关于柱齿钻头过盈配合的初步分析

凿岩用的柱齿钻头,采用过盈配合的办法,把硬质合金柱固定在钻头体上,固齿工艺,是影响钻齿头质量的重要因素。本文是在弹性状态及安装合金柱的孔附近出现局部塑性变形的情况下,对钻头体的装配应力进行分析,得到过盈配合时,过盈量与抱紧力、过盈量与装配压入力之间的关系,根据这些关系,作出了有关的图表。並将理论分析的结果与孔板试验进行了对比,它们基本上是符合的。同时对过盈量的选取进行了討论,考虑加工精度、钻头体硬度及工艺过程中一些因素对固齿质量的影响,为提高固齿质量提供了理论依据。     

J-170B型潜孔钻头

研制的J-170B型钻头于1985年7月至1987年5月在密云铁矿进行工业试验,共使用钻头375个,平均寿命为384.3米。其中J-170B(Ⅰ)_2型钻头21个,平均使用寿命为452米/个;J-170B(Ⅰ)_3型钻头37个,平均使用寿命为504米/个,J-170B(Ⅱ)型钻头20个,平均使用寿命为415.5米/个,均超过冶金部下达的350米/个指标。1987年7月又在承钢     

镶齿牙轮钻头固齿工艺的试验研究

钻井实践证明,固齿质量好坏严重地影响着镶齿钻头的工作寿命。随着镶齿钻头适用的地层范围日益扩大,以及高刃楔形齿钻头的推广使用,镶齿钻头的工作条件更加繁重,它对固齿质量提出了更高的要求。为了深入分析影响固齿质量的有关因素,进一步探索提高固齿强度的工艺措施,我们和上海第一石油机械厂协作对影响固齿质量的主要因素进行了初步的分析试验。     

盘式钻头齿圈强化工艺技术试验研究

在对盘式钻头齿圈失效机理分析的基础上,提出了齿圈表面堆焊耐磨合金强化方法和镶嵌硬质合金齿圈强化方法,通过试验研究和对比分析,确定了冶金混合烧结固齿法镶嵌硬质合金齿圈强化盘式钻头。进一步的试验研究表明:采用冶金混合烧结固齿法镶嵌硬质合金齿圈来强化盘式钻头齿圈,其结合情况非常好;硬质合金齿圈的硬度、耐磨料磨损的能力和耐冲击磨料磨损的能力在烧结后都有进一步的提高,说明采用冶金混合烧结固齿法镶嵌硬质合金齿圈来强化盘式钻头齿圈是可行的。     

空气冲旋钻头牙齿失效分析与新材料实验研究

针对目前空气冲旋钻头钻进中牙齿频繁断裂、脱落以及磨损严重,导致破岩效率低、使用寿命短等问题,采用纳米改型技术,在硬质合金中掺杂纳米Al₂O₃制备出Al₂O₃/WC Co纳米/微米复合材料,对其性能、组织结构进行分析,对其耐磨性、耐冲击性进行实验研究,结果表明：加入3%的纳米Al₂O₃并添加适量的抑制剂和稀土元素能明显改善Al₂O₃/WC Co纳米/微米复合材料的组织结构、细化晶粒,复合材料的耐磨性和耐冲击性能得到大幅提高,较硬质合金YG8提高4～8倍。为大幅度提高钻头破岩效率,延长钻头使用寿命提供了可能性。     

柱齿钻头冷压固齿最佳参数的分析与研究

本文运用弹塑性分析和断裂力学准则对钻头的冷压固齿进行了系统的理论研究,得出了有关固齿参数的设计计算公式。如固齿和凿岩时相邻齿无相互影响的齿孔间距计算公式,齿孔径、过盈量及固齿力间的最优匹配关系计算公式。此外,还通过计算获得了冷压固齿的最佳参数。为钻头设计和固齿工艺提供了重要的理论根据。     

提高三牙轮钻头牙爪使用寿命的研究

本文对20CrMo钢制的三牙轮钻头牙爪的服役条件和主要失效形式进行了分析,指出:牙爪跑道过早发生块状剥落是由于渗碳层的多次冲击接触疲劳抗力不足引起的。采用高温淬火、回火来调整碳化物形态和低温短时加热淬火,适当提高回火温度和滚压强化等措施后。钻头台架试验寿命比原工艺钻头提高了3.5倍,并超过了美国同类型钻头台架试验寿命。油田试验结果,使用寿命与美国同类型钻头相当。文中还对美国钻头用钢、热处理后组织特点、机械性能、钻头台架等作了对比分析和试验,为合理选择象钻头牙爪这样一类承受多冲接触疲劳的零件的用钢及制订热处理工艺提供了依据。     

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.     

