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。     

PDC钻头的岩石研磨性试验研究

利用微型钻头模拟PDC钻头的切削破岩过程,对PDC钻头的岩石研磨性进行了试验研究.根据有关磨损理论,提出以PDC切削刃在单位正压力下经过单位摩擦路程的体积磨损量作为岩石的研磨性系数,建立了根据研磨性系数预测PDC切削齿磨损寿命的理论模型.用试验方法测定了泥板岩、砂质泥岩、泥质砂岩、砂岩、石灰岩、花岗岩等不同岩样的研磨性系数,其数值范围为10-6～10-3 mm3/(kN*m).采用公比为10的等比级数分级方法,将我国石油钻井地层的研磨性分成四级.对直径216 mm的PDC钻头的磨损分析表明,在研磨性系数小于5×10-5 mm3/(kN*m)的低研磨性地层中,切削齿的磨损寿命可达350 h左右;而在研磨性系数大于5×10-4 mm3/(kN*m)的高研磨性地层中,切削齿磨损寿命在10 h以下.     

PDC钻头的岩石研磨性试验研究

利用微型钻头模拟PDC钻头的切削破岩过程 ,对PDC钻头的岩石研磨性进行了试验研究。根据有关磨损理论 ,提出以PDC切削刃在单位正压力下经过单位摩擦路程的体积磨损量作为岩石的研磨性系数 ,建立了根据研磨性系数预测PDC切削齿磨损寿命的理论模型。用试验方法测定了泥板岩、砂质泥岩、泥质砂岩、砂岩、石灰岩、花岗岩等不同岩样的研磨性系数 ,其数值范围为 10 -6～ 10 -3 mm3 / (kN·m)。采用公比为 10的等比级数分级方法 ,将我国石油钻井地层的研磨性分成四级。对直径 2 16mm的PDC钻头的磨损分析表明 ,在研磨性系数小于 5× 10 -5mm3 / (kN·m)的低研磨性地层中 ,切削齿的磨损寿命可达 35 0h左右 ;而在研磨性系数大于 5× 10 -4mm3 / (kN·m)的高研磨性地层中 ,切削齿磨损寿命在 10h以下。     

PDC钻头切削齿磨损规律的试验研究

根据摩擦与磨损原理，研究了两种齿形的ＰＤＣ钻头在不同钻井参数下钻进过程中进行简易取心时岩石的磨损状况，分析了切削齿的磨损速度与岩石的岩性、钻压以及转速的关系，并进一步确定了切削齿的磨损速度与磨损高度的关系。结果表明，钻头切削齿的磨损速度与钻压、转速成非线性关系，并且磨损速度受磨损高度的影响。根据试验结果，得出了钻头切削齿磨损速度的综合模式。     

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。     

PDC钻头切削齿磨损规律的试验研究

根据摩擦与磨损原理，研究了两种齿形的ＰＤＣ钻头在不同钻井参数下钻进过程中进行简易取心时岩石的磨损状况，分析了切削齿的磨损速度与岩石的岩性、钻压以及转速的关系，并进一步确定了切削齿的磨损速度与磨损高度的关系。     

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。     

冲旋钻井条件下的岩石破碎机理

冲旋钻井因其具有较高的钻速和较小的井斜,而广泛应用于矿山、石油与天然气领域的钻井工程中.为了揭示冲旋钻井的破碎机理,考虑静压、冲击和旋转的耦合作用,分别建立了牙齿和12 1/4″全尺寸平底钻头与岩石的三维冲击动力学模型.对所建立的模型进行有限元求解,结果显示:拉应力破碎是岩石破碎的主要形式,剪切应力、压应力破碎次之;岩石的破碎主要发生在岩石的拉应力失效阶段和卸载后的静压-旋转剪切破岩阶段;岩石在单齿的作用下可以显著地分成4个半球形区域;全尺寸钻头的破岩过程可以分成5个破碎阶段;边齿倾角越大,破岩侵深越小,破碎体积越大,齿顶应力越高;钻头边齿齿顶和齿孔应力均远高于中心齿,极易最先破坏;岩石越硬,牙齿侵入深度越小,破岩体积越大.研究结果与一系列的室内实验研究结果一致,可用于冲旋钻井钻头的优化设计及冲旋钻井参数的优选.     

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。     

基于ABAQUS的PDC钻头切削齿破岩仿真及热分析

目的研究聚晶金刚石(PDC)钻头切削齿破岩过程中的温升及变形情况,确定在不同切削参数下PDC钻头单齿破岩时温升和变形的变化规律.方法利用非线性有限元仿真软件,建立了二维PDC钻头切削齿-岩石动态仿真模型,通过改变钻头切削齿破岩时的切削参数,得到了不同参数条件下切削齿温度和变形的变化规律,对切削齿破岩过程中的温升及热变形进行分析.结果切削温度在初始阶段上升较快,0. 02 s左右趋于平稳,同时切削深度对温度的影响最大;温度的升高以及切削力的变大,会使切削齿的变形增大.结论在PDC钻头单齿破岩的过程中,PDC切削齿的温度变化与其切削深度、切削速度以及齿前角密切相关.切削深度对其温度的影响较为明显.与所受的切削力相比温度对切削齿的变形影响较为明显.     

