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％。     

砾岩层PDC切削齿优选试验

为了在砾岩层中获得更好的钻进效果，需要对砾岩层用PDC钻头切削齿的齿形和后倾角进行优选。对普通平面齿、锥形齿和斧形齿在砾岩岩样中进行单齿破岩试验，再对优选出的斧形齿进行仿真分析，优选斧形齿的最佳齿面角度，再与普通平面齿进行切削模拟，验证试验结果。结果表明：斧形齿在砾岩层中切削效率最高，受力最稳定；齿面角度为140°的斧形齿在砾岩中钻进效果更好，当其配合30°后倾角时，切削效率最高。     

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。     

PDC实钻性能的测试与评价

在总结分析国内外有关PDC切削齿性能测试方法的基础上,采用常规检测方法对不同生产厂家的5种PDC产品的磨耗比、冲击韧性和热稳定性进行测试、评价和优选,并对优选出的2种PDC在微钻试验平台上进行实钻性能测试。结果表明:用微钻试验的钻进效率衰减系数和钻进效率均峰值来评价PDC实钻性能,方法科学,数据准确,结果实用,可作为煤矿用PDC钻头切削齿选型的参考依据。      

车梳复合切削特性试验研究

本文围绕车梳复合切削的轴向切削过程中的切削性能问题和切削效率问题,分别在相同的切削参数和材料去除率的条件下,对三种不同齿数车梳刀片的切削力和切削温度进行对比试验.探索了切削刃数目的变化对切削性能及切削效率的影响关系.切削试验包括梳切42CrMo的切削温度及切削力的测量.通过研究结果表明:不同齿数的车梳刀片在不同切削参数下切削温度和切削力有较大差异.在相同的切削参数条件下,多齿刀片的切削力与刀齿数量正相关,分配到每齿上的切削力值小于单刃切削时的数值.且三齿刀具与单齿刀具的切削力值相近;对切削温度而言,各刃口处测量值之间相差不大,单齿切削的切削温度比多齿刀片小.在相同材料去除率的条件下,单齿刀片的切削力数值较高,而三齿刀片和五齿刀片的该值相差不大,且单齿刀片加工后的表面粗糙度较其它两种刀片大.     

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。     

硬地层定向PDC钻头个性化设计与应用

为了扩大PDC钻头在坚硬地层钻进方面的使用范围,通过对钻头冠部轮廓形状、切削结构、切削齿工作角度、钻头水力结构、稳定特性影响因素等方面的研究和优化设计,针对长岭凹陷青山口组及拳头组地层,个性化设计了311BTS115E6型定向PDC钻头。试验表明:新型号钻头在硬地层定向段机械钻速高,平均机速达到3.2m/h,与临井相同井段钻头相比,钻速提高了200%。且该钻头滑动过程中造斜率高、工具面稳定,具有极高的推广价值。     

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。     

磨损齿PDC钻头的切削性能试验

为探究磨损齿PDC钻头的切削性能,避免其过早失效,通过单齿切削试验以及全尺寸磨损齿钻头钻进试验,分析磨损齿的受力状态以及钻头的钻进特性。结果表明：相比于新齿,磨损齿受载更大,且其“磨圆”后切岩过程中的钝搓现象普遍存在;在相同吃深条件下,齿的磨损高度越大,载荷波动越明显。相比于新钻头,磨损齿钻头更能产生光滑的井底,不利于其侵入地层。随齿的磨损高度增加,钻头的机械钻速下降,机械比能增加,振动程度减小,且钻头的径向加速值与齿的磨损高度无关。当齿的磨损高度大于3.0 mm时,钻头的机械比能和机械钻速对钻压不敏感。     

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。     

复合地层中不同刃形滚刀与岩石接触行为研究

目的 滚刀截面形状即刃形对滚刀综合性能影响显著,研究不同刃形的滚刀在复合地层中的载荷变化特点,把握各型滚刀应用于复合地层时的优势与劣势,对于减少滚刀失效、降低刀盘偏载具有重要指导意义。方法 通过滚刀破岩试验获取和对比3种刃形的滚刀(平顶、圆顶和螺旋槽滚刀)在软硬复合地层中的切削力、破岩体积等关键指标,同时建立滚刀破岩有限元数值模型,探究滚刀刃形影响其切削岩石性能的机理和规律。结果 在复合地层中工作时,平顶滚刀所需的法向力均值最高,其余滚刀则相近。这是由于圆顶和螺旋槽滚刀破岩时仅有部分表面参与接触,接触面积均小于平顶滚刀,应力集中效应明显,从而降低破岩法向力。螺旋槽滚刀在切削不同强度岩石时的法向力差距最小;圆顶滚刀的法向力标准差的值最小。3种滚刀均形成了粉末状和片状岩石碎片,平顶和圆顶滚刀形成的岩石碎片总体积相近而螺旋槽滚刀略低。结论 复合地层软硬岩强度相差较大时,可选用螺旋槽滚刀以减轻刀盘偏载;硬岩部分强度较高时,推荐选用圆顶滚刀,以减小切削力和载荷冲击。     

