仿真技术在钻头设计中的应用

随着石油工业的发展，钻井工业对钻头具有高个性化、高性能的设计，为满足这种要求，各大钻头制造商纷纷开发了新一代钻头仿真设计平台。简要介绍了仿真平台的应用、所需的支撑技术以及存在的困难和挑战。     

PDC钻头的发展趋势

介绍了PDC钻头及其发展的3个趋势:(1)设计理论和设计手段的发展,包括传统设计理论等切削原理、非常规设计理论、计算机辅助设计、钻头实体仿真、工作状态仿真和地层适应性研究;(2)切削元件超硬材料的发展,包括提高聚晶金刚石复合片的自身性能、改变复合片的结构和发展异型复合片;(3)钻头制造工艺技术的发展,包括数控加工技术的应用、软模成型技术、胎体性能研究以及固齿技术的研究。     

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针对复杂地层的钻井工艺提出了一种有效的新方法，即反循环气体钻井技术，开发了反循环钻头新产品，该产品能有效地提高钻头破岩效率和流场排屑能力。用现代先进的CAD实体设计软件Pro/E把常规Φ311.1 mm钻头巧妙地改造为反循环钻头，在设计中最重要的参数是反循环钻头挡板(skirts)形状、结构尺寸以及反循环钻头中心孔眼流道形状和其结构尺寸参数，这些参数直接影响井底流场分布及其流体的排屑能力。在研究中把这些参数做为重点进行结构优化设计。用计算流体动力学软件PHOENICS将CAD模型转换为CFD模型，对所设计的反循环钻头进行井底流场的计算机仿真模拟研究，优化出反循环钻头结构参数和流体入口参数，最终优化结果用Pro/E参数化软件开发出了反循环钻头结构参数，并在成都总机厂试制了2只反循环钻头新产品。本研究成果对于复杂地层油气井开采具有重大的意义和应用价值，同时可在国内复杂地层钻井技术中推广应用。     

PDC钻头技术发展现状与展望

从切削齿、钻头结构、钻头设计与制造、钻头优选及使用技术等方面,介绍了国内外PDC钻头技术发展现状,指出目前PDC钻头居市场主导地位,切削齿的改进和创新是钻头研发的主攻方向,钻头结构趋向多样化、集成化,更为强调个性化设计,强化参数钻井。列举了包括水平井一趟钻在内的应用案例,PDC钻头提速降本效果显著,助力非常规油气高效开发,深井钻井周期持续缩短,钻井记录不断刷新。未来适时引入高新技术和高新材料,将带来钻头技术的重大突破,集成创新和颠覆性创新进一步加快,智能钻头不断提高储层钻遇率和机械钻速,新一代钻头将会促进水平井超级一趟钻的推广应用。同时分析了中国石油集团PDC钻头技术发展现状与差距,提出了有针对性的发展建议。     

三牙轮钻头数字化钻进仿真评价系统开发及应用

钻头数字化钻进仿真是一种将钻头-岩石互作用仿真理论与钻头性能评价及结构优化相结合的实用化技术,开发钻头钻进仿真软件的主要目的是为钻头设计及性能分析提供技术手段。在已完成的三牙轮钻头仿真模型研究基础上,重点解决了数据输入、模型数值算法实现、仿真结果可视化等问题,利用MATLAB完成了软件开发。开发的软件能够模拟钻头几何结构,分析理想状态下钻齿的运动特性,模拟钻头在直井、水平井和定向井不同工况下的钻进过程,并对钻头破岩过程中的相关物理参数进行分析评价。利用该软件对某型号三牙轮钻头进行了台架试验及布齿结构参数优化设计,仿真结果具有直观及定量化的特点,表明利用该软件对钻头进行优化设计方便、快捷且可靠性高。      

牙轮钻头动力学模型的建立与仿真分析

在牙轮钻头几何学、运动学和钻头与岩石互作用静力学模型的基础上，对钻进过程进行适当简化后，建立了牙轮钻头动力学模型，主要包括钻头纵向动力学模型、钻头横向动力学模型和钻头扭转振动模型。在建立钻头动力学模型的基础上，完成了牙轮钻头动力学仿真分析软件的设计，利用该软件实现了对牙轮钻头动力学仿真分析计算，并与静力学模型的仿真计算结果进行分析对比，得出了影响钻头、钻柱动力学性能的因素除与钻头结构、牙齿结构、岩石性质和钻井参数有关外，还与钻具结构和钻具的组合形式有较大关系等结论。     

