空气锤钻头失效分析及结构优化设计

空气钻井钻头失效主要体现在钻齿断裂和脱落、本体缩径以及花键的断裂。对钻头结构做了相关设计与优化,考虑地层岩石的水平应力和上覆岩层压力状态,建立了活塞-钻头-岩石的全尺寸互作用模型。在实际测试的岩石力学参数的基础上,利用显示动力学非线性分析方法,对2种钻头结构进行了数值模拟计算,同时对钻头侵入能、冲击合力以及扭矩进行对比分析。分析结果表明,改进后的钻头结构有助于提高机械钻速,延长钻头寿命。该项研究结果对空气锤钻头的优化设计具有一定的参考价值。     

岩石可钻性微钻头结构的分析与改进研究

运用PDC钻头几何学理论和分析方法,对影响岩石可钻性测定的关键因素之一——可钻性微钻头的结构合理性进行了研究,结果表明标准微钻头存在PDC齿的侧圆柱面与岩石试样的井底表面相干涉的问题。研究了微钻头的侧转角、后倾角和厚度对齿-岩干涉的影响规律,在此基础上,进行了微钻头结构的改进,得到了能避免干涉现象的PDC微钻头结构方案。     

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。     

冲击回转碎岩机理研究

地下岩体中,天然地存在有许多微观裂纹与节理。在钻头的冲击回转合作用中,冲击使近钻头的岩石发生裂纹断裂、破碎,形成破碎小坑;使远离钻头的岩石中的微观裂纹扩展、连通、甚至断裂;在离钻头更远区域,使岩石产生新的微观裂纹。回转使冲击产生的破碎小坑沿圆周方向扩大;并使钻头上的金刚石颗粒换位。在回转冲击的联合作用下,岩石中的裂纹不断产生、扩展、断裂,从而达到高速碎岩的目的。本文简单回顾了冲击破碎岩石理论的发展,并着重从与冲击回转钻井技术密切相关的角度从数量关系上介绍了裂纹的萌生和扩展。更分别介绍了冲击作用和回转作用分别对岩石中裂纹的萌生与扩展的影响。     

单牙轮钻头钻进过程的计算机仿真

通过建立数学模型的方法对单牙轮钻头与岩石的互作用运动进行仿真,仿真结果不能完全准确地反映单牙轮钻头钻进的实际情况和破岩细节。鉴于此,笔者采用线性Drucker-Prager模型模拟岩石材料,并考虑岩石损伤以及钻头与岩石之间的随机接触,通过ABAQUS有限元分析软件建立了单牙轮钻头钻进过程的非线性动力学模型,对单牙轮钻头在破岩过程中的运动规律及力学性能进行了探讨,分析了不同岩石材料和不同钻压情况对单牙轮钻头钻进性能的影响,得到了钻头传动比及牙轮转速。仿真结果可为单牙轮钻头的设计提供依据。     

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。      

利用测井资料进行金刚石钻头设计和选型

在弹性力学理论基础上，建立起预测岩石力学特性的数学模型以及金刚石钻头设计参数的计算模型，并利用现场测井资料对金刚石钻头设计参数（保径材料、水力结构、切削齿尺寸、布齿密度以及钻头剖面）进行了分析研究，针对地层岩性特点优化钻头设计，并相应地推荐了适用的钻头型号。现场应用表明，利用该方法设计制造的钻头能显著提高钻速，降低钻井成本，社会和经济效益显著     

牙轮钻头破岩机理的探讨和各齿圈载荷的预测

简要介绍以钻头牙齿作为传感器,在钻进岩石的实验工况下,对镶齿三牙轮钻头牙齿工作载荷进行三维(牙齿轴向、切向、径向)动态测试的实验原理和方法。经过对牙齿载荷谱的分析研究,着重阐述了作者对钻头牙齿与井底岩石相互作用机理的新认识,将牙齿载荷与钻头布齿结构参数的关系数学模型化,从而建立了在钻头设计中具有一定工程实用价值的镶齿钻头牙齿载荷的预测方法。     

阶梯金刚石钻头合理结构及其破岩过程的研究

本文用平面光弹方法,对阶梯金刚石钻头切削刃下岩石的应力进行分析.结果表明,钻头在脆性岩石中,存在以拉应力为主的破岩方式.用电测法测量了阶梯金刚石钻头在钻进过程中各阶梯切削刃上的载荷.测量结果说明,钻头各切削刃上的载荷分布是不均匀的,与钻头外型和结构有关,对阶梯金刚石钻头的合理结构进行的研究表明:阶梯的宽和高,以及它们之间的比值是影响阶梯金刚石钻头破岩效率的主要因素.     

