PDC钻头复合钻进破岩机理及个性化设计探讨

在复合钻进工况下,地面和井下马达的复合驱动虽能使PDC钻头的钻速能得到显著提升,但钻头寿命也会显著缩短。通过研究定向井、水平井下部钻柱的受力变形特性,建立了复合钻进下PDC钻头的运动学模型,研究了转速比、布齿位置、下部钻柱几何状态等对切削齿切削轨迹的影响规律。在此基础上,改进了PDC钻头破岩数字仿真系统,并利用该系统研究了PDC钻头在复合钻进工况下的运动学、切削力学规律以及井底形态特点。研究结果表明:除了高转速因素以外,复合钻进钻头破岩效率增高的主要原因在于PDC钻头切削齿的不平行刮切特性,以及螺杆弯角所导致的钻头牙齿的不均衡切削状态。针对PDC钻头在复合钻井条件下的破岩机理和失效特点,探讨了复合钻进PDC钻头个性化设计的技术思想和实施方法,为复合钻进条件下PDC钻头工作性能的改进提供了理论依据和技术手段。     

环脊式PDC钻头破岩机理实验研究

环脊式PDC钻头是一种采用不连续布齿原理在井底形成易破碎岩石环脊的钻头技术新思想。在不同岩性、不同岩脊尺寸等条件下,开展了针对岩脊的牙轮牙齿的单齿静压和PDC齿刮切破岩单元实验,以及针对平整表面岩石的对比实验;设计制造了全尺寸可变参数实验钻头,并进行了环脊式PDC钻头与常规PDC钻头的室内钻岩对比实验。实验研究结果表明:与平整岩样的实验相比,牙轮牙齿和PDC齿在岩脊上的切削破碎载荷和破碎比功均显著降低;在全尺寸钻头钻岩实验中,与同等布齿密度条件下的常规PDC钻头相比,环脊式钻头的破岩比功显著降低,破岩效率明显提高;环脊式PDC钻头在钻进过程中有明显的体积性破碎现象,岩屑的尺寸或粒度显著增大,有利于地质录井。     

孕镶齿切削效率数值模拟及实验研究孕镶齿切削效率数值模拟及实验研究

PDC钻头和牙轮钻头在深部难钻地层中钻进时出现钻头钻进效率低、磨损速度快、寿命短等现象,相对而言,孕镶金刚石钻头凭借其特殊的破岩机理和“自锐性”在此类地层中具有良好的钻进性能,已成为提高深部难钻地层破岩效率的重要手段之一。本文以金刚石浓度、粒度、钻压、转速与孕镶齿的切削效率内在影响规律研究为目的,利用离散元软件PFC3D建立孕镶齿磨削砂岩的物理模型来进行数值模拟,然后进行孕镶齿磨削实验,实验数据与模拟结果的对比,验证了孕镶齿选取平行黏结模型来进行模型建立及仿真的正确性,从而粒度、钻压、转速、浓度对切削效率的影响逐渐降低,同时为孕镶钻头工作性能分析、个性化设计、地层适应性评价及钻头选型提供了依据。     

基于机械比能与滑动摩擦系数的PDC钻头破岩效率试验

为探究机械比能理论指导下PDC钻头破岩效率的影响因素,通过简化钻头与地层相互作用模型并推导滑动摩擦系数,结合室内试验分析各因素对钻头滑动摩擦系数的影响。结果表明:钻压通过切削齿的吃入深度影响摩擦系数,当切削齿完全吃入地层所产生的摩擦系数最大;钻速过快导致的岩屑过多且无法有效移除时摩擦系数会减小;转速增加会使摩擦系数减小;不同类型的岩样其最终稳定的摩擦系数不同,但一般在0.4～0.6;钻头直径不会影响摩擦系数最终稳定值;钻进软至中硬地层时,应选取尽量大的钻压和转速,即使较大钻压和转速对于提升破岩效率并无裨益,但却会明显提升机械钻速,此时机械比能增加并不明显,说明钻头能量利用率保持在一个稳定的阶段;钻进较硬地层时,提升钻压、转速水平会明显提高机械钻速,增大机械比能,降低破岩效率,钻头机械能量利用率下降,此时钻进参数的选取就需要综合钻速、机械比能、破岩效率等因素判定。     

旋挖钻机入岩空气冲洗钻进技术

旋挖钻机入岩空气冲洗钻进技术利用牙轮以剪切破岩和冲击破岩为主、破岩效率较高的特点,通过将岩芯钻的破岩截齿更换为牙轮,提高了破岩效率,降低了钻进时钻头旋转摩擦产生的热量,减缓了钻头破岩刀具的磨损.通过引入压缩空气循环系统和对开式沉渣管岩芯钻头,实现了钻头的冷却和不间断排渣钻进.试验表明,旋挖钻机入岩空气冲洗钻进技术提高钻进效率1倍以上,为旋挖钻机入岩钻进开辟了一种新途径.     

