PDC钻头水力结构研究进展

以近年来国内外钻头水力学研究的文献为基础，综合论述了ＰＤＣ钻头水力学中钻头井底流场和水力结构优化研究的新方法，新动态和新成果，并提出研究中存在的问题和今后的展望，分析表明，示踪颗粒轨迹测法和井底测压法是目前研究ＰＤＣ钻头井底速度场和井底压力场的比较有效和可行的方法，采用数值模拟方法来描述ＰＤＣ钻头井底流场，进行钻头水力结构优化将是ＰＤＣ钻头水力学研究的一个方向，到目前为止，还没有一个评价ＰＤＣ钻头     

PDC钻头条件下圆喷嘴撞击射流井底流场的数值模拟

为了研究ＰＤＣ钻头条件下圆喷嘴射流撞击井底流场的基本规律，在分析ＰＤＣ钻头的基本水力结构特点的基础上，建立了ＰＤＣ钻头条件下并底结构的物理模型。采用ｋ－ε双方程模型封闭湍流Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，利用求解压力耦合方程的半隐式方法，对这一物理模型条件下的流场进行了数值模拟，并将数值结果与实验研究结果进行了对比。结果表明，所建立的控制方程、控制条件以及所采用的数值方法是合理的根据数值结果，研究了ＰＤＣ钻头条件下，射流撞击井底时的流场结构、轴心速度变化规律以及井底漫流的流动规律。     

用边界单元法分析井底流场

在设计和使用牙轮钻头或ＰＤＣ钻头时，要优选喷嘴的组配，必须了解不同喷嘴配置下井底流场水力分布情况。本文尝试把边界单元法用于分析井底流场水力分布，建立了描述井底漫流速度场的积分方程，给出了采用边界单元法求解井底速度场的数值方法过程，在算例中分析了多喷嘴钻头井底流场的速度分布问题。计算实践表明采用边界单元法可比较简单方便地计算分析多喷嘴井底流场水力分布问题。可用于优选钻头喷嘴组配     

PDC钻头条件下圆喷嘴撞击射流井底流场的数值模拟

为了研究ＰＤＣ钻头条件下圆喷嘴射流撞击井底流场的基本规律，在分析ＰＤＣ钻头的基本水力结构特点的基础上，建立了ＰＤＣ钻头条件下井底结构的物理模型。采用ｋ－ε双方程模型封闭湍流Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，利用求解压力耦合方程的半隐式方法，对这一物理模型条件下的流场进行了数值模拟，并将数值结果与实验研究结果进行了对比。结果表明，所建立的控制方程、控制条件以及所采用的数值方法是合理的。根据数值结果，研     

喷嘴倾角对PDC钻头齿水射流清洗力影响的实验研究

为了对ＰＤＣ钻头水力结构及参数进行优化设计和优选，对不同喷嘴倾角下射流钻头齿清洗力的影响进行了实验研究。实验装置的测量杆件是根据悬原理设计的，用均布于模拟钻头刀翼上的五根测杆，可以测出水射流对模拟钻头齿上的水力清洗力。     

喷射钻井井底流场研究的新实验

本文研究了一种新的井底速度场实验方法和测试装置。实验是在全尺寸钻头的井底流场条件下,用测针测量流场速度,用微机进行数据采集和处理。     

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．     

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。     

喷射钻井井底流场的试验研究(二)

采用贴线法和模拟岩屑进行井底流场的全尺寸模拟试验,表明在井底场相对稳定的位置将产生局部旋涡和局部回流现象,并导致钻头水力功率的损耗和岩屑的重复破碎。结合钻头牙齿的破岩原理及其井底模式的分析,认为改善井底流场是提高井底清岩效率的重要途径。     

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，确定了喷嘴倾斜时，倾斜方向对井底漫流分布的影响。     

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.     

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     

实体PDC钻头流场数值模拟与实验验证

利用计算流体动力学技术对聚晶金刚石(PDC)钻头(型号为BK432)的三维湍流进行了数值模拟。模拟中考虑了钻头的切削齿和射流喷嘴对流场的影响。流场的网格划分采用局部加密的混合网格形式,保证了计算精度和运算速度。流场的三维模拟结果揭示了钻头流场存在低速区、回流区和滞流区域,为钻头水力结构优化分析奠定了理论基础。为了对数值模拟的结果进行检验,建立了PDC钻头流体测试实验台架,利用粒子成像测速技术对PDC钻头4个喷嘴的出口流场进行了测试。将测试的喷嘴轴向速度与数值模拟结果进行了对比分析,两者吻合较好。     

喷嘴倾角对PDC钻头齿水射流清洗力影响的实验研究

为了对PDC钻头水力结构及参数进行优化设计和优选,对不同喷嘴倾角下水射流钻头齿清洗力的影响进行了实验研究.实验装置的测量杆件是根据悬壁梁原理设计的.用均布于模拟钻头刀翼上的五根测杆,可以测出水射流对模拟钻头齿上的水力清洗力.实验结果表明,一般情况下.水射流对各测杆的清洗力随喷嘴倾角的增大而增大.倾角一定时,靠近喷嘴出口的测杆受力较大.钻头外缘上的测杆受力较小.     

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。     

聚晶金刚石复合片钻头喷嘴倾角组合的流场特性

为了解决番禺地区珠江组快速钻进中出现的PDC钻头泥包问题,在实体PDC钻头计算模型基础上,运用数值模拟方法,采用标准 两方程模型对主喷嘴和辅助喷嘴不同喷射倾角组合进行井底流场特性研究,最优化喷嘴角度组合。结果表明：主刀翼1号喷嘴喷射倾角20°、3号喷嘴喷射倾角15°能使井底流场分布最优;远离主刀翼的4号和5号喷嘴喷射倾角变化对井底流场影响较大,适当增加这两个喷嘴喷射倾角有利于井底岩屑快速排出;2号喷嘴喷射倾角在限定范围内变化,对井底流场影响有限。最后,1-5号喷嘴喷射倾角分别按照20°、25°、15°、25°和25°组合布置,应用于个性化215.9mm五刀翼PDC钻头设计中,在实钻中取得了良好的进尺和机械钻速,成功解决钻头泥包。     

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钻头切削齿受力试验的新方法

在设计了新型组合齿试验装置的基础上．采用二次通用旋转设计方法，在模拟钻头实际工作方式的条件下，确定了切削齿受力与钻头结构参数及布齿参数之间的关系；同时还确定了切削齿受力与侧转角、切削深度及岩性的关系建立了钻头上切削齿受力的综合计算模式，从而为ＰＤＣ钻头的受力分析、布齿设计提供了依据，并为分析ＰＤＣ钻头的性能提供了方便可靠的试验方法．     

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.