用NURBS方法进行PDC钻头冠部设计

介绍了PDC钻头冠部设计原理，在此基础上采用NURBS曲线方法确定PDC钻头冠部剖面轮廓曲线，并在三维CAD软件中进行设计和分析。     

PDC钻头逆向设计方法研究

利用PDC钻头几何学的基本原理对PDC钻头切削齿空间位置的测量方法进行了推导,得出了关于切削齿的齿心坐标、后倾角、侧倾角等空间位置参数的计算公式,并且给出了将测量数据转化为设计数据,以及根据测量数据进行PDC钻头三维CAD建模的方法。     

定向井PDC钻头结构分析

PDC钻头结构参数对定向井井眼轨迹的影响很大，但是，到目前为止，定性描述很多，仍没有比较完善的定量分析。因此，本文利用三维建模和有限元分析技术，对PDC钻头的结构参数进行数值模拟，提取有用参数，利用数值拟合技术，确定相关系数，改进PDC钻头结构指数，为PDC钻头结构参数的理论分析提供一种有效的分析方法。     

近钻头平衡钻井井底流场的计算机模拟

以PDC钻头为模拟对象，充分考虑钻头三维、旋转和喷嘴对称性等因素的影响，借助于CFD软件CFX5.6对近钻头平衡钻井井底的流场进行了模拟分析，并利用软件的后处理方式对井底的速度场分布作了精细的描述。对钻头的设计以及井底流场的真实情况的分析有着重要的指导意义。     

自适应PDC钻头研制

传统固定式PDC钻头在一次性钻穿不同岩性地层时，会出现扭转振动、跳钻、黏滑等问题，导致钻头磨损严重，甚至崩齿，影响钻头使用寿命，降低钻井速度。为此，研制一种在钻井过程中可自主调节切削深度的PDC钻头，从其结构特点、工作原理、技术参数选取等方面进行了详细阐述，并通过CAD三维仿真软件对自适应PDC钻头进行力学性能分析，评价其结构合理性和方案可行性。分析结果表明：PDC钻头刀翼采用独立悬挂模式，利用活塞原理使钻头刀翼根据地层变化进行轴向运动来避免钻头振动、黏滑的结构是合理可靠的，满足现场应用条件。自适应PDC钻头研制推动了钻井智能化发展，为解决钻头使用寿命短、钻井效率低问题提供了新的思路和方法。     

喷嘴孔径对PDC钻头井底流场影响的研究

PDC钻头在实钻过程中井底流场非常复杂,而优化其水力学参数是提高钻头钻井能力的有效手段。根据实际钻头结构,建立了不同孔径的四喷嘴PDC钻头井底流场模型并对之进行了数值模拟,分析了流场的总体特点,得出了在相同出口射流速度和相同流量条件下喷嘴孔径对PDC钻头井底流场的各种影响,并通过试验进行了验证,为PDC钻头的水力学设计提供了一定的指导。     

PDC钻头切削破岩机理及数值模拟研究

由于PDC钻头几何外形、岩石材料以及井底钻井工况的复杂性,PDC钻头切削破岩机理的研究一直都是难点问题。基于单齿切削机理,引入岩石比功ε,推导出钻井钻压W、扭矩t和切削厚度d之间的关系,建立切削比功E与钻井强度S的二维图;同时结合接触摩擦分量,分析并阐述了破岩过程的概念模型;通过有限元方法建立全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维仿真模型,开展PDC钻头切削破岩机理的研究,进一步分析PDC钻头破岩过程的响应规律。结果表明:岩石损伤与应力云图可直观反映钻井过程岩石损伤剥落形成井眼及井底应力分布状况;PDC钻头钻进方向的位移、加速度和扭矩响应规律与理论分析相一致,并揭示了PDC钻头钻进过程中的"进尺台阶"现象,亦佐证了破岩过程的概念模型。     

真空扩散焊焊接PDC钻头的可行性

分析了PDC钻头使用过程中存在的问题及其产生的原因,探讨了PDC钻头真空扩散焊方法及工艺的可行性,证明了利用真空扩散焊进行聚晶金刚石复合体焊接来提高PDC钻头的使用性能和寿命是可行的.     