牙轮钻头牙齿破碎坑几何特征分析

用勺形齿和楔形齿在不同的钻压、钻头移轴距、钻头转速条件下破碎砂岩、石灰岩,得到多组不同的破碎坑试验数据。通过对破碎坑的观察与分析,利用几何造型技术,建立了能够综合反映齿形特征和岩石性质的理论破碎坑三维几何模型。并确立了岩石特性、钻压、钻头移轴距、转速、齿形和破碎坑特征参数的对应关系。当给定钻井参数,不同结构的钻头在进行破岩时,可以根据几何模型计算出岩石的破碎量。     

钻柱-钻头-岩石系统动力学特性研究

钻头、钻柱和岩石系统作为一个整体,其动力学特性相互耦合,相互影响,而现有文献的研究中大都忽略了整个系统这种动力学耦合。鉴于此,考虑下部钻具纵横扭动力耦合、钻头与岩石非线性接触,建立了钻柱-钻头-岩石系统动力学模型。采用有限元法模拟了三牙轮钻头破岩钻进的动态过程。研究结果表明:在三牙轮钻头破岩钻进过程中,钻头与岩石互作用以及由此引起下部钻具振动均具有明显的非线性和随机性;由于牙轮钻头破岩方式以纵向冲击为主,钻具纵向振动强于横向,动钻压平均振幅达到静钻压的40%以上;扭转振动可能引起负扭矩现象。研究结果为牙轮钻头破岩机理及井下钻具非线性动力学特性的研究提供了新思路。     

基于岩石抗钻特性的BP神经网络钻头选型方法

地层岩石抗钻特性是影响钻头使用效果最重要的一个因素,传统的钻头选型方法大多只是定性分析地质层位和钻头的对应关系,定量地计算分析岩石抗钻特性与钻头使用效果之间的关系较少。在分析现有钻头选型方法的基础上,提出一种基于岩石抗钻特性的BP神经网络钻头选型方法,并在大港油田进行了应用。首先基于测井资料和室内实验建立大港油田地层抗钻特性评价模型,并且利用模型计算得到的岩石力学参数数据和现场钻头使用数据编码成神经网络学习样本,然后建立完钻井地层抗钻特性和对应最佳钻头类型的BP神经网络模型,最后输入学习样本完成神经网络训练。利用该模型进行选型时需提供待钻井段的岩石力学参数预测数据,神经网络经过计算之后会输出最佳钻头类型。该选型方法在港深18-17井应用效果不错,优选的钻头在港深18-17井沙一段相比于邻井同一层段平均机械钻速提高了25%。     

基于转动定律的钻头轮头速比仿真模型

在牙轮钻头的破岩过程中,影响牙轮转速的因素非常复杂,因此,研究牙轮钻头的轮头速比对岩石破碎机理研究和钻头设计都有重要的指导作用。总结了国内外以力矩平衡、最小功原理等为代表的几种牙轮钻头轮头速比模型的建模理论及其优缺点。通过分析台架试验数据,发现影响轮头速比的主要因素是外齿圈和次外齿圈的齿数、每颗触底齿与岩石的相互作用力、钻压及岩石的硬度。在此基础上,假设牙轮是对称结构、牙轮轴心线为牙轮中心惯性主轴,考虑影响轮头速比的钻头结构参数、钻压和岩石硬度等主要因素,建立了一种基于转动定律的牙轮钻头轮头速比仿真模型。采用数学回归方法对台架试验数据进行处理,求得了所建仿真模型的相关系数。对比分析发现,所建仿真模型的计算结果与台架实物试验结果相对误差较小,说明所建仿真模型可以用来计算实际钻头或仿真钻头的轮头速比,为牙轮钻头破岩机理分析和建立钻进仿真模型奠定了基础。      

