PDC钻头切削齿工作角设计理论

分析了PDC钻头切削齿结构特点及工作过程,定义了切削齿的侧倾角和前倾角两个工作角,并建立了这两个角的计算模式.研究认为,PDC钻头切削齿的齿前角、装配角及侧转角,决定了其工作面的方向及侧倾角;齿前角、侧转角及切削齿齿刃上工作点的位置,决定了该点工作时的前倾角.侧倾角和前倾角的概念不同于侧转角和齿前角.     

PDC钻头切削齿工作角的设计方法

详细讨论了各种因素对PDC钻头切削齿的两个工作角(前倾角及侧倾角)的大小和方向的影响-根据PDC钻头的结构特点,在设计切削齿工作角时,将钻头分为四个区域,分别论述了各个区域切削齿工作角的设计方法和原则.研究认为,控制钻头各部位切削齿结构参数的变化,可以设计出满足要求的切削齿工作角.     

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.     

“攻击性”PDC单齿结构的仿真实验研究

本文利用ansys/Ls-dyna有限元显示动力学分析软件,模拟PDC单齿切削岩层的过程,提取PDC单齿上的不同切削深度所对应的切向力和轴向力,得出切削力与切削深度的关系。采用三因素三水平的正交试验,得出前倾角、侧转角、切削面的倾斜角对"攻击性"影响的大小顺序。并得出在平面切削时,前倾角对PDC单齿"攻击性"的影响规律是:前倾角越大,"攻击性"越差。这些分析结论为改进"攻击性"PDC钻头的切削结构提供了理论参考依据。     

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。     

ABAQUS二次开发在PDC单齿破岩仿真中的应用

为了简化建立PDC单齿与岩石互作用模型的繁琐过程,提高PDC单齿破岩仿真的分析效率,使用Python语言和ABAQUS GUI建立了PDC单齿破岩仿真插件。该插件实现了PDC单齿结构参数、切削深度、前倾角和侧倾角的参数化建模;自动完成网格划分、边界条件定义、材料定义;后处理中结果输出及数据储存的功能。最后对仿真结果的合理性进行分析与对比,验证了使用该插件建立PDC单齿切削模型的正确性,为研究PDC单齿破岩性能提供了一个便携高效的分析平台,并为ABAQUS二次开发在其他领域的应用提供了借鉴。     

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.     

气体钻井牙轮钻头井底流场特性分析

基于CFD 技术,通过建立井底流场计算模型,运用数值模拟的手段,对气体钻井的三牙轮钻头井底流场进行
了数值模拟,并分析了喷嘴侧倾角、前倾角和后倾角对井底流场的影响。结果表明：三喷嘴不同侧倾角设置比相同侧
倾角设置更利于井底清岩;三喷嘴复合前倾角比复合后倾角的井底清岩能力更强,但对牙轮切削结构的清洗效果较
差;在不改变气体排量的情况下,通过三喷嘴混合复合前倾角和后倾角的方式,可以在保证一个相对较好的井底清岩
能力的情况下,提高射流对牙轮切削结构的清洗能力和环空的携岩能力。分析结果为气体钻井系列牙轮钻头的设计、
评价以及现场气体钻井的技术措施提供了理论指导。     

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.     

PDC钻头对推靠式旋转导向工具的适配性

针对使用推靠式旋转导向工具配套PDC钻头钻井过程中出现造斜率不达标的问题,进行PDC钻头切削结构对推靠式旋转导向工具适配性研究。基于纵横弯曲连续梁理论,考虑井径扩大率对工具的影响,建立推靠式旋转导向工具BHA力学分析模型,再结合PDC钻头与地层相互作用模型,提出以井斜趋势角作为评价推靠式旋转导向工具与PDC钻头适配性的指标,定量分析钻头结构参数对推靠式旋转导向工具造斜能力的影响,并进行相关试验。结果表明：随着PDC钻头内锥深度变浅、冠部高度变短,旋转导向工具造斜能力越强;PDC钻头切削齿后倾角越大、摩擦角越大,工具造斜性能越强;PDC钻头保径对工具造斜能力影响较大,钻头主动保径和被动保径面积越小,工具造斜能力越强;钻头被动保径刀翼越窄,工具造斜能力越强;当钻头保径总长一定时,随着主动保径与被动保径面积比值变小,工具造斜能力呈先增加后减小,存在最佳主动保径与被动保径比例使推靠式旋转导向工具造斜能力达到最大;模型井斜趋势角的预测值与试验值基本一致,最大误差仅为6.71%,验证了本文所建立模型的准确性。     

