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。     

牙轮外区牙齿与井壁相互作用的仿真研究

牙轮钻头的外区牙齿(包括背锥齿、修边齿和外圈齿)在石油钻井破碎岩石过程中起着重要作用,能提高机械钻速和提高井壁质量.在现代牙轮钻头几何学基础上研究建立了牙轮钻头的空间模型,井壁过渡区的空间模型,外区牙齿的离散模型,外区牙齿与井壁相互作用的仿真模型.根据上述模型,我们开发出了相应的仿真软件.通过该仿真软件可以分析和评价外区牙齿切削井壁的能力,在微机上可以清楚地观察到外区牙齿与岩石相互作用的过程.同时能得到牙齿的切削功、摩擦功、切削岩石的体积等数据信息.该软件使用方便,对钻头设计者正确有效地布齿和提高钻头的整体性能有重要的指导意义.     

牙轮钻头侧向切削的计算机仿真

系统地分析了牙轮钻头与井壁相互作用过程,建立了牙轮钻头运动仿真模型。对钻头的横向运动,井壁模式的形成和发展过程进行了详细的分析;探讨了牙轮钻头侧向切削机理;建立了描述牙轮钻头侧向切削过程的仿真模型和计算机仿真程序。 采用该程序可以对不同结构的钻头在不同钻井条件下,钻头的侧向切削能力、井眼偏移程度和井眼轨迹作出相应比较和判定。     

盘形钻头牙齿刮切实验研究

为了弄清盘形钻头的破岩机理,了解不同结构参数盘形切削刃在破岩时的效果,特别是用盘形钻头钻中硬地层、软地层的钻井效果,对盘形牙轮钻头的９种不同结构参数（几何角度）的盘形切削齿与目前镶齿牙轮钻头上使用的瓢形和楔形齿在砂岩上进行了利切对比实验,并测量了不同牙齿在刮切过程中的刮切力和体积,对每颗牙齿在岩石上刮切下来的岩石体积采用填石蜡的方法进行测量。在实验过程中,通过计算机和数据采集器将整个实验数据完整地记录下来,并对所有实验数据进行统计分析,得到了不同结构牙齿在刮切重庆砂岩时的刮切效果,为设计出能实用于中软、软地层钻井用的盘形钻头提供了理论依据和实验数据。     

牙轮钻头切削部分受力情况的研究方法

影响镶齿牙轮钻头切削元件寿命的原因之一是钻头轴向载荷在各组牙轮—牙掌、齿圈以及个别牙齿上分布不均匀。本文介绍一种开展牙轮钻头轴向载荷在各牙轮不同齿圈上分布情况的研究方法,用该方法测得的试验数据比较可靠,比较接近实际。     

关于牙轮钻头齿顶线方向问题的讨论

牙轮钻头齿顶线往往和牙轮锥面母线方向一致。国内外有些公司的做法是把齿顶线偏转,使之与刮切方向垂直以增大刮切岩石的面积和体积,但触底齿在井底的刮切方向变化多端,确定牙齿的刮切方向并非易事。鉴于此,探讨牙轮钻头齿顶线方向问题,得出3点结论(1)牙轮钻头牙齿齿顶线与它在井底的横向刮切方向的夹角对牙齿受力和破岩体积有直接影响,齿顶总是沿牙轮锥面母线方向是不妥的;(2)准确计算牙轮瞬时角速度,从而算得牙齿瞬时刮切距离,累计得到其总的刮切距离的方向,据此确定齿顶线方向,此思路正确;(3)用牙轮的平均角速度求得触底齿的平均刮切速度方向,从而确定齿顶线方向,在尚不能准确计算瞬时角速度的现状下,此做法比较稳妥。     

牙轮—PDC混合钻头的破岩特性及温度场变化

较之于常规的PDC钻头或牙轮钻头,牙轮—PDC混合钻头有着更好的破岩效果,其破岩过程产生的热量对其使用寿命和钻井效率都有着重要的影响,但目前对其破岩过程中温度场和破岩特性的研究还不够深入。为了给混合钻头的优化和推广提供理论支撑,基于有限元法、弹塑性力学等建立钻头破岩仿真模型,据此研究了破岩过程中的混合钻头温度场变化规律和破岩特性。研究结果表明:(1)牙轮主导型混合钻头破碎岩石时牙轮切削结构先冲击岩石,形成破碎坑,PDC切削齿再进行剪切,而PDC主导型混合钻头由PDC切削齿对岩石进行刮切形成沟槽,牙轮切削齿再对岩石进行破碎;(2)混合钻头在破岩初始阶段温度上升较快,一段时间后趋于平稳且钻压越大温度越高;(3)较之于PDC钻头和牙轮钻头,混合钻头破岩过程中温度更低,混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和;(4)混合钻头在硬地层中的破岩温度高于在软地层中的破岩温度,而钻速则相反;(5)钻头破岩温度和破岩特性与其自身结构有关。结论认为,该研究成果有助于混合钻头的优化设计和推广应用。     

