新型挠性抗回旋PDC钻头研究

回旋是导致PDC钻头失效的主要原因, 在研究国内外抗回旋技术的基础上, 基于挠性钻头的创新思想, 设计了新型挠性抗回旋PDC钻头。该型PDC钻头由于上、下弹性环的弹性作用, 使得公、母接头之间可以倾斜一定角度转动, 井底钻具组合的倾斜不会影响钻头体, 钻头体轴线仍保持与井眼轴线重合, 不偏斜, 不与井壁接触, 从而避免回旋的产生。对挠性抗回旋PDC钻头和常规PDC钻头的运动学分析证明, 挠性抗回旋PDC钻头的抗回旋性能优良, 其工作寿命大大长于常规PDC钻头。     

小井眼PDC钻头自平衡抗回旋技术分析

PDC钻头在小井眼钻井中,能取得较好的钻井效果。但钻头体的回旋运动,常导致钻头早期失效。因此,如何控制PDC钻头的回旋抵抗性能,决定了PDC的使用寿命。钻头体回旋运动与横向振动有着直接联系。本文根据PDC钻头的使用情况,提出了PDC钻头自平衡抗回旋技术。     

PDC钻头切削齿的运动分析和破损机理

分析了PDC钻头在几种典型的回旋运动情况下其切削齿的运动速度和运动状态，发现回旋运动时切削齿有瞬时反向转动的现象，并讨论了回旋运动对切削齿工作状态的影响，认为PDC钻头回旋引起的冲击载荷和切削齿反转是导致钻头切削齿破损的直接原因。试验证明，切削齿反转具有极大的破坏性。研究表明，采用适当的钻头转速可以减少切削齿的损坏，而运用抗回旋技术减小钻头回旋幅度和回旋频率才是根本的出路。     

小井眼PDC钻头的自平衡抗回旋技术

针对小井眼PDC钻头的实际工作条件,提出了在小井眼钻井中具有普遍意义的PDC钻头的横向力自平衡抗回旋技术.分析了钻头的受力状态与钻头回旋运动之间的关系,并对自平衡抗回旋技术的基本原理、设计方法和技术准则作了阐述.将该技术应用到小尺寸PDC钻头设计中,开发出可在直井、定向井以及水平井等各种小井眼钻井中使用的新型直径为114mmPDC钻头.简要介绍了该钻头的设计原理、结构特点和重要的技术参数.小井眼PDC钻头在大港油田直径为140mm套管开窗侧钻井的钻井工程中取得了良好的技术效益和经济效益.磨损分析结果表明,切削齿磨损速率低,磨损量均衡,聚晶金刚石层未见明显的脆性崩裂,具有良好的抗回旋性能.     

国外抗回旋PDC钻头研究及使用动态

本文指出了回旋运动对PDC钻头的危害,简要介绍了低摩阻保径和圆环轨道布齿钻头设计,通过大量的现场应用实例详述了这两种PDC钻头的抗回旋效果。     

减小粘-滑振动可提高PDC钻头钻井效率

<正>1989年间,美国阿莫科石油公司的研究人员发现,回旋现象是PDC钻头经常会遇到的一种振动模式,用PDC钻头钻井时如发生回旋能在几秒钟内彻底损坏钻头。从那时起至今,PDC钻头设计师们就一直致力于开发能够有效实现抗回旋的PDC钻头。然而,在目前的常规旋转钻井中,回旋还是造成PDC钻头损坏的主要原因吗?答案是否定的。科学研究人员经过长期的研究和试验后发现,在常规旋转钻井中,尤其是在硬岩直井钻井过程中,最常见的振动形式是粘-滑而非回旋。同时,PDC切削齿技术的飞速发展也使得在钻井过程中能     

国外新型防振PDC钻头

井下振动是引起PDC钻头早期失效的主要原因 ,而挠性钻头能很好地解决钻头的振动问题。美国研制的挠性钻头是在普通PDC钻头的基础上 ,将刚性的上体接头设计成挠性接头。该挠性接头由公接头、母接头、弹性管、螺纹锁紧环、推力环、密封圈、弹性环等组成。挠性接头允许井底总成相对于钻头做倾斜运动。室内试验和在美国Catoosa现场试验表明 ,这种挠性钻头在防止钻头振动、延长钻头寿命方面 ,具有十分明显的优势。     