冲旋钻头结构对其寿命及破岩效率的影响研究

为研究气体冲旋钻头结构对其破岩性能的影响,文章采用非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,以岩石力学和有限元理论为基础,选择适合岩石侵彻问题的Drucker-Prager本构模型,建立了气体冲旋钻头破岩的有限元模型,模拟不同结构气体冲旋钻头破岩的过程,得到了钻头破岩过程中力与时间的变化曲线以及平均力、比能随结构参数变化的曲线;当第2齿面倾角取25°、第3齿面倾角取44°、露齿高度取7.25mm、钻齿半径取6.75mm时,钻头所受的阻力平均值和钻头破岩所需比能较小,有利于延长气体冲旋钻头的使用寿命,并能提高能量利用率。     

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%。     

大尺寸牙轮钻头结构设计问题的分析

针对深井上部大直径井段中牙轮钻头机械钻速低的问题，从设计角度对目前大尺寸牙轮钻头的齿面结构和水力结构进行了分析和讨论。与Φ２１５．９ｍｍ钻头相比，在相同地层条件下，Φ４４４．５ｍｍ钻头牙齿与井底岩石的最大接触应力低１８％～２８％，相同齿圈上的齿顶间距增大７０％～８０％，井底面积覆盖率减小了近５０％，平均单齿破岩量增加了１．７４倍，因而在硬地层和砾石层中破岩效率要低。在相同机泵条件下，Φ４４４．５ｍｍ钻头的井底比水功率远低于Φ２１５．９ｍｍ钻头，井底和钻头清洗状况不良，影响了机械钻速。因此，应根据大尺寸牙轮钻头的具体情况，对齿面结构和水力结构进行改造，以提高钻头的破岩效率和清洗效率。同时应增加钻头类型，完善钻头系列。     

坚硬致密地层自锐锯齿金刚石钻头的研制及应用

相山铀矿田鹏姑山地区岩层胶结致密,可钻性级别高,为坚硬致密难钻进地层。为研发适用于该矿区地层的高效长寿命金刚石钻头,将钻头唇面结构设计成软硬夹层式的分层复合型结构。由Fe基预合金粉末FJT-A1作为低硬度辅助工作层的胎体配方,在FJT-A1预合金粉中添加质量分数为15%的碳化钨(WC)作为高硬度主工作层的胎体配方。室内试验显示FJT-A1胎体出刃能力良好,该设计能够实现胎体自磨出刃效果。野外钻进试验表明,所研发的自锐锯齿钻头对鹏姑山地区岩层有良好的适应性和广谱性,在钻进过程中能够保持唇面尖齿状态。试验钻头在可钻性级别9～10级碎斑熔岩中钻进时效能达到2～3 m/h、寿命达50 m,在可钻性级别8～9级流纹英安岩中时效达3～4 m/h、寿命80 m以上。相比常规同心圆锯齿钻头,试验钻头平均寿命提高近一倍。     

一种新型混合齿钻头的设计及可用性分析

近年来,深井钻进成为油气田开发中提高油气资源开发的主力。在钻井过程中,常常会遇到硬质地层和研磨性地层,因此提高这些地层的钻井效率,成为缩短钻井周期和降低经济成本的重要途径;钻头作为石油钻井主要的破岩工具,其性能直接影响了钻井效率,而钻头钻进的稳定性在一定的程度上影响了钻头性能;因此,本文设计优化了一种提高钻进稳定性的新型混合齿钻头,该钻头是在常规PDC钻头的刮刀上设计多种类型的切削齿,并且在钻头的保径上加装了切削刃,其与常规PDC钻头相比,该钻具有更长的使用寿命和更好的稳定性。     