井壁的形成及其形状的描述

对牙轮钻头刮切井壁岩石机理作出了详细分析，把井壁数字化并将井壁变化离散化。用时间递推方法建立了以时间变化的井壁模型，在计算机上仿真再现井壁，进一步处理可计算出牙轮钻头在不同钻井条件下所钻井眼中心偏移量和井眼扩大量。     

Halliburton公司的能量平衡牙轮钻头

Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ公司的能量平衡系列牙轮钻头采用了动态平衡、牙轮定位和防钻头齿痕设计等 3项专利技术。通过专用软件优化设计牙轮钻头来提高钻井性能 ,减小牙轮钻头齿及齿面与岩层接触时的振动。平衡技术是用来提高聚晶金刚石复合片 (ＰＤＣ)钻头的可靠性和工作性能的 ,这项技术使 3个牙轮具有接近平衡的工况 ,即每个牙轮切削的岩层量相近 ,施加在每个牙轮上的力近似相等。钻头通过一个牙轮定位系统优化定位牙轮来提高钻井速度 ,减少钻头齿及齿面的损坏。安全的ＤＢＳ计算机钻井模拟系统可确定牙轮切削岩层的方向 ,操作者可通过牙…     

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。     

能减少钻井成本的软地层钻头

现代三牙轮硬质合金镶嵌齿钻头在硬地层和中硬地层里使用很有效。但由于其固有的设计上的限制,在软地层或粘性地层中钻进时不大理想。一种新型的两牙轮钻头(具有硬质合金镶嵌齿、密封滑动轴承和加长水眼)已经设计出来供在软地层钻进时使用以降低钻井成本。该种两牙轮钻头的有效的水眼系统,强有力的切削齿和长寿命的轴承已在实验室试验和现场使用中显示出优越性。这种钻头对于解决在软地层中钻井的问题具有重要意义。     

特种孕镶块加强PDC钻头的研制与试验

为提高PDC钻头在研磨性硬地层中的机械钻速、延长钻头寿命,研制了特种孕镶块加强PDC钻头.该钻头以PDC切削齿为主切削元件,天然金刚石孕镶块为副切削元件,既具有常规PDC钻头破岩效率较高的特点,又具有孕镶金刚石钻头在研磨性硬地层寿命长的特点.在钻头开始工作时,主要为PDC切削齿"犁切"式破岩,当PDC切削齿磨损到一定程度后,天然金刚石开始磨削岩石,形成"犁沟",有助于 PDC切削齿吃入并切削岩石.该钻头在东北金山气田金古 1-1HF 水平井基底花岗岩硬地层进行了现场试验,平均机械钻速达到4.46 m/h,是同井同地层常规PDC钻头机械钻速的1.5倍,是2口邻井同井段牙轮钻头和常规PDC钻头机械钻速的2倍以上,其使用寿命也达到2口邻井同井段牙轮钻头和常规PDC钻头的2倍以上,取得了良好的现场应用效果.特种孕镶块加强PDC钻头的成功研制,为钻进强研磨性硬地层提供了一种新的高效破岩工具.      

单牙轮钻头布齿方案的综合评价

在给出单牙轮钻头对井底的切削均匀性和覆盖率定义的基础上，以切削均匀性和覆盖率为衡量单牙轮钻头切削效果的依据，探讨了不同布齿方案的优劣。为此建立了综合评价不同布齿方案的欧氏距离评价原则，并按这一原则对直径为２１６ｍｍ、共设置３０枚楔形齿的单牙轮钻头的四种不同布齿方案作了综合评价。按所作的分析和综合评价结果可得出如下结论：（１）单牙轮钻头对井底的切削均匀性和覆盖率是检验牙齿分布设计是否合理的两个重要指标；（２）可用欧氏距离评价原则对牙齿分布进行优化设计；（３）圈状螺旋布齿方案显著优于两种困状辐射布齿方案，也优于螺旋状布齿方案。     

复合齿形牙轮钻头及其破岩机理研究

针对现有牙轮（钢齿、镶齿）钻头已难以对一些复杂地层进行有效钻进这一现状，根据对牙轮钻头破岩机理的新认识，研制了一种新型复合齿形牙轮钻头。该新型钻头是一种具有新型齿面结构的牙轮钻头，其牙轮上的牙齿由齿形齿和盘式齿复合而构成，并且各牙轮上齿形齿和盘式齿的布置方式可根据硬地层等复杂地层的特性和钻井要求进行调整。两种齿对岩石的破碎作用将会互相影响，使得破碎岩石更加容易。为此，概述了国内外在复合齿形牙轮钻头方面所做的研究工作，并详细分析了这种新型钻头的结构特点和破岩机理，指出要研制出具有良好性能的复合齿形牙轮钻头，主要应从破岩机理、布齿方法与齿面结构、齿面强化工艺、钻头整体性能台架试验及复合齿形牙轮钻头结构设计等方面进行深入研究。     