三牙轮钻头轮体速比仿真模型研究

三牙轮钻头轮体速比对进行仿真研究，指导钻头结构设计、钻头选型等都起着关键性的作用。从理论上分析了三牙轮钻头的几何结构与牙齿受力的关系，确定牙轮存在一个主动齿圈，并结合最小功原理建立了求解轮体速比的模型，结合钻压以及岩石性质对轮体速比的影响，对该模型进行了修正。将钻头钻进砂岩时的台架试验牙轮/钻头速比实验值和利用模型计算所得牙轮/钻头速比计算值进行了对比，结果表明，该仿真模型能够有效地预测三牙轮钻头的轮体速比。     

围压下牙轮钻头单齿对不同岩石的破岩试验

为牙轮钻头的设计提供可靠的试验数据，利用模拟深井井筒试验架模拟深井钻井环境，选取具有代表性的3种岩心进行试验，测量得到了牙轮钻头单齿在不同的围压条件和岩石下载荷、位移、围压-单位能量破碎体积以及围压-破碎坑体积等试验数据。对试验结果进行分析，得到了围压作用下对于所试验的岩石和齿形，压入载荷和压入位移成线性关系；岩石破碎坑的体积随压入载荷的增加而减小；在以相同齿形压入相同岩石的条件下，岩石的破碎面积和体积随围压的增加而减小。在相同的岩石和相同围压的条件下，抛物线形齿破碎岩石所需载荷最小，楔形齿次之，球齿所需载荷最大。同时还得到了岩石性能对破碎效率的影响规律以及破碎比功随破碎体积的变化规律。     

牙轮钻头失效的故障树分析

针对牙轮钻头的实际工作情况,采用故障树分析法,分析了牙轮钻头失效的各种原因及影响因素,建立了牙轮钻头失效的故障树,并利用下行法找出该故障树的最小割集;计算了系统的结构重要度系数,并对计算所得结果进行初步分析。     

钻柱—钻头—岩石系统动态行为仿真

利用单齿压入与刮切岩石实验建立了钻头与岩石互作用力学模型,实现了对钻头在钻井过程中工作行为的仿真计算;建立了基于研究钻柱—钻头—岩石系统动态行为的动力学模型,可以对钻井过程中钻压、扭矩、转速等参数的动态变化过程进行计算机仿真研究。从仿真结果可以看出,钻头在钻井过程中由于牙齿在井底的交替吃入以及井底本身的凹凸不平造成钻头在井底的纵向振动,其钻压的振幅一般为平均钻压的30%左右;同时,由于钻头在井底的刮切作用造成了钻头转速以及扭矩的变化,转速的变化相对来说较为平缓。该动力学模型能较好的描述钻柱—钻头—岩石系统的动态行为,对于新型钻头的设计以及钻井力学研究都有着较好的指导意义。     

牙轮钻头的侧切机理及井壁模式

通过分析牙轮钻头外排齿在井底的运动和对井壁岩石的刮切，认识牙轮钻头的侧向切削机理，提出井壁模式的概念和分析井壁模式的方法。井壁模式分析说明，牙轮钻头的侧向切削过程不仅与齿面结构有关，而且与岩石性质、钻井参数有关。     

基于反求技术的井底几何信息分析

岩石破碎坑和井底的测量分析是钻头实验技术中的重要环节,也是钻头破岩机理研究和钻头性能评价的重要手段,而现有的测量分析方法精度或效率较低。为此,将反求工程技术引入到井底的测量和分析中,建立了井底模式扫描分析系统。介绍了该系统的原理、功能和特点,以及岩石破碎坑几何分析技术的基本原理。应用情况表明,该系统能对各种类型的岩石破碎坑和井底进行数字化测量和分析,而且测量分析的精度和效率均较高。     

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。