泥包对破岩效率影响的PDC单齿切削模型研究

PDC钻头泥页岩地层钻进易发生泥包,严重影响机械钻速。钻进性能的变化归根结底源于切削齿与地层的相互作用,但是目前建立的单齿切削模型考虑的因素不全面,并不适用于钻头发生泥包的情况。建立了PDC钻头分别发生切削齿泥包和钻头整体泥包时的单齿切削模型,模型全面考虑了围压、切削齿倒角面、切削齿后底面、岩屑破碎带等因素,通过实例计算、利用前人实验数据验证了模型计算结果的可靠性。最后利用模型量化分析了泥包对破岩效率的影响规律,结果发现切削齿泥包和钻头泥包均严重影响破岩效率,且后者影响程度更大;切削齿泥包中,围压和"泥包团"长度对破岩效率影响显著,破岩效率均随两者的增大而减小;钻头泥包中,泥包面积对破岩效率影响显著,破岩效率随泥包面积的增大而减小。     

超高压双流道PDC钻头破岩机制研究

基于岩石弹塑性力学、水动力学及运动学,采用动力接触法模拟射流或机械齿与岩石的交互作用,利用Hoffman失效准则控制岩石破碎的动态边界,采用单步Houbolt算法求解动力方程,建立整体超高压双流道PDC钻头破岩的三维动态数值模型。全面、系统地研究岩石内部应力、岩石的破碎体积、岩石破碎所需能量以及钻压和扭矩等在岩石破碎过程中的变化规律,并对不同刀翼数及超高压喷嘴在不同位置时钻头的破岩效率进行分析,得出最佳双流道PDC钻头的结构。     

旋转模块式PDC钻头破岩机理研究

针对深部难钻地层钻头的钻速低、寿命短、能耗高等问题,在常规固定齿PDC钻头上引入旋转模块结构,旋转模块齿和固定切削齿“交叉刮切”破碎岩石,提高钻头的破岩效率,且旋转模块齿交替轮流工作的方式使得切削齿冷却及时,减缓切削齿的磨损,延长钻头寿命。介绍了新型钻头的结构特点和工作原理,对旋转模块进行了变参数实验,实验结果表明:旋转模块随着侧转角的增大,转速增加;随着轴倾角的增大,转速降低。研究得到旋转模块在不同结构参数下的切削载荷以及破碎比功的变化规律,验证了旋转模块齿和固定切削齿“交叉刮切”破碎岩石,能够降低破岩比功,为后续旋转模块式PDC钻头的设计提供理论依据和支撑。     

基于离散元方法的PDC钻头破岩仿真研究

针对前人对PDC(聚晶金刚石复合片)钻头破岩仿真研究多采用有限元法,忽略了岩体的各向异性、不均匀性以及不连续性等问题。提出了采用离散元法来研究PDC钻头的破岩仿真过程,利用离散元软件PFC3D建立了虚拟单轴压缩实验和虚拟巴西劈裂法实验,推导出了岩石的三维离散元模型的细观参数,确定了岩石的本构模型。在此基础上建立了PDC单齿切削岩石的离散元模型,讨论了侧倾角对切削力的影响关系,并与单齿切削岩石的有限元模型进行了对比。结果表明:离散元模型与有限元模型结果比较接近,离散元数值模拟的求解时间为有限元数值模拟的1/3,离散元方法具有潜在的高效率。在单齿切削岩石的离散元模型的基础上建立了全钻头破岩离散元模型,研究了PDC钻头动态破岩过程中各切削齿所受扭矩和钻压的分布规律。并通过全钻头破岩室内台架实验对模型的准确性进行了验证。     

旋切方式作用的新型钻头破岩特性与试验分析

在分析传统三牙轮钻头破岩特性的基础上,提出一种旋切方式破岩的新型钻头(旋切钻头)。运用柱坐标与复合运动原理,建立破岩过程切削齿的位置方程、速度方程和加速度方程。同时结合算例参数,分析不同齿圈切削齿破岩过程接触段上的速度和加速度分布规律。根据加速度计算结果进行切削齿破岩工作力学和失效机制研究。结果表明:在钻进过程中,旋切钻头的切削齿以冲击、旋切方式破岩,不同齿圈切削齿同时切削井壁,且大齿圈切削齿过井眼中心,运动速度快,可有效地提高钻头心部破岩效率。试验结果验证了算例分析和计算方法的正确性,建立的计算方法修正了现有研究的部分错误,且适用于其他牙轮钻头与复合钻头的研究。     