Failure modes of PDC cutters under different loads

The capability of several types of flat PDC cutters to withstand combined loads were tested and evaluated by the impact and cutting of single PDC cutter on granite in a linear impact-cutting table.The primary failure modes of PDC cutters withstanding different combined loads were investigated and analyzed.The suggestions of enhancing PDC cutters to be suitable for drilling very hard rock have been made.     

不同后角的Ti(C,N)基金属陶瓷刀具切削过程的DEFORM-3D有限元模拟

采用XRD、SEM、EDS方法分析金属陶瓷的显微组织,并测试其室温力学性能。在DEFORM有限元模拟软件中建立三维切削有限元模型,对不同后角的切削过程进行仿真模拟。对等效应力场、温度分布及磨损量模拟结果进行分析,分析结果表明切削正火态AISI-1045钢时,金属陶瓷刀具的最佳后角为5°。切削实验参数与有限元模拟参数相一致,切削实验结果表明,刀具后角5°切削时,金属陶瓷刀具的耐用度最好,验证了有限元模拟预测的正确性。     

聚晶金刚石复合片的磨损规律

通过观察切削花岗岩过程中聚晶金刚石复合片(PDC)刀具的磨损过程和磨损形貌,研究PDC刀具的磨损规律。研究结果表明:切削花岗岩时,受切削力及其冲击的作用,PDC刀具产生近乎平行岩石表面的磨损形式,磨损机理为机械作用引起聚晶金刚石层微观裂纹产生并扩展而导致的金刚石颗粒的微观破碎。     

Cutting capacity of PDC cutters in very hard rock

An experimental programm of investigating the cutting capacity of PDC flat cutters in very hard rock has been performed, Experiments include both the cutting of PDC fixed at different angles on the granite core or bar and linear cutting with different static thrust on the block of granite, The effects of the rough degree of rock surface, cutting angles,and static thrust on the cutting capacity of PDC in very l‘mrd rock were investigated and analyzed. The results show that the single modp of rotarv drilling llsing PDC cutterg is not annlied fnr very hard rocks.     

立铣刀断屑槽对切削性能影响规律试验研究

采用析因试验法研究断屑槽结构的制备对整体式立铣刀切削性能的影响。选取2把断屑槽分布不同的刀具,以铣刀主轴转速、径向切削深度、每齿进给量为主要因素,建立正交铣削试验。结果表明：断屑槽分布密集的铣刀适合用于加工精度要求不高的零件;断屑槽分布稀释的铣刀,适合用于半精加工要求的工件;对比分析切屑形貌和表面质量,得到用断屑槽分布稀疏的刀具铣削工件时可获得较好的表面质量。     

基于FEM的纳米TiN改性金属陶瓷刀具的切削性能研究

文章以纳米TiN改性金属陶瓷刀具作为研究对象.基于大变形-大应变、增量理论及拉格朗日算法,建立了Cockcroft&Latham断裂分离及磨损准则的有限元模型,并对AISI1045钢进行切削加工模拟.改变刀具角度,得到不同角度纳米TiN改性金属陶瓷刀具切削过程中的主切削力、温度及后刀面磨损变化曲线,模拟结果与相关切削理论比较吻合.结合刀具磨损SEM形貌,简要分析了此刀具磨损机理.文章的研究能够为后期新型刀具材料的研究开辟了新路径,以期到达缩短研制周期,降低成本的目的.     

PCD圆锯片锯齿结构参数计算机模拟优化设计

PCD木工圆锯片的锯齿结构参数对切削过程中刀具磨损起决定性作用,它的尺寸变化直接影响加工工件的表面质量及精度。采用有限元的方法对不同结构参数PCD木工刀具圆锯片切割时的受力及变形情况进行了模拟计算分析,发现:其加工中的最大压应力集中在锯齿背部区域、最大拉应力集中在锯齿根部附近区域,最大变形在切削速度方向,其最佳锯齿结构参数为前角γ=15°、后角α=15°。