PDC钻头出露量和线速度对复合片磨损规律的影响

针对如何减小复合片钻头在钻进岩层时复合片的磨损,在理论分析的基础上,利用复合片在立车车床上磨削岩样的方法模拟PDC钻头切削岩石,据PDC钻头的出露量和线速度对复合片磨损规律的影响进行研究.根据有关磨损理论,提出以复合片的绝对磨损作为切削具磨损的衡量指标.实验设定5组不同的出露量以及5组不同线速度,并在正压力和摩擦路程不变的情况下,分别测得复合片的体积磨耗.研究结果表明:不同斜镶角的切削齿都存在一个与之对应的最佳出露量,如斜镶角为15°的复合片钻头,其切削齿的最佳出露量为2 mm,出露量太大或太小都会使复合片体积磨耗增大;其次,复合片的体积磨耗在钻进时与线速度呈正比.     

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。     

锥形PDC齿与常规PDC齿破岩效果对比试验

为对比分析锥形PDC齿与常规PDC齿在不同岩样上的破岩效果,通过单齿破岩试验,分析了不同磨损高度的常规PDC齿与锥形PDC齿在钻压影响下的破岩规律。结果表明：在一定的钻压下,锥形齿在钻进硬度较小的岩石(灰板岩、绿板岩、大理岩)时,相比无磨损PDC复合片的切削深度较小,但远大于磨损了的PDC复合片的切深,随着岩石硬度的增大,锥形齿的切削深度越接近无磨损的PDC齿;在钻进较硬的岩石(石灰岩、玄武岩)时,当钻压小于某一值时,锥形齿的切削深度小于无磨损PDC复合片,当钻压大于该值时,锥形齿的切削深度则大于无磨损PDC复合片。试验结果为复合片-锥形齿混合钻头设计提供了理论支撑。     

强研磨性硬地层PDC孕镶块混合钻头优化设计试验研究

为更加合理地设计适用于强研磨性硬地层的混合SPDCS钻头,本文首先对东北油田、青海油田钻进火成岩地层磨损的SPDCS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SPDCS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SPDCS钻头切削齿磨损分布曲线,为SPDCS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。     

PDC钻头切削齿的受力模型的建立

PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit,聚晶金刚石复合片钻头)以其机械钻速高,寿命长,综合效益显著等优点在石油钻井中有十分广阔的应用前景,其损坏的各种原因与钻进时其上切削齿的受力有关,本文建立了切削齿在钻进中的破岩受力模型,并进行了分析,得到了切削齿受力的影响因素,为PDC钻头合理的结构设计提供了依据。     

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.     

孕镶金刚石取心钻头各向异性的实验研究

介绍了测定孕镶金刚石取心钻头各向异性指数的实验方法。根据实验装置的结构特点 ,同时考虑了实验过程中底部钻具组合的变形对测量钻头侧切位移的影响 ,建立了底部钻具组合的力学实验模型 ,推导出了孕镶金刚石取心钻头底端在钻进过程中的挠度和转角计算公式。在消除了钻头底端挠度对侧切位移的影响之后 ,给出了钻头各向异性指数的计算结果 ,并对其进行了讨论。结果表明 ,孕镶金刚石取心钻头的各向异性指数一般在 0 .0 6～0 12 ,其侧向切削效率很低。这说明在井眼轨迹控制中 ,不应忽略钻头各向异性的影响。     

含砾岩样中切削齿冲击载荷变化规律试验

通过直径为19 mm的单齿切削含砾岩样试验,研究砾石直径、胶结强度、切削深度、切削齿后倾角等对切削齿所受冲击载荷的影响规律,分析PDC钻头钻进砾石层的损坏机制。结果表明:切削齿受到的冲击力随着砾石层胶结强度、砾石直径的增加而增大,随切削齿切削深度的增加呈指数增加;相同切削面积下,切削齿受到的冲击力随着后倾角的增大而增大;当冲击载荷大于切削齿的极限冲击强度时,切削齿将直接产生碎裂;即使冲击载荷不能达到切削齿的极限冲击强度,周而复始的冲击载荷达到切削齿的冲击韧性时,切削齿将发生冲击疲劳损坏。     

