基于机械比能理论的钻头磨损监测新方法

现有基于机械比能理论的钻头磨损监测方法,都是通过机械比能趋势线对钻头钝化趋势作定性分析,没有一种定量计算钻头磨损等级的有效方法。在前人研究成果的基础上,选取合理机械比能模型,通过优化钻头扭矩回归数据对其进行了优化;综合考虑钻头设计参数、切削结构、钻井参数及钻头磨损等的影响,选取了合适的牙轮钻头和PDC钻头钻速方程,提出了一种定量计算与定性分析相结合的钻头磨损监测新方法。该方法充分考虑了钻速、钻压、转速、扭矩以及钻头设计参数等因素,采用钻速方程和测录井数据计算机械比能、岩石抗压强度和钻头磨损等级分级系数。该方法在南海油田宝岛区块A井、准噶尔盆地风城区块B井、吐哈油田某区块C井等的多个井段进行了PDC钻头和牙轮钻头的磨损监测,结果表明,较之钻头磨损实测数据,PDC钻头的平均相对误差为9.87%,牙轮钻头为21.15%,即新方法能有效监测钻头磨损情况且更适用于PDC钻头。      

PDC切削齿受力的试验研究

为找出影响PDC切削齿受力的因素及一般规律,利用PDC切削齿对多种岩样进行切削试验,通过模拟实际钻井中不同的切削断面形状、重叠切削状态及磨损状态,研究了切削面积、接触弧长、岩石抗钻强度、切削齿磨损高度等因素对PDC切削齿受力的影响规律。结果表明,在切削面积相同的情况下,切削齿受力随接触弧长、岩石可钻性极值、切削齿磨损高度分别呈线性、幂函数和指数函数趋势增长。基于试验结果,并结合后倾角的变化规律,引入弧长系数、磨损高度系数,建立了PDC切削齿受力模型,这为PDC钻头设计及合理使用、复合材料合成工艺等提供了参考依据。     

PDC钻头在砾岩层中的磨损规律研究

针对PDC钻头在钻进致密砾岩层中磨损严重的问题,建立了双切削齿PDC钻头简化模型,采用Archard磨损模型并通过有限元软件对PDC钻头切削齿的破岩过程进行模拟,研究了PDC钻头切削齿的后倾角、温度、线速度和钻压对切削齿磨损量的影响规律。研究结果表明:切削齿磨损量在后倾角为15°～20°之间时增长速度平缓,在20°时达到最大值;切削齿磨损量在温度达到300℃后增长速度迅速加快;线速度和钻压与钻头切削齿的磨损量成正比关系。最后采用正交试验法进行敏感度分析,发现对钻头磨损量影响程度由大到小依次为线速度、切削齿后倾角、温度和钻压。该研究对PDC钻头在砾岩层中钻进时合理调节钻井参数以及延长钻头使用寿命具有一定的指导意义。     

PDC钻头切割齿磨损分析及改进建议

指出PDC钻头切削磨损包括:崩齿、掉片、金刚石层脱落及齿柱冲蚀等。因此,提出PDC钻头应改进切削结构、完善制造工艺、规范操作规程,旨在提高PDC钻头的切削功能,延长其使用寿命,减少钻井成本。     

PDC钻头单齿“攻击性”布齿研究及有限元分析

为深入了解PDC钻头的"攻击性",通过试验及有限元仿真等方法对PDC钻头的几何参数、布齿规律与钻压、扭矩和破岩效率之间的相互关系进行研究分析,得到如下结论:1前倾角A、侧转角B、切削面倾斜角C对"攻击性"影响大小为ACB,"攻击性"随前倾角A的增大而减小;2前倾角A的适合取值范围为17°~21°;3为保证整个钻头上切削齿"攻击性"的一致性,远离钻头中心的切削齿宜采用稍大的前倾角,可取19°~21°,靠近钻头中心的切削齿宜采用稍小的前倾角,可取17°~19°。PDC钻头的单齿布齿规律将为后续PDC钻头布齿的优化设计和现场钻井施加钻压工艺提供可靠的试验及理论依据,防止连续管等工具在钻井过程中的损坏,提高施工安全系数。     

