煤矿井下用内锥型聚晶金刚石复合片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Φ94 mm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,内锥型聚晶金刚石复合片箭头(polycrystalline diamond compact bit,PDC)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Φ94 mm钢体内锥PDC钻头并进行现场试验,相比于工区现用Φ94 mm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。     

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%。     

布齿参数对PDC钻头破岩效率影响的试验

PDC切削齿尺寸、后倾角和布齿密度是影响PDC钻头性能的重要设计参数.采用室内钻进试验方法,考察切削齿尺寸、后倾角和布齿密度对PDC钻头破岩效率的影响.结果表明:对可钻性为Ⅲ级以下的岩石,直径19 mm切削齿的破岩效率最高;对可钻性为Ⅳ～Ⅴ级的岩石,直径16 mm切削齿的破岩效率最高;采用直径19 mm和16 mm切削齿时,后倾角为15°左右时的破岩效率最高;随布齿密度增大,破岩效率降低,特别是在可钻性为Ⅲ级以下的岩石中,布齿密度的影响更为明显.     

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。     

混合钻头对软硬交错地层破岩特性的仿真研究

为了研究PDC-牙轮混合钻头的破岩过程及其钻进软硬交错地层时的工作特性,根据Drucker-Prager准则构建软硬交错岩石模型,并对混合钻头和传统PDC钻头进行钻进仿真对比分析。结果表明:钻进过程中距井眼轴心约2/3井眼半径部位的岩石所受应力较大;在软硬交错地层中,混合钻头比PDC钻头的机械钻速高28.8%、钻速波动值低27.0%、径向载荷峰值低27.6%。混合钻头利用PDC切削齿与牙轮切削齿进行协同破岩,相比PDC钻头能够更加快速、稳定地钻进软硬交错地层。     

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.     

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。     

模块化布齿的新型PDC钻头破岩特性

针对现有PDC钻头破岩过程中比压会随着磨损增加而迅速减小的特点,设计一种比压可控的模块化PDC钻头(模块钻头)。首先进行模块钻头切削单元布置方法设计,分析和优化钻头的有效切削刃长,在此基础上建立模块钻头切削齿破岩过程的力学模型,分析切削面积、切削深度、切削齿半径、载荷之间的关系。通过对比现场试验与算例结果,验证模块钻头的破岩特性。研究结果表明:模块钻头能减小有效切削刃长,保证切削单元的钻进比压,增加切削齿的切削深度、切削面积和切削载荷,提高钻头的有效破岩体积,增加钻头的总进尺。通过模块化布齿设计布置,模块钻头可填补常规PDC钻头与孕镶钻头之间的空白。     

PDC钻头在陕西米脂盐井对接井中的应用

应用PDC钻头施工技术,可以进一步提高钻探效率,通过现场应用表明,PDC钻头,具有寿命长,破岩性好,钻效高等特点。我公司首次将PDC钻头应用于盐井对接定向钻井,并使用螺杆钻具进行复合钻进试验,取得了较好的效益。     

智能仿生PDC钻头的破岩数值模拟

为解决普通孕镶金刚石钻头(普通钻头)破岩效率低、钻进不稳定、不耐磨以及不能根据地层选择合适形态破岩等问题,结合仿生原理和非平面结构设计了新型聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact, PDC)齿和钻头底唇面,提出一种在钻头底唇面安装传感器进行岩性识别,可选择合适形态破岩的智能仿生PDC钻头(智能钻头)。利用机器学习,基于现场钻井数据对岩石性质进行分类。分析了智能钻头切削结构针对软中硬地层和硬地层具有两种工作形态,基于建立的切削模型和岩石失效准则,对智能钻头和普通钻头的破岩过程进行数值模拟对比,结果表明：机器学习的加权KNN(K-nearest neighbor)算法可很好避免样本重叠问题,可精确对岩石性质分类,其训练模型可提供给传感器进行岩性识别。破碎砂岩时,智能钻头经传感器调节将具有PDC齿的底唇面和仿生底唇面保持同一高度破岩,对比普通钻头,其破岩比能和切削力明显更小,表明其效率更高、切削更稳定;破碎花岗岩时,智能钻头经传感器调节将具有PDC齿的底唇面下放破岩,其破岩效率明显高于普通钻头,也更稳定。研究成果对石油钻井设备智能化发展有重要意义。     