北方风雷公司成功试制钻具新产品——PDC钻头

近日,中国兵器工业集团北方风雷公司成功试制出了外观精美、性能合格的5刀翼双排齿PDC钻头。PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称,是石油钻井行业常用的一种钻井工具。自接到研发任务后,研发设计人员进驻油田钻井一线,认真观察钻井实际情况,根据油田的地质情况,设计出最适合油田使用的5刀翼双排齿PDC钻头,在齿的设计技术和布齿方面实现了重大的突破。     

微型钻头结构优化设计

通过分析微孔钻削的特点，提出了一种微型钻头结构优化方法。按此方法进行设计，可以得到对于实际加工情况具有最大强度、刚度和最佳排屑状态的钻头结构。     

全局力平衡PDC钻头布齿优化设计

针对聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在钻井破岩过程中因受力不平衡,导致钻井倾斜、井径扩大、钻头产生横向振动和涡动,造成钻头早期失效的问题,基于已有PDC钻头切削力学知识,构建了PDC钻头弯曲力矩及全局力平衡布齿优化设计模型,并提出模型求解方法。布齿设计实例结果表明,采用全局力平衡布齿设计方法得到的布齿结构可使PDC钻头在不同进尺条件下均能保持全局力平衡状态,尤其低进尺(小于1 mm)时的力平衡状态得到极大改善,提高了PDC钻头的钻井稳定性,对于改善钻头受力、提升钻头使用寿命、提高钻井质量与效率具有重要意义。     

硬地层单牙轮-PDC钻扩联合钻头破岩特性

提出了新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头,先依靠单牙轮破岩钻孔,释放地应力,产生岩石损伤,再助推PDC钻头刮切破岩。运用有限元法,建立钻扩联合钻头、双级PDC和常规PDC钻头破岩的非线性动力学模型。通过对岩石本构关系进行D-P准则描述以及确定岩石破碎的判据,分析钻扩联合钻头钻进硬地层的破岩机理,开展了3种钻头动态破岩过程的对比研究。结果表明：钻扩联合钻头在钻进过程中井底井壁的岩石应力得到明显释放,大大提高了岩层可钻性;在硬地层中钻扩联合钻头钻进速度提高的主要原因是拉应力破岩;钻扩联合钻头在硬地层钻进过程中的扭转振动大大降低,破岩效率更高,钻头寿命更长;由于单牙轮领眼破碎岩石的作用,钻扩联合钻头对井底岩石的冲击破碎能力更强,在硬地层中钻进更快。研究结果为新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头的研发提供了参考。     

定向喷嘴布置对PDC钻头井底流场影响研究

定向喷嘴布置的方式对PDC钻头的井底流场将有很大的影响,尤其是能改变PDC钻头的水力性能,因而研究定向喷嘴布置具有重要的意义.本文分析了喷嘴的不同布置方法,并通过数值方法模拟其对PDC钻头井底流场的影响.结果表明:在不完全对称布置方案的冲击区,在射流刚开始从喷嘴处流出去,但还未接触井底,各喷嘴射流处于衰减地带之内,这样的话将对钻头的清洗和携带岩屑离开井底非常有效果;在漩涡区,喷射角大、距钻头中心远的喷嘴射流则对清洗和携带井壁附近的岩屑起主要作用,喷射角小、距钻头中心近的喷嘴射流则对清洗和携带井底中心的岩屑起主要作用;在刀翼上的附面层由于周围喷嘴的影响,刀翼切削面低速区明显减少,剪应力增大,更好地预防、清除PDC钻头的泥包.最终达到提高机械钻速的效果.     