复合钻井模式下PDC钻头钻进仿真研究

PDC钻头在井底的受力将影响到PDC钻头钻进效率及切削齿的磨损,尤其是在复合钻井模式下,切削齿与岩石互作用更加复杂。鉴于此,提出一种新的基于三维建模理论的复合钻井模式下PDC钻头钻进仿真方法,目的在于通过仿真结果对复合钻井用PDC钻头的切削参数进行评价。该仿真方法首先是建立复合钻井模式下PDC钻头预钻井底模型,PDC钻头按照设定钻进模式运动,将切削齿作为刀具对岩石进行虚拟切削,仿真过程中建立各切削齿的切削带模型,通过切削带计算各切削齿的接触弧长、接触面积和切削体积。理想工况与复合钻井模式下仿真结果对比表明,新的复合钻井模式下PDC钻头钻进仿真方法能够满足复合钻井模式下对切削参数的定量化评价需求,具有较好的仿真精度以及可视化效果。     

PDC钻头性能的二维模拟

介绍了PDC钻头性能模拟的试验基础及原理。所编制的模拟软件可为PDC钻头的设计方案提供模拟结果和性能评价依据，其主要功能为：1．计算切削齿的各种参数，如切削力、切削体积、切削功率；2．计算切削齿的磨损体积、磨损高度；3．计算钻头不平衡力的大小和方向；4．模拟钻头的钻进特性曲线；5．模拟切痕断面形状及井底剖面形状；6．预测钻头的工作指标。应用该软件对一只使用过的PDC钻头性能进行模拟，分析了主要模拟结果，并将该钻头各切削齿研磨面积的实测结果与模拟结果作了对比，两者的分布规律基本吻合。     

定钻压、定转速条件下PDC钻头单切削齿磨损规律研究

PDC钻头切削齿的耐磨性相当高，要通过大量的室内试验来找出其磨损规律来是不现实的，因此很有必要找出一种PDC钻头切削齿磨损规律的研究方法。在简要分析切削齿磨损机理的基础上，对切削齿磨损规律进行了理论分析推导，得到了切削齿切削岩石时的线磨损速度模式。定钻压、定转速条件下的单切削齿磨损速度试验结果表明，切削齿的线磨损模式是正确的。该方法是研究PDC钻头切削齿磨损规律的一个新途径。     

基于钻井参数的钻头磨损泥包监测识别方法

现有的钻头磨损及钻头泥包识别方法多是利用钻井参数变化规律进行主观判断,没有一种确定的模型或方法来准确识别钻头磨损及泥包。本文在前人研究的基础上,提出了不同钻井条件下钻头摩擦系数及切削深度的计算模型,并结合临井测井数据、钻头破岩机械比能模型建立了钻头磨损泥包监测识别方法。该方法在综合考虑了地层岩石强度、机械钻速、钻压、转速、扭矩、水力参数等因素前提下形成了一套监测识别模型。在西南油气田三口井中进行了现场试验中,试验结果证明该方法能够在钻井过程中准确识别钻头磨损及泥包。现场试验主要用于PDC钻头,需要在不同钻头的井中进一步验证。     

PDC钻头在复杂运动条件下钻进过程仿真

在钻井中，钻头设计的优劣以及钻头的选型对提高钻井速度和降低钻井成本都起着非常重要的作用，而切削齿的切削力是评价钻头设计以及钻头选型是否合理的重要依据。因此，有必要对钻头在复杂工作条件下的受力进行分析、预测。文章利用计算机数字仿真技术，计算PDC钻头在复杂运动条件下的切削量，来预测切削齿可能的磨损区域。该仿真系统突破了传统的理论分析方法对钻头运动条件的限制和对钻头切削结构方案的限制，其分析结果的科学性和可信度具有显著提高。     