孕镶金刚石取心钻头各向异性的实验研究

介绍了测定孕镶金刚石取心钻头各向异性指数的实验方法。根据实验装置的结构特点，同时考虑了实验过程中底部钻具组合的变形对测量钻头侧切位移的影响，建立了底部钻具组合的力学实验模型，推导出了孕镶金刚石取心钻头底端在钻进过程中的挠度和转角计算公式。在消除了 钻头底端挠度对侧切位移的影响之后，给出了钻头各向异性指数的计算结果，并对其进行了讨论。结果表明，孕镶金刚石取心钻头的各向异性指数一般在0.06-0.12，其侧向切削效率很低。这说明在井眼轨迹控制中，不应忽略钻头各向异性的影响。     

复合钻头钻进过程的有限元模拟

设计了一种新型的“2+2”型牙轮PDC复合钻头（包括CL型和BL型两种结构）,并采用显式动力学有限元分析方法对两种结构的钻头钻进凝灰岩和花岗岩的物理过程进行了数值模拟。结果表明,CL型钻头适合于钻进较硬的地层,而BL型钻头适合于钻进较软的地层;两种钻头钻进硬岩时的牙轮切削齿轴向力均比钻进软岩时的牙轮切削齿轴向力大,在相同岩石中钻进时,CL型钻头比BL型钻头的牙轮切削齿轴向力大;PDC切削齿轴向载荷沿钻头径向的分布形态与刀翼的冠部形状相似,位于锥顶的切削齿轴向载荷最大;钻压在牙轮和刀翼上的分配与钻头的结构类型相关。     

泥包对破岩效率影响的PDC单齿切削模型研究

PDC钻头泥页岩地层钻进易发生泥包,严重影响机械钻速。钻进性能的变化归根结底源于切削齿与地层的相互作用,但是目前建立的单齿切削模型考虑的因素不全面,并不适用于钻头发生泥包的情况。建立了PDC钻头分别发生切削齿泥包和钻头整体泥包时的单齿切削模型,模型全面考虑了围压、切削齿倒角面、切削齿后底面、岩屑破碎带等因素,通过实例计算、利用前人实验数据验证了模型计算结果的可靠性。最后利用模型量化分析了泥包对破岩效率的影响规律,结果发现切削齿泥包和钻头泥包均严重影响破岩效率,且后者影响程度更大;切削齿泥包中,围压和"泥包团"长度对破岩效率影响显著,破岩效率均随两者的增大而减小;钻头泥包中,泥包面积对破岩效率影响显著,破岩效率随泥包面积的增大而减小。     

冰层回转钻进冰屑温度计算及影响因素分析

为了分析冰层回转切削钻进时冰屑温度的变化规律,借鉴金属切削理论,建立了切削温度计算模型,对钻压、转速、切削具刃前角、切削具切入冰层深度、冰与切削具之间的摩擦系数、冰的抗剪强度以及切削具导热系数等因素对切削温度的影响规律进行了研究.结果表明,上述参数对切削温度均有一定的影响,其中摩擦系数对冰屑的温升影响最大,当摩擦系数增大到0.3时,冰屑的温升可高达9.11℃.钻头转速以及切削具刃前角对冰屑温升也有较大的影响,当钻头转速由30 r/min增大到130 r/min时,冰屑的温升由2.35℃增大到4.35℃;切削具刃前角由15°增大到75°时,冰屑的温升由3.48℃降低到2.42℃.     

欠平衡下牙轮钻头牙齿侵入系数及钻速研究*

欠平衡条件下,钻井机械钻速大幅度提高,但钻头牙齿的侵岩机理至今尚不清楚。以岩石侵入理论为基础,在考虑欠平衡钻进条件下,针对牙轮钻头侵岩、破岩问题展开研究,推导了欠平衡钻进井底条件下牙轮钻头牙齿的侵入系数方程,并进一步建立了欠平衡钻进条件下的钻速模型。岩石侵入系数不受牙齿载荷和侵深的影响,是一个描述岩石抗侵入能力的基本参数。以徐深气田为例,理论和实验分析了内摩擦角和刃尖角对侵入系数和机械钻速的影响。结果表明,随井底有效法向应力的增大侵入系数增大;随内摩擦角和刃尖角的增大侵入系数呈指数增大;随有效法向应力的增大机械钻速明显减小;随内摩擦角和刃尖角的增大机械钻速呈线性减小。     

一种PDC钻头布齿算法

本文讨论一种复合片金刚石钻头的布齿算法,该方法的依据是等切削原理,即在钻进过程中复合片金刚石钻头每个齿的切削量相等或近似相等,可望获得各齿均匀负荷、延长钻头寿命、提高钻井效率的目的。文中结合工程实际、分析计算精度、生成工程数据表,最后由计算机实现计算和绘制钻头布齿图,具有一定的工程实用意义。     

全尺寸PDC钻头切削齿载荷分布规律的实验研究

根据实验应力分析原理,研究了三种剖面形状的全尺寸PDC刮刀钻头在常压下钻进红砂岩和白砂岩时,切削齿上的工作载荷.重点研究了切削齿上的轴向力、切削力、侧向力及其合力沿半径的分布规律及其与钻压和转速的关系,还分析讨论了岩石类型和钻头剖面形状对载荷分布规律的影响.结果表明,钻头形状不同,切削齿上的载荷分布亦不同;转速对切削齿上的载荷分布基本无影响.     