新型多重复合切削钻头的研制

为提高钻头在研磨性硬地层中的机械钻速,延长钻头寿命,研制了新型多重复合切削钻头。该钻头采用"PDC复合片+锥形PDC齿+金刚石孕镶块"3级切削结构,以PDC复合片作为1级切削元件、以锥形PDC齿作为2级切削元件,以金刚石孕镶块作为3级切削元件。多重复合切削钻头具有PDC钻头、牙轮钻头和孕镶金刚石钻头的优点,使钻头既具有较高的机械钻速,又能保持较长的寿命。在青海东坪地区基底花岗岩地层的现场试验中,新型多重复合切削钻头进尺137 m,纯钻时间114.9 h,机械钻速1.19 m/h,比同井段HJ537G牙轮钻头进尺提高128.3%,机械钻速提高40%。多重复合切削钻头为强研磨性硬地层钻井提速提供了一种新型高效的破岩工具。     

用于小井眼的单牙轮钻头正在研制中

单牙轮钻头用于小井眼钻井有很多优点,如能在石灰石和硬砂层进行过平衡和欠平衡钻井,可利用大直径轴颈轴承马达钻头的技术,密封件及轴承使用寿命比三牙轮钻头长,大而坚硬的切削齿在硬地层和高载荷下工作,寿命也较长,另外其钻井转矩也比常规钻头小。因此,单牙轮钻头完全能取代三牙轮钻头和ＰＤＣ钻头,其性能更高,成本也较低。据美刊ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒ报道,美国ＲＢＩ－Ｇｅａｒｈａｒｔ公司旱期研制的第一种单牙轮钻头是４ｉｎＤ５型,设有大喷嘴柱,上有两个喷嘴,可直喷井底,但易偏离牙轮中心旋转。设计的…     

一种可钻硬地层的PDC钻头

美国Hughes Christensen Genesis公司研制成功的ZX聚晶金刚石复合片（PDC）钻头，是为极端钻井而设计的，适用于硬质岩层和磨蚀性岩层。该钻头牙轮可抗磨蚀，其水力学设计可使牙轮有效地偏离钻头运动。此外，其高稳定性可适用于交互层钻井。副牙轮元件的设计使牙轮密度达到最大。顶部牙轮采用层状金刚石技术，以提高抗磨蚀和韧性为目的。在该钻头的切削面积上．有高密度的牙轮和副牙轮组合。副牙轮元件位于牙轮下方，当牙轮磨损或磨蚀后，副牙轮新的锐利切削机构就开始磨削地层。该公司的切削深度控制技术可平衡钻头的工作载荷，平稳的切削技术无须限制切削面积，就可减少钻头磨损。该钻头的水力结构依靠流体动态计算程序来实现液流平衡、牙轮冷却和抗冲蚀等的优化。     

PDC钻头4D切削齿技术新发展

过去的10年间,PDC钻头逐步取代传统上牙轮钻头占领的市场。产生这种变化的主要原因是PCD切削齿制造和萃取工艺的进步。国名油井华高公司开发的四维切削齿其构造独特,能够适用于更广更复杂的工作环境。     

盘式单牙轮钻头破岩机理试验研究

在简述盘式单牙轮钻头的结构特点和破岩机理的基础上 ,详细介绍了这种钻头在资中重二砂岩上进行台架试验的破岩过程、试验数据和动态曲线。试验结果分析表明 ,盘式单牙轮钻头钻进破岩时牙齿在接触井底过后有一个较长的滑移过程 ,运动轨迹成网状相互交叉 ,与井底接触的牙齿过渡平稳 ,从而减小钻头的振动 ,有利于提高钻头轴承和齿面的寿命。这种钻头的缺点是盘式齿在长距离滑移切削过程中磨损较快 ,在某些地层钻进时钻头性能不如普通牙轮钻头和PDC钻头。     

Kymera~(TM) FSR定向钻井复合钻头

<正>贝克休斯公司研发的KymeraTMFSR定向混合钻头,可在复杂的碳酸盐岩地层定向钻进时保持快速、平滑、稳定的性能。KymeraTMFSR钻头具有更高的钻速、更长的进尺和更高的定向钻进精度,从而可以钻进更多产油层。牙轮钻头通常以较慢的转速和较低的扭矩钻进,PDC钻头通常以大扭矩高转速钻进。KymeraTM FSR钻头通过独特的混合设计,很好地结合了PDC钻头和三牙轮钻头技术特点,在碳酸盐岩地层中的钻进性能优于以上2种钻头。该钻头牙轮上的钻齿更尖锐、攻击性更强,可轻松破碎地层;PDC切削齿可清除岩屑,