油润滑直齿轮的齿面磨损

高速重载齿轮常常工作在混合润滑状态,为了准确预测齿面的磨损程度,提出一种油润滑齿轮的磨损分析模型,使其能够在微观尺寸上对混合润滑齿面的磨损过程进行准确地描述.依据实测的齿面形貌特征生成非高斯粗糙面,将热-应力耦合分析结果作为混合润滑分析的工况条件和初始条件,研究一定工况下齿面的应力分布、润滑状态及磨损趋势,进而揭示了齿面磨损机理.结果表明:油润滑齿面磨损率受多重因素综合影响;粗糙峰的形状及分布方向会显著影响齿面的磨损程度;磨损率的预测结果与试验数据较为一致,表明混合润滑齿面的磨损预测方法具有实际工程意义.     

混合润滑下齿面磨损预测研究及试验验证

高速重载齿轮常常运行在混合润滑状态,粗糙齿面存在着较大的摩擦和极高的闪现温度,继而产生较高的能量损耗,并加速接触表面磨损失效进程.为准确预测混合润滑条件下的齿面磨损率,提出了一种新的磨损分析模型,使其能够在微观尺寸上对混合润滑区域的磨损过程进行准确的描述.在磨损分析之前,考虑了接触区域存在的热-弹-流耦合现象,建立了齿面磨损计算的数学模型,给出了计算模型中各参数的确定方法,并讨论了其适用范围.研究了一定工况下直齿轮齿面的接触情况、应力分布、闪现温升、润滑状态、摩擦以及磨损趋势,结果发现:齿面磨损受到多重因素的影响,其在齿面的分布也是非线性的;接触区域的温升会极大地改变混合润滑区域的润滑与摩擦界面;同时粗糙峰接触效应造成了较大的且剧烈波动的局部磨损率,加剧了齿面磨损程度.磨损率的预测结果与齿轮磨损试验的测量数据较为一致,表明文中所得模型可为齿轮的传动设计以及实际工程应用提供依据.     

牙轮钻头牙齿破岩有限元分析

牙轮钻头是石油钻井中主要的破岩工具。牙轮钻头的破岩是通过其齿圈上的牙齿和岩石相互作用完成的。本文通过建立牙轮钻头单个牙齿与岩石互作用模型,用有限元方法完成了牙轮钻头破岩过程的分析,获得岩石的破碎坑;进一步通过等效应力云图确定了牙齿破岩过程牙齿及岩石的应力分布情况,为进一步分析牙轮钻头破岩效率提供依据。     

钻头磨损在线监测研究

本文研究了钻头磨损对钻削过程中振动加速度信号的动态特性的影响。发现加速度信号中敏感频率分量随着钻头磨损的增加呈明显的“碟形”规律变化。我们提出用敏感频率分量的自功率谱值(PSD)作为特征量。建立了特征量与钻孔数之间的状态空间方程;提出了钻头磨损在线自适应监测方法。该方法打破了故障诊断和状态识别中设置“阈值”的传统做法;另辟蹊径。     

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。     

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。     

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。     

高速旋转冲击钻井破岩数值模拟及现场实验

为提高深井地层破岩效率,提出螺杆高速旋转条件下配合井下冲击破岩工具的高速旋冲钻井新模式,通过数值模拟研究单个PDC齿在不同工况下岩石的动态破碎过程,并进行高速旋冲钻井现场试验。结果表明:在旋转冲击钻井中,钻头转速增加,钻头吃入地层深度减少,前进阻力增大且波动更为剧烈,岩石破碎效率提高;增大钻头上的冲击力,钻头吃入地层的深度增加,岩石破碎效率提高;增大钻头上冲击力频率,岩石破碎效率提高;螺杆钻具结合自激振荡式高速旋转冲击钻井工具形成的自激振荡式高速旋转冲击钻井技术提高了钻头转速,相对于单独螺杆钻进,提高了切削齿的吃深。     

关于PDC钻头破岩效率的研究

钻头作为钻进过程中主要的破岩工具,其质量的优劣直接影响钻进速度以及钻井的质量和成本。PDC钻头作为金刚石钻头的一种,其在低钻压下可以获得比较好的进尺和钻速,因而得到了广泛的应用。对于PDC钻头,其切削齿尺寸、后倾角和布齿密度是影响其性能的重要参数,本文通过对PDC钻头的室内试验,探讨了切削齿尺寸、后倾角和布齿密度对PDC钻头破岩效率的影响。     

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。