基于UG/OPEN的PDC钻头切削参数仿真方法

采用仿真方法进行PDC钻头切削参数的量化是钻头个性化设计的重要技术手段。为提高PDC钻头钻进仿真的效率及精度,并与钻头三维设计系统实现无缝连接,在PDC钻头切削参数理论及切削量计算方法的基础上,利用UG软件的布尔运算功能进行了二次开发,基于UG/OPEN快速获取切削量的原理建立了PDC钻头井底模型,将钻头的切削过程等效为几何结构的布尔减运算,通过数值运算获取切削体积、接触面积、切削力等参数。研究结果表明,切削参数仿真结果与既有数值方法仿真结果的变化趋势相同,并且具有更高的精度和仿真效率。基于UG/OPEN的PDC钻头切削参数仿真方法为切削参数获取提供了一种新的方法,可以为个性化PDC钻头的快速设计提供参考。      

异形牙轮单牙轮钻头的计算机仿真模型研究

讨论了一种新型单牙轮钻头——异形牙轮单牙轮钻头。在钻头几何学和运动学的基础上，通过坐标变换方法实现了钻头上各牙齿的空间位置变换，建立了随钻运动的单牙轮钻头的计算机仿真模型。仿真模型可模拟钻头钻进过程中牙轮上各牙齿的形状、大小、钻头上各牙齿的布置及钻头钻进过程中各牙齿间的相互位置关系，是钻头与岩石相互作用仿真研究的核心问题，也是分析研究单牙轮钻头工作行为的基础。     

复合钻井条件下三牙轮钻头的运动仿真

运用计算机仿真技术来描述三牙轮钻头在复合钻井条件下的运动规律和工作状况，从而减少与复合钻井相关的三牙轮钻头的研发设计工作量，节约成本。在复合钻井条件下三牙轮钻头运动学分析基础上建立其数学模型及仿真模型，并采用FORTRAN语言设计和编写仿真程序。选取不同的复合钻井的钻进参数来进行仿真实验，并对数据进行了分析。结果表明，该仿真程序能较好地模仿钻头的运动情况，也为进一步深入研究复合钻井条件下三牙轮钻头的工作状况奠定了基础。     

盘式钻头破岩机理仿真分析

盘式钻头是一种新型齿形三牙轮钻头，其齿面制成与牙轮母线垂直的圆环形连续齿圈，改变了牙齿与岩石的作用特点及其破岩机理。利用牙轮钻头几何模型及计算机仿真技术，建立了盘式钻头与井底岩石互作用仿真模型、盘式钻头齿形几何模型及盘式齿形离散模型等，编制了盘式钻头与岩石互作用仿真分析软件。由仿真计算得到了给定结构参数的盘式钻头与给定岩石互作用后的井底模式。通过单齿圈复合破岩实验，得到了盘式钻头实际钻井时的井底模式，它与采用计算机仿真软件的仿真结果很相近，验证了仿真模型的正确性，为盘式钻头设计提供了新方法。     

单牙轮钻头井底轨迹分析

牙轮钻头的井底轨迹是牙轮钻头破岩的重要特征，以前钻头的井底轨迹主要通过实验获得，费时费力。文章通过计算机仿真来绘制单牙轮钻头的井底轨迹，并分析了钻头结构参数对井底轨迹形成的影响，找出了影响井底轨迹形成的主要结构参数。单牙轮钻头仿真的井底轨迹与台架试验的井底轨迹进行对比，证明仿真结果的正确性，仿真方法的可行性，能够对以后的钻头设计具有指导性建议。     

牙轮钻头工作扭矩的计算机仿真

对牙轮钻头在破岩过程中的受力和运动状态进行分析，建立了牙轮钻头动力学基本方程，研究井底岩与牙轮钻头的相互作用后，建立了钻头结构参数，钻井参数，岩石性质参数与触底齿受力间的近似关系。研制了牙轮工作扭矩的计算机仿真模型和仿真软件，仿真结果与实验数据比较表明了理论研究和仿真模型及软件的正确性和可靠性。     

中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院

<正>金刚石钻头研发技术胜利石油管理局钻井工艺研究院金刚石钻头研发中心是长期从事各种金刚石钻头研究、设计及制造的专业单位。集科研开发、制造销售、技术服务于一体,求实创新,面向国内外。产品设计先进、品种多样,具有完备的加工试验设备、检验仪器和健全的质量保证体系,1998年通过ISO9001质量体系认证,2002年取得API会标使用权,2004年通过HSE体系认证。从设计、制造工艺、现场技术服务     

