.从清岩和冷却钻头的效果考虑,提出了矩形喷嘴在PDC钻头上使用的合理高度.     

改进型PDC钻头在辽东油田群的探索与应用

辽东湾海域分布着多个大型油田群,贡献突出,但特有的底砾岩层常导致PDC钻头过快损坏,严重制约了作业时效再提升。为攻克此难题,联合PDC钻头厂家,在分析已钻数据及岩石特性的基础上,对力平衡设计、结构稳定性、刀翼防涡设计、井底流场优化等方面进行针对性改进优化。改进型PDC钻头从根本上解决了PDC钻头钻砾岩层及毗邻砂泥岩复合层的难题,节省了大量作业时间,经济效益明显,具有重要的推广应用价值。     

PDC钻头切削表面流场挟沙能力分析

针对PDC石油钻头在使用过程中产生泥包的问题，进行了岩屑的受力情况和起动条件的分析，建立了计算模型，通过计算机数值模拟计算，可以得到井底流场的速度分布规律，为分析PDC钻头的排屑能力以及有效抑制泥包生成提供理论依据。     

深井条件下超高压射流钻头水动力学特性研究

采用Reliablek -ε湍流模型对高压射流双流道钻头内高压高速三维流道进行了水动力学设计 ,并提出了“流体齿”的概念。通过计算获得了高围压井底条件下一股高压小排量射流和两股低压大排量射流相互作用时井底湍流场的流动规律。研究结果表明 ,该条件下的射流结构可划分为范围很小的核心高速区和速度衰减区 ,井底漫流区的厚度随着高压射流离井底距离的减小而增大。在钻头体附近和环空返流区内流体表现为螺旋流动状态     

PDC钻头钻进的岩石可钻性研究

用微型PDC试验钻头模拟全尺寸PDC钻头的切削破岩方式在岩样上钻孔,测定了石油钻井所遇地层岩心的微PDC钻头可钻性指数(PDT).研究了微PDC钻头可钻性指数和微牙轮钻头可钻性指数(UDT)的关系.研究表明,基于牙轮钻头钻进特点的油矿地层可钻性分级.同样适用于PDC钻头钻井.在岩石可钻性方面.PDC钻头对地层的适应性较差.PDC钻头钻进时,存在着极限等级值和有效等级值.当地层等级值大于极限等级值时。其破岩效果差,当等于或小于有效等级值时,效果最好.     

聚晶金刚石复合片钻头喷嘴倾角组合的流场特性

为了解决番禺地区珠江组快速钻进中出现的PDC钻头泥包问题,在实体PDC钻头计算模型基础上,运用数值模拟方法,采用标准 两方程模型对主喷嘴和辅助喷嘴不同喷射倾角组合进行井底流场特性研究,最优化喷嘴角度组合。结果表明：主刀翼1号喷嘴喷射倾角20°、3号喷嘴喷射倾角15°能使井底流场分布最优;远离主刀翼的4号和5号喷嘴喷射倾角变化对井底流场影响较大,适当增加这两个喷嘴喷射倾角有利于井底岩屑快速排出;2号喷嘴喷射倾角在限定范围内变化,对井底流场影响有限。最后,1-5号喷嘴喷射倾角分别按照20°、25°、15°、25°和25°组合布置,应用于个性化215.9mm五刀翼PDC钻头设计中,在实钻中取得了良好的进尺和机械钻速,成功解决钻头泥包。     

涡流式水力降低井底压差机制及现状

 石油与天然气钻探实践表明,降低井底压差,减小岩屑的压持效应,并尽量实现井底的欠平衡条件,可以显著提高钻井的机械钻速。本文在介绍涡流式水力降压技术的原理的基础上,综述了环空涡流泵、涡流式水力降压短节和涡流钻头等涡流式水力降压工具的结构特点、降压效果和研发应用情况,采用计算流体力学软件对涡流PDC(聚晶金刚石复合片)钻头的井底流场进行了数值模拟研究。结果发现,涡流钻头与井壁间的密封是降压的关键,推荐上返喷嘴的倾角为150°—180°,推荐上返流量为32%以上,为涡流钻头的研发提供理论指导。     

深井条件下超高压射流钻头水动力学特性研究

采用Reliable k－ε湍流模型对高压射流双流道钻头内高压高速三维流道进行了水动力学设计，并提出了“流体齿”的概念。通过计算获得了高围压井底条件下一股高压小排量射流和两股低压大排量射流相互作用时井底湍流场的流动规律。研究结果表明，该条件下的射流结构可划分为范围很小的核心高速区和速度衰减区，井底漫流区的厚度随着高压射流离井底距离的减小而增大。在钻头体附近和环空返流区内流体表现为螺旋流动状态。     

锥形齿PDC钻头台架试验研究

设计并加工锥形齿PDC钻头、锥形PDC齿与常规PDC齿混合的复合式钻头、常规PDC齿钻头,在不同性质的岩样上进行台架试验研究,分析锥形齿PDC钻头钻进硬地层的破岩效果以及钻压、转速等钻进参数对其钻进性能的影响规律,并与常规PDC钻头的破岩效果进行对比。结果表明:锥形齿PDC钻头具有钻进硬岩能力,机械钻速随钻压和转速的增加而增大;锥形PDC齿与常规PDC齿混合的复合式钻头在硬岩中可获得较高的破岩效率,机械钻速可提高90.6%。     