PDC齿破岩仿真模型与全钻头实验研究

针对PDC全钻头设计方法单一和实验工作量大的问题,提出了一种PDC单齿切削力学计算模型,并通过有限元数值模拟对计算模型的结果进行对比,讨论了PDC切削齿前倾角、侧倾角、齿径及切深与切削力的关系。结果表明:PDC单齿力学计算模型与有限元模拟结果比较接近,验证了该模型的正确性。在单齿力学计算模型的基础上建立全钻头力学计算模型,并对PDC全钻头扭矩和钻压进行计算,结合有限元仿真和全钻头实验结果,将3种计算结果进行对比分析,结果显示当PDC全钻头破碎砂岩时,力学模型计算出的扭矩值与实验测试的误差为2.11%,与有限元模拟结果的误差为1.51%;而计算的钻压值与实验结果的误差为1.25%,与有限元模拟结果的误差为6.79%,同时,该钻头计算模型的计算效率也大大提高,说明了PDC全钻头力学计算模型的准确性和可行性,为PDC钻头的评价与设计提供了技术支持。     

屋脊齿破岩效率研究

为探究各种因素对屋脊齿破岩效率的影响,对屋脊齿破岩过程进行了试验和仿真,分析了屋脊齿脊角、前倾角、侧转角、吃入深度以及齿旋角对屋脊齿破岩效率的影响。结果表明,在相同切削条件下,脊角在120°时破岩效率最高,是传统平面齿的2倍左右,且切削力波动更小,有利于延长切削齿寿命;屋脊齿在2 mm以内的小吃深切削条件下,轴向、切向载荷均显著低于常规的圆形平面PDC齿;比功对前倾角敏感性不高,但对吃入深度较为敏感,2 mm为最佳吃入深度;屋脊齿破岩比功随侧转角的增大而增大,增幅明显,且径向力随之增大,建议屋脊齿不设侧转角;齿旋角对破岩效率以及切削力的影响较大,设计屋脊齿PDC钻头时,应尽可能使每个屋脊齿的齿旋角θ=0°。     

定向钻井PDC钻头三维钻速预测方法

综合考虑PDC钻头的切削作用、钻具组合的力学作用和地层岩石可钻性各向异性,根据钻头力平衡原理,建立一种新的PDC钻头三维钻速预测方法。在钻头瞬态力平衡计算中,不仅考虑钻具组合的力学作用,还考虑钻头冠部的侧向不平衡力和保径受力对PDC钻头切削作用的影响。结果表明:井眼轨迹的预测结果与实测结果有较高的吻合度,说明方法合理;根据具体的钻头结构参数和地层可钻性各向异性,通过数值计算可获得钻头的轴向和侧向钻速,不需要取得地层法向钻进效率;在钻头瞬态力平衡计算中,钻头侧向不平衡力过大将增大井眼轨迹控制的难度,对PDC钻头布齿参数的进行优化设计可以减小钻头的侧向不平衡力,进而减小钻头漂移角和工具面变化范围,增强井眼轨迹控制能力。     

PDC钻头岩石可钻性测定与分级新方法研究

PDC钻头作为最重要的油气钻井破岩工具,其岩石可钻性级值是进行钻头个性化设计与选型、优化钻井参数的关键依据,在中硬以上的地层价值尤为重要。然而,我国2000年颁布实施的石油天然气行业标准《岩石可钻性测定及分级方法》却存在明显的缺陷,对中硬以上的岩石经常出现测试无效、无法获得可钻性级值数据的现象。通过对不同岩性岩石试样的大量微钻头可钻性实验测试,发现标准钻压过低、PDC微钻头结构参数不合理是中硬以上岩石测试无效的主要原因。针对这些问题,首先,研究了微钻头切削齿安装角度对其干涉状态的影响规律,提出了最优的微钻头侧转角,消除了微钻头切削齿与岩石发生干涉的可能性;其次,开展了5种岩石在不同钻压下的微钻头钻岩实验,实验数据表明变压可钻性级值与钻压之间呈线性关系,提出了采用钻压分档测试、当量转化分级或分档独立分级的可钻性测试与分级新方法。该方法既能有效解决中硬以上岩石的可钻性测试问题,又能与过去的软岩测试数据相兼容。主要研究成果已经被2016版行业标准《岩石可钻性测定及分级》所采纳。     