PDC切削齿破岩受力的试验研究

试验模拟了切削面积、接触弧长、切削面形状、切削齿后倾角和岩石性能对PDC切削齿破岩受力的影响。结果表明,采用接触弧长、切削面积和岩石可钻性表征切削面的几何形状和岩石性能与PDC切削齿破岩的实质相符。PDC切削齿单位切削面积上的切向力和正压力随着接触弧长、切削面积、切削齿后倾角和岩石可钻性级值的增大而增大,并与切削面积与接触弧长的乘积呈显著的线性关系。当后倾角小于10°时,切削齿受力较小。根据试验结果,建立了PDC切削齿破岩的受力模型。     

复合片斜镶角对钻头钻进性能的影响

为提高复合片钻头的钻进性能,利用车削实验模拟不同斜镶角的复合片钻头在钻进时与岩石的相互作用,研究复合片斜镶角对钻头钻进性能的影响。实验设定了5 组不同的斜镶角,在正压力和摩擦路程不变的条件下,分别测得复合片的体积磨耗,并从力学角度以及有限元分析两方面对复合片斜镶角影响钻头钻进性能的原理进行了分析论证。结果表明,在相同力的作用下,随着斜镶角的减小,一方面复合片切削刃各相同位置的应力增大,另一方面复合片的体积磨耗增大,钻头使用寿命减短。可见,复合片切削齿的斜镶角存在一个最优值。     

定向钻井PDC钻头三维钻速预测方法

综合考虑PDC钻头的切削作用、钻具组合的力学作用和地层岩石可钻性各向异性,根据钻头力平衡原理,建立一种新的PDC钻头三维钻速预测方法。在钻头瞬态力平衡计算中,不仅考虑钻具组合的力学作用,还考虑钻头冠部的侧向不平衡力和保径受力对PDC钻头切削作用的影响。结果表明:井眼轨迹的预测结果与实测结果有较高的吻合度,说明方法合理;根据具体的钻头结构参数和地层可钻性各向异性,通过数值计算可获得钻头的轴向和侧向钻速,不需要取得地层法向钻进效率;在钻头瞬态力平衡计算中,钻头侧向不平衡力过大将增大井眼轨迹控制的难度,对PDC钻头布齿参数的进行优化设计可以减小钻头的侧向不平衡力,进而减小钻头漂移角和工具面变化范围,增强井眼轨迹控制能力。     

锯齿形PDC刀具的破岩特性及温度场

聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact, PDC)刀具的结构是影响钻头性能的重要因素,锯齿形PDC刀具性能较好但研究较少,缺乏相关理论支撑。因此,基于弹塑性力学及Drucker-Prager准则构建了刀具与岩石的有限元模型,对锯齿形PDC及常规PDC刀具的破岩和温度场进行对比研究。结果表明,锯齿形PDC通过剪切和犁碎的方式破岩,有效且明显提升了破岩效率。锯齿形PDC较常规PDC切削力均值减小约20%,波动明显更小。后倾角变大,其切削力增加,破岩比能先增加减小又增加,存在最佳后倾角10°～15°;切削深度增大,切削力变大,破岩比能先减小后增加,存在临界切深1.5～2 mm;锯齿数增加,刀具的切削力与破岩比能先增加后减小,3个锯齿为最佳。温度场研究结果表明,锯齿形PDC比常规PDC刀具散热面积大,热稳定性更好,工作参数与温度变化之间存在规律。研究深度揭示了锯齿形PDC刀具的破岩特性以及温度场,对PDC刀具优化及高性能钻头布齿具有较为重要的指导意义。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。