PDC切削齿后倾角与破岩关系的数值模拟

PDC钻头在煤炭行业中应用广泛,但在煤层顶、底板硬岩穿层钻进中出现了效率低的状况。基于这一问题,以切削齿为单位对钻头破岩作用机制进行研究,在有限差分软件FLAC~(3D)中建立切削齿与岩石相互作用仿真模型。通过改变切削齿空间参数,模拟不同后倾角对切削齿破岩效果的影响。研究结果表明,切削齿的后倾角为15°时,切削齿对岩石产生应力及位移最大,破岩效果最为明显。     

PDC钻头切削齿切削角度对破岩效果影响规律的研究

利用有限元数值模拟方法,研究石油钻井PDC钻头破岩过程中切削齿与岩石相互作用的规律,分析PDC钻头切削齿切削角度与破岩效果的关系,以优化切削齿的切削角度。通过数值模拟分析,得到了在不同岩性中切削齿切削角度与破岩体积、破碎比功之间的关系。     

基于离散元方法的PDC钻头切削齿破岩机理数值模拟

工具破岩机理研究对于石油钻探、煤炭和矿物开采、隧 道和地下硐室建造等工程领域具有重要意义.切削工具的 结构参数及真实物理环境对破岩效果影响显著.采用离散 元方法模拟 PDC齿在不同切削速度、切削角度、切削深度以 及围压参数下的切削破岩效果,得出 PDC 齿受到的切削力 及岩石裂纹发育情况的变化规律.研究结果表明:在 PDC 钻头切削岩石过程中,切削力随切削速度和切削深度的增加 呈近似线性增加,切削角度为１０°时其切削力最小,围压会显 著增强岩 石 的 强 度 和 塑 性,从 而 影 响 PDC 切 削 齿 的 破 岩 效果.     

PDC钻头复合冲击破岩机理研究及应用探讨

随着钻井提速,PDC钻头结合扭力冲击器的复合钻井技术应用越来越普遍。为了进一步提高PDC钻头复合钻井技术在现场的应用效果,系统分析了钻头的结构及工作原理,对PDC钻头具有的硬度高、耐磨性好、强度高、自锐性好、稳定性差、抗冲击性差的特性进行了分析。通过对复合冲击破岩机理研究表明,在复合钻井条件下,PDC钻头切削齿与地层岩石呈严重不均匀接触状态,承压面积减小,切削齿对地层岩石的吃入深度增加,加之切削轨迹呈交叉状态,显著提升了钻头破岩效率。通过在钻井现场的应用及与牙轮钻头钻井情况对比,结果表明,PDC钻头复合钻井技术能够显著提高机械钻速、缩短钻井周期,具有较好的经济效益和广阔的应用前景。     

煤层底板灰岩层注浆定向水平井用PDC钻头个性化设计

针对煤层底板灰岩层定向水平注浆井钻进工艺特点及灰岩层地层特性,通过分析现场地质特征及构造、钻孔设计以及井身结构等特点,对拟钻地层特性、钻进工艺以及常规钻头磨损情况进行研究,对钻头剖面形状、切削齿排布、切削齿安装角度以及金刚石复合片优选进行优化设计。新设计钻头采用抛物线剖面,极限密度布齿并针对关键部位增加后备齿加强的方案,降低钻头关键部位磨损,提高钻头攻击性,以通过数值模拟分析异形切削齿破岩效率,以强化鼻部切削齿,提高钻头抗冲击韧性,防止钻头冲击破坏。采用优化设计的钻头进行现场试验,使用寿命较常规PDC钻头提高58.18%|复合钻进平均速度较常规PDC钻头提高50%|定向钻进平均速度较常规PDC钻头提高56.52%,实现了灰岩层底板注浆施工优快钻井需求,为硬岩裂隙地层定向井钻进施工提供了钻头设计方案,为同类地层注浆井的施工提供了技术支撑。     

