基于火山岩地层钻井岩心资料的PDC钻头设计改进

PDC钻头在钻进火山岩地层过程中,技术性能常得不到充分发挥,针对火山岩地层岩心资料,从复合片、切削齿受力、齿型、切削齿的角度等方面设计和改进了PDC钻头。研究分析了剖面形状、布齿、切削齿工作角等设计对PDC钻头性能的影响。提出了以加强钻头的稳定性、耐磨性和提高钻速为目标的设计观点。研制的新型钻头采用抛物线形剖面,中密度布齿,切削齿后倾角在10°-15°范围内变化。结果表明：与牙轮钻头相比,PDC钻头钻速提高了约20％,每米钻井成本降低了27％。     

高硬度高研磨地层高速钻探用PDC钻头研究

从大港滨海高硬度高研磨地层钻探中的多个PDC钻头的使用效果来看,机械钻速提高不明显,并且钻头磨损严重。本研究针对大港滨海区块下部地层特点,以岩石特性分析为基础,从冠部形状、刀翼设计、切削齿尺寸选择及后倾角设计、布齿设计和水力设计等方面进行改进,设计了新的PDC钻头。从滨海6井现场试验的使用情况来看,本次设计的M432 PDC钻头与相同区块同井段同尺寸使用的国产PDC钻头平均指标相比,单只平均进尺增加118%,钻速提高59%,且钻头磨损小,可继续使用。     

适合吐哈油田西山窑地层的PDC钻头提速研究

吐哈油田西山窑地层具有高硬度、研磨性强等特点。该地层采用过多种PDC钻头,但机械钻速提高不甚明显,为此,研究分析了PDC切削齿磨损对机械钻速的影响,提出了以加强PDC钻头的耐磨性为目标来提高机械钻速的设计观点,对PDC钻头的冠部形状、切削齿尺寸、切削齿排布、切削齿工作角等进行优化设计,设计的钻头在吐哈核3井进行了钻井试验。结果表明：设计的新钻头机械钻速与使用过的两种PDC钻头相比分别提高了29%和92.5%,且钻头钻时60 min以上时,有轻微磨损,仍可继续使用。     

煤矿井下定向钻进用新型PDC钻头

在硬地层或软硬交错地层中定向钻进时,常规单齿式平底钻头磨损较为严重。为此,我们开发出一种新型定向PDC钻头,并采用数值模拟方法分析该钻头的破岩机理和受力特性。结果表明:与普通平底钻头相比,在同等工况条件下,新型定向PDC钻头的破岩载荷比普通平底钻头降低36%,破岩效率提高近50%。根据模拟结果,试制新型定向PDC钻头并进行现场试验。试验显示:在中硬至硬地层中进行定向钻进施工时,与普通平底钻头相比,新型定向PDC钻头平均寿命提高2倍以上,进尺效率提高约1倍,降低钻进成本。      

煤矿井下随钻测量定向钻进用PDC钻头的研制

煤矿井下随钻测量定向钻进需要设计高品质的PDC钻头。本论文从PDC钻头的结构参数到PDC切削齿的选型均进行了较深入的分析研究;同时研制了96 mm胎体式定向钻进用PDC钻头,并进行了现场试验,共钻进1个主孔和4个分支孔,平均钻进时效为4.12 m/h,累计进尺达1 001.6 m。试验结果表明,该钻头造斜效果好,使用寿命长,完全能满足使用要求。     

硬岩地层PDC钻头不良工况原因分析与改善措施

传统PDC钻头在硬岩地层钻进时,不良工况多,钻头寿命及钻进效率非常低。为了找出硬岩地层PDC钻头不良工况发生的原因,以四川元坝地区须家河组致密砂岩为例,建立单个PDC复合片切削岩层的模型,分别对模型中复合片及微小岩块进行受力分析,发现单个复合片受力随切入岩石弧长、岩石的内摩擦角及黏聚力的增加而增加。视所有复合片破岩的临界钻压及扭矩为整个钻头受到岩石的作用力,钻头受力超出转盘的输出钻压及扭矩会导致不良工况的发生。最后,从提高PDC钻头结构使其能适应硬岩钻进,及使用PDC钻头伴侣来改善PDC钻头的切削条件两方面提出了PDC钻头不良工况的改善措施。     

弧角型PDC钻头在青龙煤矿中的应用研究

针对贵州能化集团下属青龙煤矿复杂地层条件,采用分层错峰布齿,选用弧面型PDC切削齿,并调整PDC切削参数,研制了ф113mm的弧角型PDC钻头,并进行了现场钻进试验。结果表明:与矿上现用ф113mm三翼内凹型PDC钻头相比,弧角型PDC钻头总进尺达到170m,提高提高了30%以上;钻进效率大致相同,为15m/h。观察使用后的钻头,发现弧角型PDC钻头属于正常磨损,而三翼内凹型钻头PDC切削齿发生崩片居多,进一步说明弧角型PDC钻头在青龙煤矿中更具有适应性。     

PDC钻头磨损过程中的应力分析

为了更加准确地计算PDC钻头在钻进过程中所受的力,需要模拟钻头使用一段时间后的磨损情况.运用空间几何和数值计算理论,对PDC钻头的结构和受力重新进行分析.描述了PDC钻头在不同磨损情况下应力改变情况,推导出了PDC钻头磨损时受力方程.综合考虑了钻头冠部形状、切削齿的布置、切削齿的工作角、切削齿的形状及尺寸、切削齿的相互作用的影响,提出了磨损过程中切削齿的切削面积、切削体积、切削弧弧长等切削参数与磨损程度的关系的数值计算方法,为精确估算PDC钻头的工作时间提供了一种更为科学的手段.     