国外钻头技术新进展

分析了美国Hughes Christensen公司、Reed-Hycalog公司、Smith钻头技术公司、Varel国际公司以及国外其它钻头制造商的新型钻头产品和技术。对这些钻头的结构特点、性能特点、试验及现场应用情况分别做了描述或说明,同时对新钻头产品的设计软件和设计方法做了简要介绍。建议国内钻头制造企业加大技术开发力度,不断推出拥有自主知识产权的更新换代产品。     

针对特殊需要设计专用钻头

随着钻井区域扩大,现有钻头已不能满足某些特殊的作业要求,现场希望开发能适应具体情况的新钻头。国外钻头公司采用以仿真技术为核心的设计方法设计专用钻头,既为公司创造了利润,又为钻井队节约了成本。从现场资料和试验资料积累,钻头-岩石-下部钻柱系统计算机仿真,以及钻头优选和优化设计软件开发等方面阐述了专用钻头设计技术的要点。     

单齿圈牙轮钻头轮体速比的计算机仿真

为进行整个牙轮钻头轮体速比的仿真研究，先研究了单齿圈牙轮钻头轮体速比仿真。借助钻头几何学、运动学和已建立的岩石与牙齿互作用力学模型，在一定假设的基础上建立了牙齿运动和受力、牙轮扭矩、牙轮角速度和角加速度等的仿真模型。用计算机程序模拟单齿圈牙轮钻头在给定岩石中的钻进过程，得到了单齿圈牙轮转速与钻头体转速的比值（轮体速比）的变化规律。接着用软件试验探索岩石、钻压、移轴距对单齿圈牙轮钻头轮体速比的影响。仿真软件试验结果与台架实物试验结果的比较证明，这种仿真方法是可行的。     

牙轮钻头的侧切规律研究

从钻头动力学基本方程出发，分析钻头在井底中的横向运动规律，探讨井壁刮痕生成过程和井壁模式的形成后，建立了牙轮钻头倒向切削井壁的仿真模型和仿真软件，填补了牙轮钻头工作力学行为研究中的部分空白。     

快速原型成型技术提高了金刚石钻头的设计与性能

人们现在采用多学科专家与最新的技术来设计与制造钻井钻头。法国国家研究中心与国际服务公司的大力合作的研究与开发项目将新式钻头设计与开发所需的时间缩短到了仅三个星期。实现这一目标应归功于采用了机械与水力学性能软件、先进的CAD软件与快速原型成型技术。同时用户也参与了钻头技术规范的制定与现场使用数据的快速反馈工作，如钻头性能与钝钻头条件的分析等。计算机模拟。由Crystal公司开发的软件建立了钻进时钻头的特性，并预测钻头的磨损。因而，设计出动平衡性能，清洁度与冷却性能更好的钻头，岩屑的有效变化可通过钻头寿命来…     

PDC钻头三维扫描及逆向设计技术

利用常规技术设计制造PDC钻头存在精度低、效率不高、方法不系统等问题,为解决该问题,研究应用了三维扫描及逆向设计技术。简单介绍了三维扫描及逆向设计技术,分析了PDC钻头三维扫描及逆向设计的方法及优点;以φ215.9 mm五刀翼、φ16.0 mm复合片的PDC钻头为例,介绍了PDC钻头三维扫描及逆向设计步骤。采用三维扫描及逆向设计技术设计制造的PDC钻头在现场进行了试验,并分析了其磨损情况,根据分析结果对钻头又进行了改进。改进后的钻头在胜利油田和长庆油田进行了应用,应用情况显示,无论进尺还是机械钻速,改进后的钻头都较原型钻头有很大提高,并降低了发生泥包的概率。研究结果表明,利用三维扫描及逆向设计技术可以优化PDC钻头设计、提高钻头体加工精度、精确分析钻头磨损情况等,从而提高PDC钻头的研制水平和应用效果。      

钻头密封材料研究探讨

从钻头密封的发展历史以及现在国内外钻井对钻头密封的要求来看，钻头密封材料的研究已成为现代和将来钻头密封研究的主要领域，为了开发适应现代钻井要求的钻头密封，必须在密封材料研究的基础上结合密封结构进行设计。本文对钻头密封材料研究的现状进行了探讨，并讨论了在现有密封材料研究技术的基础上开发充满前途的二种钻头密封：硬质合金密封与双重复合密封。