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止，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，布龄设计提供了依据，并为分析ＰＤＣ钻头的性能提供了方式便可靠的试验方法。     

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、旋转一周的破岩体系、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。     

PDC钻头切削齿磨损分析

根据PDC钻头的工作原理及复合片性能特点,对PDC钻头复合片切削齿的崩齿、掉片、聚晶佥刚石层脱落、齿柱冲蚀四种磨损情况进行了分析,并从设计、制造、使用三方面提出了改进措施,为从事PDC钻头工作人员提供一些参考。     

PDC钻头切削齿的受力模型的建立

PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit,聚晶金刚石复合片钻头)以其机械钻速高,寿命长,综合效益显著等优点在石油钻井中有十分广阔的应用前景,其损坏的各种原因与钻进时其上切削齿的受力有关,本文建立了切削齿在钻进中的破岩受力模型,并进行了分析,得到了切削齿受力的影响因素,为PDC钻头合理的结构设计提供了依据。     

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.     

聚晶金刚石切削齿散热电阻钎焊工艺的研究

采用散热电阻钎焊工艺对聚晶金刚石切削齿进行钎焊，钎缝的抗剪强度达４１７．５ＭＰａ，复合片的磨耗比下降率小于１０％。采用表面测温实时监控技术，使复合片上金刚石层受热的温度低于７００℃用复合片切削岩石，由此测定出复合片的耐磨性，这样增加了测试结果的可靠性，现场应用表明，用本工艺钎焊的聚晶金刚石切削齿制造的钻头质量稳定，基本无掉片现象。     

聚晶金刚石切削齿散热电阻钎焊工艺的研究

采用散热电阻钎焊工艺对聚晶金刚石切削齿进行钎焊，钎缝的抗剪强度达４１７．５ＭＰａ。复合片的磨耗比下降率小于１０％。采用表面测温实时监控技术，使复合片上金刚石层受热的温度低于７００℃。用复合片切削岩石，由此测定出复合片的耐磨性。这样增加了测试结果的可靠性。现场应用表明，用本工艺钎焊的聚晶金刚石切削齿制造的钻头质量稳定，基本无掉片现象。     

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。     

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.     

被卡钻杆的环向聚能弹爆破切割技术及应用

为了能有效地通过爆破切割来处理被卡钻杆,运用聚能原理设计了环向聚能切割弹,成功将钻杆沿钻头顶部与钻杆连接处的水平面切断,回收了钻头以上全部钻杆.结合工程实例,介绍了环向聚能切割弹的设计方案,并针对实际施工过程中的药量确定、网路设计、防水措施等作了详细说明,对类似工程施工具有一定的参考价值和指导意义.     

截煤工况下镐型截齿的自旋转力学机理

针对镐型截齿截割煤岩过程中截齿自旋转的可能性,以及磨偏磨损等问题,分析不同截割状态下镐型截齿自旋转的原理,考虑截齿与煤岩体接触的不同工况,探讨截槽两侧不对称、非同时V形崩落的自旋转机理。通过建立截齿的结构参数、安装参数和煤岩性质与截齿受力等参数的自旋转模型,给出其自旋转的定量描述方法。截齿发生自旋转的影响因素和理论条件的仿真结果表明:影响截齿自转的最主要因素是煤岩性质和截齿齿尖作用半径,截齿自旋转的边界条件为截齿齿尖半角32°~40°、楔入角38.9°~50°、截齿齿尖作用半径8.5~10.0mm和摩擦系数0.60~0.84。所阐述的截齿自旋转的可靠性、建立的力学模型及研究方法,可以为复杂工况下截齿自旋转条件的研究提供参考。     

刀翼式PDC钻头的侧向力平衡设计

聚晶金刚石(PDC)钻头的侧向不平衡力是造成钻头涡动的主要原因之一,而侧向不平衡力取决于钻头的布齿结构,通过合理的布齿结构设计,可有效地控制侧向不平衡力的大小。在对PDC钻头进行受力分析的基础上,建立了PDC钻头受力计算模型,提出了通过调整刀翼周向位置使钻头的侧向不平衡力达到最小的优化设计方法。利用该方法进行了实例计算,结果表明,该设计方法能将PDC钻头的侧向不平衡力控制在钻压的1%以内。     

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     

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切削齿工作角度的精确计算与分析

根据PDC钻头切削过程的具体特点与有关的金属切削理论,给出了PDC切削齿的工作角度即前倾角和侧倾角的确切定义,推导了前倾角和侧倾角的精确计算公式,并分析了结构参数对前倾角和侧倾角的影响规律。这对PDC钻头设计、切削力计算和工作性能预测都具有十分重要的意义。     

截齿几何参数与切割参数的匹配研究

基于刀型截齿切割破碎煤岩过程的特点,应用拉破坏理论建立了刀型截齿切割破碎煤岩的理论模型,从而推导出了刀型截齿硬质合金齿尖所必须露出齿身长度的理论表达式和切槽间距最佳值的理论表达式。这些理论推导对生产实际具有一定指导意义。     

硬齿面大模数齿轮飞刀

介绍了齿轮飞刀的齿形设计原理、加工原理,给出了齿轮飞刀前刀面齿形两侧切削刃的设计计算公式。并叙述了齿轮飞刀的结构、装夹形式和制造中应注意的一些问题。     

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。     

深井/超深井双作用强侧切开窗钻头研究

针对深井/超深井套管开窗侧钻中套管壁厚且强度高、岩石可钻性差、钻头切削齿极易先期钝化导致的开窗效率低/开窗失败的问题,创新性地设计了一种双作用强侧切开窗钻头。设计中考虑了开窗钻头钻进的稳定性及载荷分布的均匀性,钻头冠部设计为内锥双圆弧面和柱面,采用"等切削、等功率与等磨损"布齿理念和"螺旋高低交错"布齿规律,既能满足高效侧切金属又能快速切削岩石的设计目标;通过专有加工工艺技术的研究,完成了该新型开窗钻头的加工制造,并进行了现场应用。现场实际应用结果表明,与传统磨铣式铣锥开窗相比,研制的双作用强侧切开窗钻头由于采用了优化的布齿设计,钻头轮廓剖面扁平、切削面较短、横纵比较小,在窗口处有较强侧切力,切削套管产生的铁屑为大片状,效率提高了2.6倍以上,节省了窗口形成的施工时间和施工成本,能很好地适应深井/超深井硬地层的开窗侧钻作业。