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。     

采用遗传算法的PDC钻头侧向力平衡优化设计

PDC钻头侧向力平衡优化设计时,散布式钻头与刀翼式钻头相比优化对象数目大幅度增加,最优解搜索空间成指数增长.为了突破PDC钻头结构对侧向力平衡优化设计的限制,采用比率选择、单点交叉、均匀变异和代沟操作等多项技术,利用遗传算法建立了PDC钻头侧向力平衡优化设计方法.利用该方法对刀翼式和散布式PDC钻头进行了侧向力平衡优化设计,优化后侧向力与钻压比值小于1/1 000,算法收敛速度快,且算法复杂度受刀翼数量和切削齿数量影响较小.     

考虑切削次序的PDC钻头切削体积计算研究

PDC钻头优化设计和力学分析都需要准确计算切削体积,本文在PDC钻头切削齿几何描述的基础上,考虑到钻头旋转钻进时因切削齿周向角不同,即切削次序不同而造成的相互覆盖,建立了切削切削面积、切削体积的计算方法,编制了计算机程序,给出了计算实例.该方法的建立为PDC钻头受力分析、磨损规律研究和PDC钻头的优化设计奠定了理论基础.     

煤矿井下用内锥型PDC钻头工作状态模拟分析

为提高煤矿井下硬岩钻进破岩效率,设计了Φ94mm内锥型PDC钻头,并对其进行了破岩过程仿真分析,以研究其受力特性。结果表明：与相同规格三翼内凹PDC钻头相比,在同等工况条件下,内锥型PDC钻头所需轴向载荷降低近13%,破岩效率提高近30%;内锥型PDC钻头破岩受到的径向不平衡力占钻压的9.8%,钻头容易产生涡动,因此对于内锥型PDC钻头应关注其侧向力平衡的设计。根据分析结果,试制Φ94mm钢体内锥PDC钻头并进行现场试验,相比于工区现用Φ94mm普通钢体三翼内凹PDC钻头,试验钻头平均寿命提高2倍左右、破岩效率提高40%以上,表明研制的新型内锥PDC钻头有助于降低钻进成本,提高破岩效率。     

强研磨性硬地层聚晶金刚石复合片孕镶块混合钻头优化设计试验

为更加合理地设计适用于强研磨性硬地层的混合金钢石复合汽钻头(PDC)钻头,首先对东北油田、青海油田钻进火成岩地层磨损的PDC钻头进行收集,运用ST—500A电子显微镜和ⅤⅢⅢ2.2C相机测量软件分别从宏观和微观两个方面观测PDC切削齿的磨损形态,分析其磨损机理,找出失效原因。测量钻头冠部刨面线上切削齿的磨损高度,绘制PDC钻头切削齿磨损分布曲线,为PDC钻头的改进提供理论指导。设计并加工PDC孕镶块混合微钻头进行室内钻孔实验,研究不同切削齿出露量对钻头破岩效率的影响规律,并对PDC孕镶块混合钻头进行优化后设计了一种PDC孕镶块全尺寸混合钻头,用于东北油田辽松盆地金山区块金谷1-1HF井的基底地层钻进,相比同井段的PDC及牙轮钻头,钻速与进尺均有较大提升。     

砂砾岩地层的岩石力学特性及钻头优化方法

 为了提高珠江口盆地含砾地层的钻井速度,对该油田的矿物组份及岩性进行了分析,开展了含砾地层的强度、可钻性和研磨性室内实验,弄清了该油田砂砾岩地层的岩石力学特性.根据地层的岩石力学特性和邻井钻头的使用效果,从聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的复合片、冠部轮廓、布齿方式和水力结构等方面,对PDC钻头进行结构优化.优化后的新型PDC钻头进尺比普通PDC钻头提高131%以上,钻速提高82%以上,钻井成本每米减少28%.本文提出了考虑地层岩石力学特性、钻头使用效果和钻头综合性能相结合的优化方法,该方法简单有效.     

PDC钻头涡动分析

文章介绍了在钻井过程中PDC钻头涡动建成的危害和涡动的原因,钻头结构、岩石性能以及操作参数是影响涡动的主要因素.通过对PDC钻头涡动原因的分析,提出了提高PDC钻头稳定性的措施,如低摩阻保径、平衡设计、大排屑槽结构等,这些措施的运用,可以有效地解决钻井的不稳定性因素,可以提高钻井效率.     

利用岩石三轴抗压强度优选PDC钻头

岩石三轴抗压强度是表征地层抗钻性质的重要参数之一,是PDC钻头优选的基础和主要依据。利用测井资料获取地层岩石三轴抗压强度并进行聚类分层处理,建立了PDC钻头切削结构参数与岩石三轴抗压强度之间的定量关系,提出了基于岩石三轴抗压强度的PDC钻头优选方法。通过实例计算得出了311.2 mm PDC钻头切削结构参数设计结果。该方法可为现场PDC钻头优选提供必要的理论依据,具有一定的实用性。