简易金刚石复合片钻头研制及应用

主要对煤矿和煤田勘探中常用的金刚石复合片钻头的结构进行了分析,并简要介绍了复合片钻头的加工工艺和使用中应注意的问题。     

柯柯亚区块西山窑组地层PDC钻头优化设计

柯柯亚区块钻井技术虽然有了很大发展,但仍然具有很大的提速潜力。根据柯柯亚区块西山窑组的地层特点,结合岩石特性分析,设计出了新的PDC钻头,并且在现场试验中取得了明显效果。从柯193井的现场试验情况分析,钻井提速效果明显,钻头磨损程度较小,仍可继续入井使用。     

胎体与钢体PDC钻头结构参数的相互转换

在ＰＤＣ钻头几何学研究的基础上，以保持切削齿工作面的空间方位不变为前提，建立了胎体和钢体两类ＰＤＣ钻头结构参数互相转换的数学关系，并编制了相应的计算机程序。利用此程序可以准确地实现胎体ＰＤＣ钻头和钢体ＰＤＣ钻头结构参数之间的相互转换，使两类ＰＤＣ钻头的设计计算过程和设计软件能够完全兼容。这对于ＰＤＣ钻头设计具有重要的理论指导意义和实际应用价值。     

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.     

PDC钻头的螺旋线布齿方法

采用等距螺旋线和变距螺旋线作为ＰＤＣ钻头的布齿基线，解决了ＰＤＣ钻头设计中的布齿问题；详细介绍了这两类螺旋线布齿的方法及各应用实例．     

PDC钻头井底液流分布特性的实验研究

针对条式布齿式ＰＤＣ钻头的结构特点，根据流体动力学相似准则．设计了实验室条件下的模拟实验钻头，采用示踪颗粒流动轨迹显示实验的方法，研究了喷嘴倾斜时，倾斜方向（或称喷嘴指向）对井底漫流分布的影响，研究表明，对具有条式布齿的ＰＤＣ钻头，使边喷嘴向井壁方向倾斜，在倾斜喷嘴的指向平行于钻头主筋板切削面或与主筋板切削面成４５°角时，钻头的清洗和冷却效果较好．     

PDC钻头切削齿运动规律的探讨

根据ＰＤＣ钻头的运动特点及工作特点，建立了描述ＰＤＣ钻头各个切削齿运动规律的理论分析体系，给出了计算或确定各切削齿运动速度、切削面积、井底角、旋转一周的破岩体积、切削齿的工作部位等参数的具体方法，为分析和评价或定量计算各切削齿工作条件和钻头总体性能奠定了基础     

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。     

用超硬材料测定岩石研磨性

用模拟试验方法测定聚晶金刚石钻头的耐磨损性,推导出岩石研磨性指标计算公式.这种方法的测试结果能直接反映工况条件下的岩石性质.所得岩石研磨性指标是岩石研磨性质、钻头材料性质和工况的综合反映,可以直接用于预测PDC钻头的使用寿命和用于油矿的PDC钻头选型工作.     

PDC钻头钻井时的地质分层方法

使用ＰＤＣ钻头钻井时,岩屑破碎得很细,通过岩屑录井来判断地层岩性十分困难。对ＰＤＣ钻头切削刃进行了受力平衡分析,建立了地层识别因子与钻井操作参数、钻头结构参数的关系模型。根据已钻井的录井、测井、地质资料提取地层变化规律,利用随钻录井数据预测了地层岩性。编制了相应的地质分层软件,并进行了实例预测。预测结果与测井解释结果比较,符合率为６５％～７０％,说明该预测方法具有一定的有效性和实用性。