双轮铣成槽机破岩基本原理及在极硬岩中施工工效分析

分析双轮铣成槽机点冲式钻齿破岩阶段的压入阶段、裂纹产生阶段、压实核形成阶段、岩块剪裂阶段,推导了破岩机理,并结合广州地铁18,22号线番禺广场地铁站项目,分别采用液压抓斗+双轮铣、液压抓斗+潜孔锤+双轮铣两种工况,实践表明:潜孔锤配合双轮铣施工后设备的检修次数减少;更换钻齿的次数和数量明显减少;更换钻齿次数约为不用潜孔锤工况的1/3,更换钻齿的数量为1/10;中风化花岗岩中的钻进效率提高2倍左右;微风化花岗岩中的钻进效率提高7～8倍,成槽天数明显降低,平均能缩短3d。     

空气钻井中动态破岩有限元仿真研究

 空气钻井技术是以空气作为循环介质的欠平衡钻井技术,其钻头的破岩形式与常规泥浆钻井有很大的区别。在岩石力学和弹塑性力学的基础上,考虑岩石材料的各项异性、地层倾角、钻头与岩石间摩擦因数等影响因素,采用有限元方法建立空气钻井中全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维模型。通过对空气钻井中岩石的破坏机制和钻头动态破岩过程的研究以及对破岩后形成井眼、井壁和井底岩石应力应变的分析。结果表明：井底岩石受到较大拉应力的作用,使得空气钻井中破岩速度更快;干燥空气钻成的井眼井壁稳定性较好,但是一旦发生井壁不稳定性,井壁岩石将成块掉落。最后通过对钻头上随时间变化的位移分析,得到钻进各向异性地层岩石的井斜和方位的变化规律。本模型为空气钻井的破岩机制、井斜变化规律以及井壁稳定性研究提供一种新的方法,为钻头和钻具设备的研制、优化设计提供理论依据。     

微心PDC钻头心部结构优化的实验研究

在油气勘探中,需要在地层中进行岩石取样同时保证钻头的破岩效率和机械钻速,因此需要对微心PDC钻头心部结构进行优化.通过在不同尺寸的3种不同岩性(砂岩、灰岩和花岗岩)的岩心柱上完成静压、折断、冲击3种破坏形式的破岩实验,设计及制造一只直径为φ152.4 mm的可变参数的微心PDC钻头,并在不同尺寸的砂岩岩心柱上完成室内台...     

弱风化硬岩中大口径旋挖钻机钻进新工艺实例分析

对旋挖钻机在硬岩(如弱风化砂岩、灰岩)地层中进行大口径钻进的方法进行了研究。设计了筒式和螺旋式两种截齿钻头,创新并应用了以截齿钻头为主的多钻头组合工艺方法。工程实践证明,这些方法成功地解决了上述条件下弱风化硬岩中大口径钻进的难题。     

绳索取心钻头在钾盐勘探的应用及优化技术以JG-2井为例

JG-2井是中国地质科学院矿产资源研究所为进一步查明思茅盆地勐野井组钾盐资源而布置于景谷凹陷盆地的地质调查井,设计井深1800 m。全孔取心分别采用金刚石和PDC绳索取心工艺技术,施工中出现岩盐、泥岩、砂岩及泥砾岩互层频繁、反复交替,致使岩石可钻性及研磨性变化快,钻头机械钻速快-慢不均、泥包及岩心磨损严重等问题,对钻头选型带来较大的困难、影响了钻进效率。本文针对上述问题,分析总结了钻遇地层岩性特征和使用钻头类型、结构后,优选了八刀翼PDC绳索取心钻头类型、同时优化了孕镶金刚石钻头结构与钻进参数,改善泥浆流变及清洁性能,较好地解决了上述问题,提高了钻头时效及取心质量。最后终孔深度1829.44 m,终孔直径133 mm,钻获了直径≥78 mm的优质岩盐矿心,岩矿心平均采取率达到97.51%,为类似地质条件钾盐调查勘探提供一定的借鉴依据。     

井底牙轮钻头的钻速方程及现场应用

以岩石侵入理论为基础,在考虑井底压力的条件下,建立牙轮钻头的钻速模型。结果表明:在地层由软、中硬到硬地层过渡过程中,钻速方程能够解释不同破岩方式下牙轮钻头的机械钻速问题;随着刃尖角的增大,锥形齿和楔形齿的牙齿侵深都呈指数递减趋势;随着井眼内钻井液柱压力的增大,侵入深度呈指数递减趋势,其中锥形齿递减趋势大于楔形齿;模型理论钻速计算结果与实际钻速数据接近,最小欧式距离为25.8。