PDC钻头稳定性技术研究

文章对影响PDC钻头稳定性的回旋振动与扭转振动进行了分析与研究，提出了多种改善PDC钻头稳定性的技术措施，并简要介绍了应用效果。     

在硬岩石中使用聚晶金刚石复合片钻头可产生钻铤扭力共振

本文通过在阿莫科Catoosa试验现场使用井下钻柱动力传感器提供的振动数据，说明在硬岩石中使用聚晶金刚石复合片（PDC）钻头可产生钻铤扭力共振，造成PDC齿很快损坏。描述了PDC钻头回旋和钻柱卡钻/打滑的情况及其特征，以及反向旋转对产PDC齿失效的影响，同时分析了PDC齿损坏的原因。     

新型自调节式PDC钻头

正自从几十年前被首次引入到石油天然气钻井工业界以来,聚晶金刚石(PDC)钻头在发展过程中经历了无数次的技术改进,比如切削齿技术的飞速发展和抗回旋技术的成功应用等,但最近所出现的一种新型PDC钻头技术则是切削深度(DOC)控制技术。这种切削深度控制技术是于2000年以后被应用于PDC钻头上的,其目的是通过管理钻头的切削攻击能力从而有效降低井下扭转振动。然而,当     

肯吉亚克油田非盐丘井PDC钻头设计及实验研究

为提高肯吉亚克油田非盐丘井钻井速度,根据地层岩石力学参数评价结果,利用有限元方法对影响PDC钻头攻击性和抗冲击性的齿前角、冠部形状等结构参数与破岩效果之间的关系进行了研究,并对PDC钻头的结构进行了优化设计。根据设计结果试制了直径为120.65 mm、齿前角分别为-15°、0°、和5°的3只PDC钻头,并在室内同一岩样上进行实钻模拟实验。结果表明,在其他参数相同的条件下,齿前角为5°时钻头的平均机械钻速比齿前角为-15°时提高42%,说明增加PDC钻头齿前角是提高钻头攻击性的有效方法,这与数值模拟结果是一致的。研究结果为该地区全尺寸钻头的制造提供了理论依据。     

非平面PDC切削齿破岩有限元仿真及试验

为了指导PDC钻头设计,对三棱形和斧形PDC切削齿、常规平面PDC切削齿的破岩性能进行了研究。利用有限元软件建立了PDC切削齿直线切削岩石和垂直压入岩石的三维有限元模型,模拟了相同布齿角度下、不同形状PDC切削齿垂直压入岩石和不同切削深度直线切削均质岩石及非均质岩石的过程,发现不同形状PDC切削齿的破岩过程存在明显差异。与常规平面PDC切削齿相比,三棱形PDC切削齿更易压入地层形成破碎坑;三棱形和斧形PDC切削齿破碎均质砂岩时所需的切削力较小,岩石产生的预破碎区域更大,破碎非均质岩石时的切向力波动幅度小,更易破碎岩石。根据模拟结果,设计研制了三棱形切削齿PDC钻头,并在钻进混合花岗岩地层时获得较好的效果。研究结果表明,有限元模拟可为PDC钻头设计提供参考。      

斧形PDC齿破岩规律数值模拟研究

斧形PDC齿具有独特的齿形,在破岩实验中表现出更好的破岩性能。但斧形PDC齿破岩规律和工作参数及齿形的优选方法不明确。因此,利用ABAQUS软件建立了斧形PDC齿切削岩石的三维有限元模型,通过有限元数值模拟方法分析后倾角、斧刃角对斧形PDC齿破岩效果的影响。结果表明:后倾角为15 °时,斧形PDC齿破岩效率最高;在后倾角相同的情况下,斧刃角越小,切向裂纹越易于向岩石内部发展,最优斧刃角为110 °。根据模拟结果,优化了斧形PDC齿钻头外形参数,并在现场试验中获得较好的效果。该研究结果可为斧形PDC齿钻头优化设计提供重要依据。     

领眼与扩眼双级PDC钻头井底流场数值模拟

针对领眼与扩眼双级PDC钻头,利用FLUENT有限元软件进行了井底流场数值模拟,得到了四刀翼双级PDC钻头与六刀翼双级PDC钻头井底的速度场、压力场特征。仿真结果表明,领眼钻头刀翼上的内侧切削齿由于低速滞留区的存在导致表面钻井液流速较低,清洗效果较差;从领眼钻头井底上返的钻井液流过阶梯状环空井眼台阶处时出现压力波动。对比两种双级PDC钻头仿真结果,四刀翼双级PDC钻头领眼体与扩眼体井底水力能量分配更加均衡,同时领眼空间与扩眼空间均形成了较大的轴向压差,更加利于钻井液携岩上返。领眼钻头的井眼尺寸、领眼钻头与扩眼钻头喷嘴的过流面积配比对于双级PDC钻头的井底流场有着较为明显的影响。     