盘形钻头刮切实验数据分析处理

简要介绍了盘形钻头的结构特点及工作机理,着重对盘形牙轮钻头9种不同结构参数的盘形切削齿与目前镶齿牙轮钻头上使用的瓢形和楔形齿在重庆砂岩上进行了刮切对比实验的实验数据进行了分析处理。求出了刮切实验中测得的不同牙齿在刮切过程中的刮切力的最大值、最小值、平均值和刮切单位体积岩石所需的刮切力的大小,得到了不同结构牙齿在刮切重庆砂岩时的刮切效果,为进一步设计出实用于中硬及软地层并具有较高综合工作性能的盘形钻头提供了实验数据。     

底部钻具组合参数设计的评价方法

考虑钻具的设计参数对钻进趋势的影响,提出了钻进趋势角的概念,以此作为底部钻具组合设计效果的评价指标。结合底部钻具的力学分析方法与钻头和地层各向异性理论,建立了一套钻具参数设计效果的评价方法。该方法可分析钻具结构参数、地层参数、钻井施工参数等对钻进趋势的影响规律,从而可以为适应不同井眼条件对钻具性能的要求,提供合适的钻具结构设计参数和操作参数。理论及应用研究表明:(1)钻头侧向力等于零的位置并不是钻具钻进趋势发生改变的位置;(2)如果稳定器位置安放合适,钻压也可以在一定范围内改变钻具的钻进趋势;(3)在直井防斜作业中,使用牙轮钻头比PDC钻头可以起到更好的防斜效果。     

PDC切削齿破岩效率数值模拟研究

PDC钻头是油田钻井的主要破岩工具,合理布齿设计是提高其性能的主要手段.基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的本构关系,建立了PDC切削齿动态破岩的三维仿真模型,分析了后倾角、侧倾角、切削深度、围压等因素对破岩能效的影响.结果表明,随侧倾角增大,破碎比功逐渐增大,小于25°时,破碎比功增加量很小,大于25°时,破碎比功大幅增加;随后倾角增大,破岩比功增大,其变化率基本不受切削深度和围压的影响;切削深度过大或过小,破碎比功均较大,切深存在最优值;随围压的增大,破碎比功增大,在较低围压范围内,破碎比功增加量最为显著.研究结果有助于深化对PDC切削齿破岩的认识,为PDC钻头的设计和定制钻进措施提供重要参考.     

底部钻具组合参数设计的评价方法

考虑钻具的设计参数对钻进趋势的影响，提出了钻进趋势角的概念，以此作为底部钻具组合设计效果的评价指标。结合底部钻具的力学分析方法与钻头和地层各向异性理论，建立了一套钻具参数设计效果的评价方法。该方法可分析钻具结构参数、地层参数、钻井施工参数等对钻进趋势的影响规律，从而可以为适应不同井眼条件对钻具性能的要求，提供合适的钻具结构设计参数和操作参数。理论及应用研究表明：（1）钻头侧向力等于零的位置并不是钻具钻进趋势发生改变的位置；（2）如果稳定器位置安放合适，钻压也可以在一定范围内改变钻具的钻进趋势；（3）在直井防斜作业中，使用牙轮钻头比PDC钻头可以起到更好的防斜效果。     

随钻扩眼钻井钻进趋势影响因素

以钻进趋势角作为评价指标,对使用随钻扩眼工具进行钻进时的钻进趋势进行了分析.结果表明:对于偏心扩眼钻头,钻压分配比在一定条件下能够改变钻具的钻进趋势,因此在钻具组合设计中不能按照常规钻头来对待;对于钻具组合设计,将扩眼体位于井眼高边时是否满足防斜要求作为设计依据;对于独立结构扩眼器,钻压分配比的变化通常对钻具钻进趋势的影响较小,独立结构扩眼器的防斜主要依赖于领眼钻头与扩眼器之间稳定器位置的调节.