钻头帽铣槽专用气动夹具设计

刮刀钻头是油井广泛使用的钻头之一,其生产效率和质量直接影响石油开采效率和成本。文中针对刮刀钻头的钻头帽进行了专用夹具设计,通过对钴头帽生产的几项关键问题的解决,达到了对夹具高效稳定、操作简便的结构要求。     

金刚石钻头复合片模具设计机理探讨

提出了影响金刚石钻头寿命的因素之一是复合片的质量；分析了金刚石复合片生产所用模具的技术发展、模具的常见结构形式、常见破坏形式以及理论设计方法；针对在用复合片模具的结构特点，提出了采用有限元技术分析其预应力的方法，给出了多层组合筒式金刚石复合片模具预应力结构设计中的应力和应变、层间压力等参量的计算步骤和计算结果。实际测量验证了有限元的计算结果。     

自进式多孔水射流钻头钻孔规律的试验研究

针对现有侧钻水平井技术成本高,工作周期长和经济性差等难题,该文设计了一种采用高压水力射流为破岩主要动力的自进式高压水射流钻头,并对钻头进行了淹没条件下的试验研究,系统分析了在不同射流工作压力、涡轮叶片数目、射流作用时间等条件下自进式高压射流钻头的钻孔特性,给出了射流钻头最适宜钻孔的结构参数。试验结果表明:自进式高压射流钻头与普通射流钻头相比,具有钻孔深,孔径大而规则,工作时稳定性高等优点。同时,在一定范围内,射流工作压力越大,钻孔效果越好;随着涡轮元件叶片数目的增加,钻孔直径呈线性减小,而钻孔深度近似二次曲线增加。考虑到叶片的制造难易程度,叶片数目以4最为合适。该文的研究工作为径向水平井中射流钻头的优化设计提供了科学依据,对提高径向水平井钻孔效率和降低钻井生产成本等有重要的工程实际意义。     

脉冲磁场处理对硬质合金钻针钻削性能的影响

为提高硬质合金钻针的钻削性能,利用脉冲磁场后处理技术,以0～2T的磁场强度对直径为0.5 mm的硬质合金钻针进行了后处理,对处理后的钻针在印刷电路板上进行了钻孔实验,并分别对钻针的磨损、钻孔质量、微观组织以及力学性能进行了表征。结果表明,在钻削4000和12000个孔后,经过处理后的钻针磨损均显著降低,其中当采用1T工艺时,钻针在钻削4 000个孔后,磨损面积减小了37.97%;而采用2T工艺时,钻针在钻削12 000个孔后,磨损面积减小了38%。经过处理后的钻针钻孔孔径较未处理的钻针波动范围减小,波动范围在0.47～0.5mm之间,而未处理钻针波动范围在0.44～0.49 mm之间,同时1.5T工艺可使孔壁粗糙度减小42%,有效提高孔壁光滑度。脉冲磁处理后钻针的纳米硬度和弹性模量分别提高了26%～116%和40%～312%,且硬度和弹性模量随着脉冲磁场强度的增大而增大。脉冲磁场诱导微观缺陷增殖是钻针钻削及力学性能的提升的主要原因。     

钛合金深孔钻削刀具的研究

针对钛合金材料的难加工特性，选择了几种目前国内常用的硬质合金材料，并优化选择不同的钻头几何参数，进行了深孔钻削试验，通过对试验结果进行分析，确定出适合加工钛合金材料的深孔钻用刀片材料和几何参数。     

基于离散元的模拟月岩切削负载特性数值模拟及试验验证

钻取采样是人类获取月球岩石类样品的重要手段,钻进负载的稳定性是确保月岩采样任务成功的关键因素。由于岩石属性直接决定其可钻性等级,并影响钻进负载,有必要在地面环境中,分析岩石本构模型与钻进负载之间的关系,构建不同可钻性等级的岩石样本模型,开展模拟钻进试验,获知不同钻进参数下岩石采样的钻进载荷变化情况。据此,将地面条件下大理岩样本选作模拟月岩切削特性的研究对象,基于二维颗粒流程序(Particle flow code 2 dimensions,PFC2D),建立小切削深度下仿真分析模型。利用Plackett-Burman试验(PB试验)和中心组合设计(Central composite design,CCD)方法,确定影响岩石切削特性的微观参数,开展不同切削深度下的模拟月岩切削负载试验验证。经仿真分析与试验验证能得到与岩石切削特性相对应的离散元模型,试验结果表明该仿真模型在较小切削深度条件下的切削负载变化规律与实际情况一致。通过研究获得了一种建立模拟月岩离散元切削模型的建模方法,为后续分析钻头/切削刃构型参数对钻进/切削负载的影响提供了研究条件。