PDC钻头不良工况分析

PDC钻头已经得到了广泛应用,但在硬地层及复杂地层钻进时,钻头寿命短,钻速低。基于ANSYS软件对PDC钻头在致密砂岩中钻进时的正常工况及不良工况的瞬态接触仿真分析,比较了各种工况下PDC钻头的应力云图。发现不良工况会导致PDC钻头局部受到集中应力的作用,这些集中力大于或远大于正常钻进时钻头受到的最大应力。长时间的不良工况会导致钻头损坏,造成进尺缓慢或无进尺。     

适合强研磨性硬地层的新型混合钻头设计及现场应用

为提高金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)钻头在强研磨性硬地层中的破岩效率和使用寿命,设计2只由PDC切削齿和金刚石孕镶块组合作为切削单元的PDC-金刚石孕镶块新型混合钻头,并在冀中某断层区块石英岩地层进行现场试验。试验结果表明:与同井段使用过的牙轮钻头的平均值相比,1#PDC-金刚石孕镶块混合钻头的平均机械钻速提高52.30%,平均钻头进尺提高97.30%;与牙轮钻头的平均值和M1375D PDC钻头相比,2#PDC-金刚石孕镶块混合钻头的平均机械钻速分别提高30.85%和 32.30%,平均钻头进尺分别提高70.50%和 47.40%。PDC-金刚石孕镶块混合钻头极大地提高了强研磨性硬地层中的钻进效率,降低了钻井成本。      

水平井PDC钻头优化设计与应用

同常规直井、定向井聚晶金刚石（polycrystalline diamond compact,PDC）钻头相比,水平井钻头保径更易磨损、导向能力要求更高、切削齿所受冲击载荷更大。针对鄂尔多斯盆地红河油田水平段地层特点,通过室内试验优选切削齿尺寸和后倾角;针对水平井钻头的特点,设计了浅内锥、短外锥、大冠顶圆弧的钻头剖面形状,"主动保径齿+低摩擦保径块"的加强型保径及非对称、多喷嘴布置的加强水力结构。现场应用表明:新型钻头相比区块普通钻头,进尺提高了193%,机械钻速提高了132%。      

PDC钻头焊接工艺的研究

聚晶金刚石复合片(PDC)钻头钻进的岩层越来越复杂,在复杂地层及硬岩钻进中时有掉齿、崩刃等现象发生,造成钻头失效.研究表明,焊接工艺是影响PDC钻头的最主要原因.本文以φ94 mm三翼内凹式PDC钻头体为试验样品,对影响PDC钻头焊接质量的主要因素进行了分析,研发出一种新的PDC钻头焊接工艺.试验结果表明:采用该工艺制...     

影响聚晶金刚石复合片性能的因素及改进方法

聚晶金刚石复合片作为PDC钻头的切削元件，其质量的好坏直接影响着整个钻头的钻进速率及使用寿命。影响复合片质量和性能的主要因素是金刚石与粘接剂的配比、粘接剂的种类、金刚石的粒度、金刚石／硬质合金界面结构以及烧结工艺等。本文探讨了不同种类粘接剂的优、缺点；介绍了如何通过改变金刚石颗粒的粒度分布提高复合片的耐磨性和抗冲击性能；在金刚石，硬质合金界面处添加碳化物形成元素薄片以及采用金属镀层(如W等)实现界面的冶金结合，从而提高界面的结合强度；采用锯齿形界面并伴随成分梯度过渡、以及采用正弦曲线形界面结构可明显改善复合片的性能。这些方法可为工业上生产优质复合片提供参考。     

提高金刚石钻头在深孔硬岩钻进中寿命的途径

本文着重从应用新型超硬材料和改进钻头结构二个方面论述了提高深孔硬岩钻进金刚石钻头寿命的技术途径。实验研究和生产试验的结果表明:在孕镶钻头上镶嵌金刚石聚晶材料АКТМ,能有效地破碎坚硬岩石,在可钻性Ⅹ～Ⅺ级的岩石中平均寿命比传统钻头增长58%,机械钻速增长32%。在金矿深孔钻探生产中,双层水口超高胎体金刚石钻头的使用寿命可比常规钻头提高1倍。把上述两种方法结合起来,可大幅度节约起下钻具的辅助作业时间,提高深孔硬岩钻探的生产效率。     

基于STM32的PDC钻头钎焊温度控制系统设计

目前复杂的PDC钻头仍采用人工火焰钎焊的方式,焊接质量不够稳定。针对这一问题,结合PDC钻头的钎焊工艺,设计一款基于双环PID结构的温度控制系统。该系统以PID控制算法和分级控制思想为核心,基于嵌入式实时操作系统RT-Thread实现了多任务软件设计,实现了钎焊温度的实时测量、精确控制和显示。试验结果表明：此系统能很好地满足PDC钻头的钎焊温度要求。