新型定向井PDC钻头的研制与应用

针对常规PDC钻头在胜利油田临盘区块定向井钻井施工中，工具面不稳定、难以控制、滑动钻进时钻压较小、钻速低的问题，研制出了一种新型定向井PDC钻头。该PDC钻头采用短剖面形状，特殊双重切削布齿结构，又对钻头进行了力平衡设计，把钻头的侧向力减到最小，增加了钻头工作时的稳定性。在临盘区块多口定向井的现场应用表明，新型定向井PDC钻头滑动钻进时钻压变化的敏感度小，工具面可控性好，复合钻进机械钻速和定向井机械钻速较常规PDC钻头都有较大幅度提高，且提高了钻井和下套管效率及井身质量。     

非均质地层锥形辅助切削齿PDC钻头设计与试验

为了提高PDC钻头在非均质地层中的机械钻速和延长钻头使用寿命,研制了带有锥形辅助切削齿的PDC钻头。该钻头以PDC齿为主切削元件,锥形齿和PDC齿为副切削元件,开始工作时以PDC切削齿剪切破岩为主,当PDC切削齿吃入地层到一定程度后,锥形齿开始犁削岩石形成裂纹,有助于PDC齿以较小切削力破碎岩石;相邻2个刀翼的后排齿分别布置锥形齿与PDC齿,用于钻头钻进后期的提速提效,既具有常规PDC钻头破岩效率稳定的特点,又具有锥形齿在非均质地层破岩效率高的特点。现场试验表明,与常规PDC钻头相比,锥形辅助切削齿PDC钻头在非均质地层中使用寿命长、机械钻速高。锥形辅助切削齿PDC钻头的成功研制,为钻进非均质地层提供了一种新的高效破岩工具。      

综合考虑成本和钻速的PDC钻头钻进参数优化设计

传统的钻进参数优化模型不适用于PDC钻头。针对传统模型的不足,在牙轮钻头钻进参数优化理论的基础上,引入钻井成本和钻速权重系数,结合PDC钻头钻速方程、磨损方程和钻速随累积进尺的变化规律等基本方程,建立了钻井成本和钻速双目标约束下的PDC钻头钻进参数优化模型。该模型可根据降低成本或提速的具体目标设置钻井成本系数和钻速系数,在同时考虑成本和钻速的条件下对钻进参数进行优化设计。川西新场地区实钻资料的计算结果显示,经过参数优化后PDC钻头的单位进尺成本降低,同时钻速提高,这表明该模型可以用于双目标下PDC钻头钻进参数的优化设计。      

PDC钻头复合片磨损速度模型研究

PDC钻头作为一种高效破岩工具,在石油工业中的应用越来越广泛。复合片的磨损直接影响着钻头的钻速和使用寿命。在目前研究的基础上,分析了PDC钻头复合片研磨性磨损、热磨损和冲击磨损三种磨损形式的磨损机理;研究了钻井参数、地层特性及复合片自身结构性能参数对复合片磨损的影响规律。建立了一个比较完善的复合片磨损速度模型,为进一步的研究提供了理论依据。     

适合多夹层地层PDC钻头设计及应用

PDC钻头在钻井破岩中所占的比例越来越大,但在软硬交错的多夹层地层钻进时效果却不理想,常常发生先期损失。针对胜利油田多夹层地层特点进行了PDC钻头的优化设计,开创了钻头切削结构设计新方法,改进了钻头的水力结构设计,采用了多种稳定性结构设计方法。根据该设计制造的一种新型复合式PDC钻头在多夹层地层中取得了较好的应用效果。与牙轮钻头相比,使用新型复合PDC钻头机械钻速高,进尺多,井身质量好,对加快油田勘探开发速度、降低钻井成本有积极的意义。     