五宝场硬塑性地层斧形曲面PDC齿破岩性能研究

为解决川东油气钻井中五宝场沙溪庙组硬塑性地层PDC钻头磨损严重、起下钻频繁的问题,开展了斧形曲面PDC齿在硬塑性地层破岩性能的研究。首先采用X射线衍射试验与三轴力学试验分别获取该地层岩石性质和力学参数,然后采用有限元仿真与试验相结合的方法开展斧形曲面PDC齿破岩性能研究。研究结果表明：斧形曲面PDC齿主要以剪切、挤压、犁切共同作用破岩;相较于常规PDC齿,斧形曲面PDC齿有更强的吃入岩石的能力和稳定性,能有效减小钻头异常振动,提高钻头寿命,并在不同磨损高度（0～3 mm）时,破岩比功降低2.2%～8.2%;根据试验得到斧形曲面齿较常规齿破岩性能提高了11.39%,且试验与仿真平均切削力误差仅为7.46%,验证了仿真模型的正确性。本研究表明斧形曲面PDC齿在硬塑性地层对提高破岩性能具有重要意义。     

硬岩钻进用仿生PDC切削齿优化与破岩机理研究

为了提高聚晶金刚石复合片(PDC)切削齿的破岩效率,将仿生非光滑理论应用到PDC切削齿的表面形态设计中,通过对波浪形、三角形和梯形金刚石层表面形态的仿真模拟,优选出三角形表面形态为最佳结构;以φ13.44 mm×8 mm的PDC切削齿为例,通过仿真模拟对三角形凹槽数量进行了分析,最终确定3个三角形凹槽为最佳;按照确定的优化设计方案,根据不同材料和工艺设计加工了4种大锯齿仿生PDC切削齿,通过微钻试验台进一步对比分析了仿生PDC切削齿与平面PDC切削齿的钻进效率。结果表明:大锯齿仿生PDC切削齿钻进效率明显优于普通平面片,但是破岩过程中容易出现"崩片"现象,为保证使用寿命,在材料和加工工艺方面应比普通平面片要求更高。     

PDC钻头谐振破岩模拟及室内试验研究

近年来油田开发的重点已经由浅层逐渐向深层、超深层转移,随着钻井深度的增加,钻井难度也逐渐变大。为了解决钻深井时机械钻速慢、钻头失效快等问题,对谐振破岩技术展开了研究,建立了PDC单齿切削的离散元模型,为PDC齿分别添加不同频率的简谐振动,模拟钻头在不同频率的简谐振动下的破岩效果,结合简谐振动下PDC钻头室内破岩试验,试验结果验证了模型模拟结果的准确性,将离散元模拟和室内试验结合,验证了谐振破岩的可行性,为深部地层的钻井提速工具设计提供了新的理论支持。     

地质PDC取心钻头切削载荷有限元分析

通过建立钻头切削岩石的力学模型,对PDC取心钻头切削齿受力进行了分析,并对钻头切削齿切削岩石受力进行了有限元分析,得出PDC钻头在载荷下的应力应变分布,为地质PDC取心钻头的优化设计和合理使用提供了理论依据。     

石灰岩地层PDC钻头仿生PDC齿工作角优化试验研究

在仿生耦合理论的指导下,根据贝壳的表面非光滑的结构特性设计研制一种仿生PDC齿。设计PDC钻头时,主要考虑切削齿的后倾角与侧转角,二者对钻头碎岩效率有重要影响。通过理论分析仿生PDC齿在钻头的最优安装角度,并通过钻进试验来优选仿生PDC齿在钻进石灰岩的最优安装角度。试验结果表明:在相同的转速、钻压的条件下,切削齿后倾角为20°、侧转角为0°时,钻头钻速最快。此试验结果可以为石灰岩地层用PDC钻头的设计提供参考依据。     