物探气动冲旋钻头牙齿纳米复合材料试验研究

针对目前物探气动冲击钻头在工作的过程中,遇到牙齿容易出现磨损和断裂失效的问题。应用纳米复合材料的相关理论和制备技术开展了Al₂O₃/WC-Co纳米/微米复合材料的系列试验研究,采用纳米改性技术,在硬质合金中掺杂纳米Al₂O₃制备出Al₂O₃/WC-Co纳米/微米复合材料,并测试其性能,进行组织结构分析和耐磨性、耐冲击性能等试验研究,结果表明：加入3%的纳米Al₂O₃并添加适量的抑制剂和稀土元素能明显改善Al₂O₃/WC-Co纳米/微米复合材料的组织结构,晶粒明显得到细化;耐磨性和耐冲击性能得到很大提高,较硬质合金YG8提高了7~10倍;为大幅度提高钻头破岩效率,延长钻头使用寿命提供了可能性,能较好地满足石油物探冲旋钻井的需要。     

牙轮钻头牙齿测力试验中数据的小波去噪分析

在石油钻井过程中牙轮钻头破岩时牙齿的受力是相当复杂的,钻头的使用寿命与牙齿的受力大小直接相关,为了探索钻头牙齿在破岩过程中的受力规律,在实验室条件下对牙轮钻头牙齿进行了测力试验研究,但获得的试验数据中却存在大量噪声,严重影响了对试验数据的处理和分析,采用小波变换对试验数据进行了去噪处理,获得了很好的结果,有效解决了试验数据中存在大量噪声的难题。     

基于引射原理的侧吸式反循环钻头结构参数数值研究

为进一步提高潜孔锤反循环连续取样钻进时反循环取样效果,减少环空岩粉(岩样)漏失,创新地设计出具有引射器结构的侧吸式反循环钻头,并在试验与计算流体动力学(CFD)数值模拟的基础上通过对钻头喷嘴与接受段入口的距离LNT、喷嘴直径DN、底喷孔直径DT、扩压槽深度LD 4个关键参数对环空气体泄漏量影响规律进行研究,探讨引射原理在提高钻头反循环能力上的可行性及其效果,同时为优化设计提供理论依据。研究结果表明:将引射原理引入到反循环钻头中用于降低环空泄漏,提高反循环效果是完全可行的,且效果明显要好于传统的国内传统反循环钻头的效果好;另外,侧吸式反循环钻头的反循环效果受LNT,DN,DT和LD影响明显,且总存在最优结构参数使其反循环效果达到最佳;对于直径为108 mm的侧吸式反循环钻头,LNT=-10 mm,DN=5 mm,DT=14 mm,LD=40 mm是比较理想的参数组合。     

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。     

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.     

深孔钻探金刚石钻头技术研究

金刚石钻头在深孔钻探的应用中不仅降低了钻探的成本,同时也提高了深孔钻探的效率。金刚石钻头具有高效率、使用寿命长的工程效果。它具有两种结构形式:单水口和双水口高胎体的金刚石钻头,解决了强研和弱研磨性地层中钻头的使用寿命过短的问题,而且得到了较好的结果。     

旋切方式作用的新型钻头破岩特性与试验分析

在分析传统三牙轮钻头破岩特性的基础上,提出一种旋切方式破岩的新型钻头(旋切钻头)。运用柱坐标与复合运动原理,建立破岩过程切削齿的位置方程、速度方程和加速度方程。同时结合算例参数,分析不同齿圈切削齿破岩过程接触段上的速度和加速度分布规律。根据加速度计算结果进行切削齿破岩工作力学和失效机制研究。结果表明:在钻进过程中,旋切钻头的切削齿以冲击、旋切方式破岩,不同齿圈切削齿同时切削井壁,且大齿圈切削齿过井眼中心,运动速度快,可有效地提高钻头心部破岩效率。试验结果验证了算例分析和计算方法的正确性,建立的计算方法修正了现有研究的部分错误,且适用于其他牙轮钻头与复合钻头的研究。