中心分区式PDC钻头流场数值模拟

为证实Φ215.9 mm中心分区式PDC钻头具有更好的冷却和携岩性能,根据钻头底部轮廓包络面建立了Φ215.9 mm中心分区式与常规PDC钻头刀翼流道流场模型,对模型大压力梯度区域运用非均匀结构网格技术进行了局部细化,模拟了两种水力结构对井底流场及各流道内流量的影响。结果表明,中心分区水力结构形成的弱连通区域,使各流场区域的流量分配更加合理,并可缓解流体对钻头冠部的冲蚀,有利于流体及时冷却切削齿,减小钻头热磨损可能性,提高携岩能力和降低原生泥包发生概率。PDC钻头采用中心分区水力结构不会增加钻头布齿及刀翼等结构设计和加工制造的难度,并能提高水力效率,推荐在适用PDC钻头地层的中深井段常规钻井和复合钻井中使用。      

适用于砾石夹层钻进的PDC钻头

PDC钻头在砾石夹层中钻进时钻头不平稳、PDC复合片崩裂、磨损消耗快、机械钻速低,针对这些问题,采取了两方面的措施:一是创造条件使PDC钻头工作平稳,即减少或分散PDC钻头所承受的冲击载荷;二是减少钻头上PDC复合片在工作中的崩裂与磨损。具体的设计方案是:通过优化设计PDC钻头结构,主要采取外抛内锥带辅助切削齿的形式结构;研制与选取PDC复合片,主要采用双向多条直槽非平面结合方式,提高了复合片质量,使其热稳定性为750℃,耐磨性为2.9×105,抗冲击性大于600 J。按此方案设计与生产了3只钻头,分别在3口中井试用,直接钻穿砾石夹层馆陶组地层井段,相比之下,研制的新型PDC钻头,钻井效率提高26%,较大幅度地提高了钻井速度,突破了砾石夹层钻进不能使用PDC钻头的禁区,具有推广价值。     

川西须家河组地层PDC钻头结构参数优化及选型

川西深层须家河组气藏主力储层埋藏深、地质条件复杂,尤其是其地层硬度高、可钻性差,致使钻头选型困难,机械钻速低。为提高须家河组地层机械钻速,针对地层岩性特征,利用ABAQUS软件建立了切削齿破岩有限元模型,结合钻头设计理论优化了PDC钻头结构参数,确定出了适合须家河组地层的钻头冠部轮廓、切削齿、刀翼数和保径特征等主要结构参数,提出了PDC钻头选型的关键特征。在此基础上,优选出了9个型号PDC钻头,形成了须家河组地层钻头系列化选型方案:须5段-须3段地层宜选用攻击性强同时具有较强抗研磨性和抗冲击性的PDC钻头,须2段地层宜选用高抗研磨性兼顾吃入能力和抗冲击性的混合布齿钻头。现场应用表明,42只优选钻头平均进尺增加27.57%,钻速提高40.19%,实现了须家河组地层钻井提速新突破。      

PDC钻头内镶式二级齿新技术

PDC钻头不适宜钻硬地层,尤其是高强度、高研磨性的砾石层,因为在极其恶劣的工作条件下,PDC齿的冲击破损严重,热磨损及磨料磨损往往同时存在,齿的磨损速度快,钻头的工作寿命急剧缩短.研究了一种新的PDC钻头技术--内镶式二级齿技术,可以使PDC钻头在极限应用条件下的持续破岩能力显著增强.内镶式二级齿是在常规的切削结构基础上增加的后备PDC切削结构,二级齿位于主切削齿的上方,除金刚石表面外,齿的其他部分全部隐藏在胎体内部,为负出露切削齿.主切削齿和二级齿相组合,构成了可连续接替切削岩石的复合切削结构.在主切削齿的切削破岩能力丧失或接近丧失时,二级齿开始工作,显著增加了钻头的工作寿命.新技术应用于渤海LD油田钻底砾岩,提高了钻井时效,降低了钻井成本.