基于Pro／E的PDC钻头三维参数化布齿设计

合理的布齿是保证PDC钻头有优良工作性能的关键。在Pro／E中建立了切削齿三维实体模型和PDC钻头三维参数化实体模型，并编写了相应的计算程序．计算各个切削齿前后中心点的精确坐标，并对Pro／E模型进行验证。为PDC钻头布齿设计提供了可靠的依据，为PDC钻头精确布齿走向自动化打下了基础。     

新型仿生PDC齿高效切削机理及试验研究

利用仿生耦合理论,根据贝壳和蝼蛄等动植物的非光滑形态结构研制了一种新型的仿生PDC齿,并利用有限元软件abaqus对单个齿磨损前后的运动过程进行分析,与普通PDC齿的应力分布状态进行对比,可以看出,在同等条件下,非光滑PDC切削齿的应力大小及分布情况要明显优于普通的PDC切削齿,具有良好的碎岩效果。此外还对这2种切削齿进行了磨耗比试验,试验结果进一步证明了仿生PDC齿具有一定的优越性。     

硬致密泥岩钻进的新型复合片钻头的研究与应用

介绍了一种新型齿形的复合片钻头，在硬致密泥岩中钻进，与常规复合片钻头相比，具有很高的钻进效率和高的钻头寿命，解决了泥岩钻进效率低的难题。     

PDC钻头自动感应焊接装置的研究

根据目前PDC钻头生产存在的问题，研究了单工位、双工位及八工位PDC钻头自动感应焊接装置，介绍了方案设计及试验情况。     

PDC钻头井底流场实验装置设计

根据ＰＤＣ钻头的结构特点、破岩原理及现场使用情况，阐明了进行ＰＤＣ钻头井底流场试验研究的必要性和迫切性。结合国外的有关资料，设计出能够进行ＰＤＣ钻头单喷嘴射流特性、井底漫流特性及全尺寸钻头井底液流流动规律试验研究的实验装置。该装置实现了井底流场特性的三维空间测量。     

大牛地气田太原组水平段钻头选型分析

大牛地气田主要目的层太原组地层砾岩发育,石英含量高。在使用PDC钻头钻砾岩段,较大的负荷冲击载荷作用常造成PDC钻头复合片崩齿从而失去切削能力,不得不起钻更换钻头,大大降低了钻井时效、增加了钻井成本。通过对太原组水平段钻头的数据统计分析,使用GD1306TX型与FX55D型2种型号的钻头在太原组地层钻进可以提高机械钻速、缩短钻井周期,在GD1306TX型与FX55D型之间通过每米成本统计分析获得GD1306TX型钻头每米成本更低,更适合太原组研磨性地层使用,可为该区域水平段钻井的钻头选择提供依据。     

深孔PDC扩孔钻头研究及计算机辅助设计

介绍了深孔PDC扩孔钻头设计方法,参考了全面钻进PDC钻头设计理论,进行了冠部轮廓设计及等切削布齿理论研究,借助CAD/CAM/CAE一体化三维软件Pro/ENGINEER完成PDC扩孔钻头三维建模,参数化设计提高了PDC布齿的准确性,PDC扩孔钻头可应用到各种扩孔施工,应用前景十分广阔。     

PDC钻头在沙南油田沙丘3井区的推广应用

结合井下作业公司钻井实际情况，以现场应用PDC钻井为例，对PDC钻头特性及现场应用做了一一阐述，并和SH11R钻头作了同井段可钻性的比较，得出了符合该公司现场使用PDC钻井的普遍经验、规律。     

煤矿井下硬岩定向钻进PDC钻头选型及试验分析

为了提高煤矿井下硬岩定向钻进的效率,在分析硬岩定向钻进PDC钻头的结构要求的基础上,选择了3种不同类型的PDC钻头进行煤矿井下硬岩定向钻进试验。试验结果表明,平底型PDC钻头不适用于定向钻进硬岩,而三翼抛物线型钻头和四翼平角型钻头在定向钻进硬岩时,表现出长寿命、高效率等特点,适合于定向钻进硬岩地层,大大提高了煤矿井下定向钻进硬岩地层的效率。