牙轮—PDC混合钻头的破岩特性及温度场变化

较之于常规的PDC钻头或牙轮钻头,牙轮—PDC混合钻头有着更好的破岩效果,其破岩过程产生的热量对其使用寿命和钻井效率都有着重要的影响,但目前对其破岩过程中温度场和破岩特性的研究还不够深入。为了给混合钻头的优化和推广提供理论支撑,基于有限元法、弹塑性力学等建立钻头破岩仿真模型,据此研究了破岩过程中的混合钻头温度场变化规律和破岩特性。研究结果表明:(1)牙轮主导型混合钻头破碎岩石时牙轮切削结构先冲击岩石,形成破碎坑,PDC切削齿再进行剪切,而PDC主导型混合钻头由PDC切削齿对岩石进行刮切形成沟槽,牙轮切削齿再对岩石进行破碎;(2)混合钻头在破岩初始阶段温度上升较快,一段时间后趋于平稳且钻压越大温度越高;(3)较之于PDC钻头和牙轮钻头,混合钻头破岩过程中温度更低,混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和;(4)混合钻头在硬地层中的破岩温度高于在软地层中的破岩温度,而钻速则相反;(5)钻头破岩温度和破岩特性与其自身结构有关。结论认为,该研究成果有助于混合钻头的优化设计和推广应用。     

空气锤钎头齿孔过盈配合数值模拟研究

传统方法在研究空气锤钎头齿孔过盈量问题时大都是针对单个齿孔进行的,而且对模型进行了过度简化,没有考虑钎头本体的复杂几何外形和相邻孔间应力的相互影响,无法得出整个钎头体上的应力分布。为此,分别用弹塑性力学方法和有限元方法对齿孔在不同过盈量下的应力分布情况进行了计算。结果表明,弹塑性分析与有限元分析结果一致,钎头中心齿齿孔过盈量取0.05～0.06mm、边齿齿孔过盈量取0.06～0.07mm时较合理,弹塑性力学方法的计算值比较保守,但仍有重要的参考价值。利用ANSYS软件对钎头齿孔过盈配合进行有限元计算,是改进齿孔设计的有效方法,此方法也可用来分析PDC钻头和牙轮钻头齿孔过盈配合问题。     

仿生PDC齿旋转破岩时的温度场和破岩特性模拟研究

针对常规PDC钻头破岩效率低、钻头泥包和使用寿命短等问题,以穿山甲鳞片、蝼蛄爪趾、鲨鱼牙齿和扇贝壳作为仿生原型,从多个维度进行结构仿生,设计了一种新型耦合仿生PDC齿.采用有限元法、弹塑性力学等方法,建立了仿生PDC齿的破岩仿真模型,利用有限元软件ABAQUS的温度–位移耦合显式侵彻接触算法和显式动力学模块,研究了仿生...     

斧形PDC切削齿破岩机理及试验研究

斧形PDC切削齿比常规PDC齿具有更明显的破岩优势。为了分析斧形PDC齿的破岩机理,利用有限元仿真模拟与试验相结合的方法,通过斧形PDC齿与常规PDC齿破岩过程的对比与受力分析,揭示了斧形PDC齿破岩过程的力学机制。分析结果表明:斧形PDC切削齿破碎岩石时,斧刃会使其前方岩石内部形成一个剪应力集中区,岩石更易发生剪切破坏;切削齿斧刃吃入岩石后,屋脊形的斧形齿逐渐楔入岩石,从侧向上使岩石发生拉伸破坏,提高了其破岩效率;斧形齿破岩时所受轴向力和切向力小,更易吃入岩石,所受切向力及轴向力波动幅度更小,具有攻击性及稳定性强的优点,不易发生冲击损坏,在井下使用寿命更长。研究结果可以为新型PDC切削齿的研发和高效PDC钻头的设计及应用提供指导。     

硬质岩石中PDC切削齿结构完整性研究

硬质岩石对PDC钻头切削齿使用寿命的影响极大,导致钻头更换频繁,效率低、成本高。为了给硬质岩石的高效钻进提供理论与技术支撑,国外的研究人员对圆形齿和V形齿的耐用性进行了评价,并采用有限元模拟分析了切削齿的力学性能; 然后,利用圆形齿和V形齿钻头进行了花岗岩和石英岩的全尺寸钻进试验,最后,对圆形齿和V形齿进行了现场评价。研究结果表明:在大多数情况下,V形齿比圆形齿更耐磨,在载荷相同的情况下,V形齿的机械钻速更大。研究结果可为硬质岩石个性化PDC钻头的研制提供理论与技术支撑。