复合钻井模式下PDC钻头钻进仿真研究

PDC钻头在井底的受力将影响到PDC钻头钻进效率及切削齿的磨损,尤其是在复合钻井模式下,切削齿与岩石互作用更加复杂。鉴于此,提出一种新的基于三维建模理论的复合钻井模式下PDC钻头钻进仿真方法,目的在于通过仿真结果对复合钻井用PDC钻头的切削参数进行评价。该仿真方法首先是建立复合钻井模式下PDC钻头预钻井底模型,PDC钻头按照设定钻进模式运动,将切削齿作为刀具对岩石进行虚拟切削,仿真过程中建立各切削齿的切削带模型,通过切削带计算各切削齿的接触弧长、接触面积和切削体积。理想工况与复合钻井模式下仿真结果对比表明,新的复合钻井模式下PDC钻头钻进仿真方法能够满足复合钻井模式下对切削参数的定量化评价需求,具有较好的仿真精度以及可视化效果。     

PDC钻头破岩仿真系统离散化方法研究

PDC钻头和岩石的离散化技术是PDC钻头钻进仿真系统的关键技术之一。介绍了虚拟PDC齿、虚拟井底和虚拟井壁的离散化方法,分析、对比了PDC齿不同离散化方法的优缺点,研究了虚拟PDC齿、虚拟井底和虚拟井壁表面上各离散点坐标的计算模型,并在Matlab环境下实现了钻进仿真系统几何模型的可视化。为利用数字仿真技术研究复杂钻进条件下PDC钻头与岩石的互作用关系奠定了基础     

PDC钻头等体积布齿设计的数值计算方法

PDC钻头布齿设计是否合理直接决定着PDC钻头的破岩效果及其使用寿命的长短，而等体积设计是PDC钻头布齿设计的基本原则之一。综合考虑了钻头冠部形状、切削齿的布置、切削齿尺寸、切削齿的相互作用等因素的影响下，建立了切削齿等体积设计数学计算模型．对切削齿的工作角进行了优化设计并将其结果应用于该模型中，最后选取适当的数值计算方法进行了计算机求解。实例计算表明，该模型和求解方法具有适用性，这为PDC钻头的设计和性能模拟分析提供了一种可行方法。     

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在建立牙轮钻头与井底岩石互作用模型的基础之上,建立了基于钻柱和岩石互作用下的牙轮钻头横向振动动力学模型。该模型将钻头在钻井过程中与井底岩石互作用产生的力或位移作为钻柱横向嗥牟下端边界条件,采用数值计算方法－龙格库塔法求解该动力学模型,并开发了基于钻头与岩石互作用下的钻头动力学仿真分析条件。为提高钻头、钻柱的使用寿命,改进钻头、钻柱的设计方法提供了新的理论依据和方法。     

PDC钻头布齿计算方法的研究现状及发展

PDC钻头布齿计算是为了确定钻头上各个切削齿在空间中的坐标位置。针对同一优化目标不同的计算方法得出的切削齿位置差别很大,设计出的PDC钻头性能也会截然不同。以近年来国内外PDC钻头布齿设计研究的文献为基础,论述了PDC钻头3原则布齿和力平衡布齿的最新进展,提出了研究中存在的问题。经分析知,PDC钻头布齿设计的计算方法大多以经典3原则为基础,且以等体积为布齿原则进行计算的研究较多;力平衡布齿是PDC钻头稳定性设计的核心,但由于对切削载荷模型研究的限制,其结果与实际差距较大。PDC钻头布齿设计计算方法的研究仍处于对计算模型简化的阶段,随着PDC钻头个性化设计的提出,针对不同钻头性能与要求,综合考虑整个钻井因素进行布齿是今后PDC钻头设计研究的重点。     

塔里木山前复杂地层钻头使用技术

利用测井资料结合实测的岩石力学性质、邻井的岩性剖面建立了岩石力学参数模型,综合解释了单井岩石在纵向剖面上的力学性质。借鉴邻井钻头使用情况,以推广高效PDC钻头为主,介绍了山前构造钻头选型情况。针对山前构造的地层岩性特征,从复合片、刀翼形状、齿型、切削齿力平衡等方面设计和改进了PDC钻头。改进后的钻头使塔里木山前复杂地层钻头使用获得了突破性进展。     

关于建立全面钻进的PDC钻头系列问题

从统计分析比较当前世界上145种PDC钻头适用岩石的性能特征出发,与适用该地层的牙轮钻头相比较,得出在各种地层中这些PDC钻头的国际上通常设计特征。并以此为依据,提出建立全面钻进PDC钻头的基本系列拟应以适应地层为特征的分类主体,并形成钻头分类与钻头设计结构特征之间的关系,再将钻头型式划分与钻头基本外径系列相结合,就可以建立整个全面钻进PDC钻头的族谱,或完整的尺寸型号系列。     

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。     

地层硬度突增时PDC钻头黏滑振动分析

PDC钻头在钻遇软硬交错地层时,容易出现切削齿崩齿或损坏等情况。针对该问题,研究了在钻进过程中地层硬度突增时PDC钻头黏滑振动特性,建立了PDC钻头的扭转振动的扭摆模型。基于PDC单齿切削岩石及钻头处钻压的施加原理,建立了"钻头-岩石"相互作用模型,采用算例分析了地层硬度突增后PDC钻头处的扭矩及转速随时间的变化规律,并得出钻头转速波动的相轨迹。分析结果表明:在PDC钻头钻进过程中,当所钻地层硬度突增后,PDC钻头会出现扭转振动,表现为钻头运动的相轨迹收敛于稳定的椭圆形极限环,其振幅与突增后的岩石硬度成正比;当突增后岩石硬度较大时,会出现PDC钻头的黏滑振动,为一种稳定的自激振动;岩性的突变是造成PDC钻头黏滑振动的一个重要原因,而PDC钻头与岩石之间的非线性摩擦阻力是造成PDC钻头黏滑振动自激属性的根本原因。研究结果对钻井工程参数的优选及降本增效有很好的指导意义。     

周向冲击扭矩作用下PDC钻头的黏滑振动分析

黏滑振动是PDC钻头钻井过程中一种常见的现象,它会引起钻头过早失效、钻进效率低等问题,使钻井成本升高。在钻头上部安装一套扭力冲击器,可在钻进过程中给钻头提供一个周期性的高频周向冲击载荷,减少扭矩的积蓄时间,减轻PDC钻进过程黏滑振动。通过对周向扭力冲击器作用下的PDC钻头在钻井过程中的工况分析,结合钻头钻进力学分析和岩石破碎学,建立了PDC钻头在周向往复循环冲击载荷作用下的破岩力学模型。对其数值仿真后结果表明,在一定的冲击扭矩作用下,钻进岩石内聚力为40 MPa的岩层时,卡钻时间减少了51%。这说明对钻头施加周向冲击后可以减轻黏滑振动。研究结果可为周向扭力冲击器在PDC钻头钻井作业过程中的使用提供理论支撑。