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。     

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。     

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。     

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。     

气体钻井牙轮钻头井底流场特性分析

基于CFD技术,通过建立井底流场计算模型,运用数值模拟的手段,对气体钻井的三牙轮钻头井底流场进行了数值模拟,并分析了喷嘴侧倾角、前倾角和后倾角对井底流场的影响。结果表明:三喷嘴不同侧倾角设置比相同侧倾角设置更利于井底清岩;三喷嘴复合前倾角比复合后倾角的井底清岩能力更强,但对牙轮切削结构的清洗效果较差;在不改变气体排量的情况下,通过三喷嘴混合复合前倾角和后倾角的方式,可以在保证一个相对较好的井底清岩能力的情况下,提高射流对牙轮切削结构的清洗能力和环空的携岩能力。分析结果为气体钻井系列牙轮钻头的设计、评价以及现场气体钻井的技术措施提供了理论指导。     

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.     

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°。