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。     

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。     

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。     

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%。     

PDC钻头出露量和线速度对复合片磨损规律的影响

针对如何减小复合片钻头在钻进岩层时复合片的磨损,在理论分析的基础上,利用复合片在立车车床上磨削岩样的方法模拟PDC钻头切削岩石,据PDC钻头的出露量和线速度对复合片磨损规律的影响进行研究.根据有关磨损理论,提出以复合片的绝对磨损作为切削具磨损的衡量指标.实验设定5组不同的出露量以及5组不同线速度,并在正压力和摩擦路程不变的情况下,分别测得复合片的体积磨耗.研究结果表明:不同斜镶角的切削齿都存在一个与之对应的最佳出露量,如斜镶角为15°的复合片钻头,其切削齿的最佳出露量为2 mm,出露量太大或太小都会使复合片体积磨耗增大;其次,复合片的体积磨耗在钻进时与线速度呈正比.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

复合钻头钻进过程的有限元模拟

设计了一种新型的“2+2”型牙轮PDC复合钻头（包括CL型和BL型两种结构）,并采用显式动力学有限元分析方法对两种结构的钻头钻进凝灰岩和花岗岩的物理过程进行了数值模拟。结果表明,CL型钻头适合于钻进较硬的地层,而BL型钻头适合于钻进较软的地层;两种钻头钻进硬岩时的牙轮切削齿轴向力均比钻进软岩时的牙轮切削齿轴向力大,在相同岩石中钻进时,CL型钻头比BL型钻头的牙轮切削齿轴向力大;PDC切削齿轴向载荷沿钻头径向的分布形态与刀翼的冠部形状相似,位于锥顶的切削齿轴向载荷最大;钻压在牙轮和刀翼上的分配与钻头的结构类型相关。     

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。     

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。     

泥包对破岩效率影响的PDC单齿切削模型研究

PDC钻头泥页岩地层钻进易发生泥包,严重影响机械钻速。钻进性能的变化归根结底源于切削齿与地层的相互作用,但是目前建立的单齿切削模型考虑的因素不全面,并不适用于钻头发生泥包的情况。建立了PDC钻头分别发生切削齿泥包和钻头整体泥包时的单齿切削模型,模型全面考虑了围压、切削齿倒角面、切削齿后底面、岩屑破碎带等因素,通过实例计算、利用前人实验数据验证了模型计算结果的可靠性。最后利用模型量化分析了泥包对破岩效率的影响规律,结果发现切削齿泥包和钻头泥包均严重影响破岩效率,且后者影响程度更大;切削齿泥包中,围压和"泥包团"长度对破岩效率影响显著,破岩效率均随两者的增大而减小;钻头泥包中,泥包面积对破岩效率影响显著,破岩效率随泥包面积的增大而减小。     

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.     

胎体耐损性弱化孕镶金刚石钻头的试验及碎岩机理分析

为了提高孕镶金刚石钻头在坚硬致密弱研磨性地层的钻进效率,将胎体耐磨损性弱化理论引入钻头设计中,对胎体耐磨损性弱化孕镶金刚石钻头碎岩机理进行探讨并对胎体进行扫描电镜分析。研究结果表明:与普通孕镶金刚石钻头相比,胎体耐磨损性弱化孕镶金刚石钻头的机械钻速提高了64%;经弱化处理的钻头在钻进过程中,弱化颗粒易于从胎体表面脱落,使其表面形成非光滑形态,减少了钻头唇面与孔底岩石面之间的接触面积,提高了钻头唇面与岩石的单位面积压力,改善了金刚石颗粒的冷却效果,降低了金刚石颗粒的热损耗;脱落的弱化颗粒在孔底参与磨损钻头胎体,增加了孔底岩粉的研磨能力,促进了胎体中新颗粒金刚石的出刃。     

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。