大直径定向长钻孔用PDC钻头设计与应用

针对煤矿井下中硬地层钻进中采用的常规单齿式PDC定向钻头和常规型扩孔钻头钻进寿命短,效率低,以及常规扩孔钻头在扩孔钻进中难以沿原孔轨迹钻进的缺陷,结合大直径定向长钻孔对三种钻头的需求,研制了两种新型PDC钻头,其中新型PDC定向钻头采用刮刀型平底结构并优化布齿,增加了切削齿数量,扩孔钻头采用圆弧形剖面,并沿切削剖面布齿,增大了切削自由面。针对两种钻头进行了现场应用,现场应用证明,新型PDC定向钻头受控性好,钻进稳定,在中硬地层钻进效率和寿命显著提高,是普通单齿式钻头的2倍,新型扩孔钻头能够沿先导孔轨迹扩孔钻进,钻头寿命是普通扩孔钻头的3倍以上。     

弹塑性致密泥岩用新型尖齿PDC钻头的研制与应用

分析了常规复合片钻头钻遇弹塑性致密泥岩钻进效率低的主要原因,并在此基础上研制了适用于该种地层的新型尖齿PDC钻头。通过对PDC切削齿几何结构的改进、切削结构和水力结构的优化设计而研制的新型钻头,在现场试验中取得了良好的钻进效果。平均寿命高达300 m,平均钻进时效3~4 m,解决了弹塑性致密泥岩钻进效率低的难题,为类似地层的钻探施工提供了一种高效实用的新产品。     

四翼弧角形PDC钻头在煤矿穿层钻孔中的应用

穿层钻孔是煤矿邻近层瓦斯预抽和采空区瓦斯治理的常用手段。针对在软硬互层及硬地层穿层钻孔施工中现用三翼内凹钻头存在寿命短、钻进效率低的问题,研制了四翼弧角形PDC钻头。采用内锥线与抛物线结合的流线形布齿方式,增加了切削齿密度,实现了多轨道分层错峰碎岩;优化钻头切削倾角与侧转角,增大了切削自由面。对2种钻头进行了现场对比试验,结果表明,在穿层孔钻进中四翼弧角形钻头钻进稳定,寿命提高3.74倍,钻进效率提高33%,各切削齿均匀同步磨损,钻头失效形式优于三翼内凹钻头。     

硬岩超高胎体偏心齿钻头的研制及应用

本文针对硬地层钻头寿命短、钻进效率低等问题,研制了一种新型超高胎体偏心齿钻头。该钻头通过条状或类条状设计提高了单齿工作压力;偏心布齿设计改善了钻进过程中钻头的切削齿受力状态,不但提高了钻头的强度,而且使得排浆更加通畅;扭面后支撑结构保证了钻头具有最高可至30 mm的超高胎体工作层。在钻头的制造工艺上,将无压烧结、热压烧结与二次镶焊3种工艺进行了有机结合,钻头金刚石热损伤小、钻头胎体强度高,保径优势明显,为深部硬地层高效长寿命钻进提供了技术支撑。     

镶齿滚刀及滚刀钻头嵌岩技术的研究

根据大口径嵌岩桩施工的需要,研制了镶齿滚刀及滚刀钻头,介绍了镶齿滚刀硬质合金齿的选择、布置,镶齿及密封技术,滚刀钻头的结构设计及钻进参数的确定。经生产性试验取得了良好的效果。     

切削齿型结构对金刚石钻头钻进性能影响的仿真分析

基于有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立了孕镶金刚石钻头的三维有限元模型,研究了钻头切削齿结构对钻进性能的影响并进行现场试验验证,提出了一种基于Image-Pro Plus的应力面积分布对比方式。结果表明:同心环齿型钻头在钻进初期沿旋转方向切削齿前缘出现应力集中现象,花齿型钻头未出现明显的应力集中;2种齿型钻头在钻进后期均会不同程度出现内外径边缘靠近水口部位应力集中现象,易导致钻头内外径部位变相磨损;花齿型钻头的钻进效率要优于同心环型钻头,但是钻进寿命有所下降。     

新产品简介

利用新式柱齿,提高凿岩效能瑞典桑德威克公司推出一种用DP(双重特性)系列柱齿制作的钻头。据称,利用这种柱齿制作的钻头具有以下特点:比普通硬岩钻头的使用寿命高达40%;能有效地钻凿坚硬磨蚀性岩、角砾岩和各种混合的覆盖岩;可减少各种可能的钻头损坏现象;由于在钻进过程中提取钻具修复或更换钻头的次数少,经济效益大,因此,满足目标具有较大的保障。DP55是专为制造锥形柱齿研制的坚韧耐磨的胶结硬质合金。这种柱齿可用于制造供软岩和非磨蚀性岩石高速钻进用的钻头。多次试验证明,比球形柱齿钻头的钻进速度高20～25%。DP65是抗磨损性能高的硬质合金,它可用于制造供巷道掘进、台阶凿岩和     

石灰岩地层PDC钻头仿生PDC齿工作角优化试验研究

在仿生耦合理论的指导下,根据贝壳的表面非光滑的结构特性设计研制一种仿生PDC齿。设计PDC钻头时,主要考虑切削齿的后倾角与侧转角,二者对钻头碎岩效率有重要影响。通过理论分析仿生PDC齿在钻头的最优安装角度,并通过钻进试验来优选仿生PDC齿在钻进石灰岩的最优安装角度。试验结果表明:在相同的转速、钻压的条件下,切削齿后倾角为20°、侧转角为0°时,钻头钻速最快。此试验结果可以为石灰岩地层用PDC钻头的设计提供参考依据。     

基于急倾斜煤层钻孔的大直径扩孔钻头研究

针对急倾斜煤层大直径钻孔采用大型机械施工造价昂贵、效率低下,采用普通钻机施工需多次更换钻头进行反复扩孔的问题,自主研制了一种"刮刀扩孔钻头"和"截齿扩孔钻头",能够充分利用煤层松软易碎的特点快速钻进形成大直径钻孔,提高了钻进效率,降低了工人劳动强度。     

煤层底板灰岩层注浆定向水平井用PDC钻头个性化设计

针对煤层底板灰岩层定向水平注浆井钻进工艺特点及灰岩层地层特性,通过分析现场地质特征及构造、钻孔设计以及井身结构等特点,对拟钻地层特性、钻进工艺以及常规钻头磨损情况进行研究,对钻头剖面形状、切削齿排布、切削齿安装角度以及金刚石复合片优选进行优化设计。新设计钻头采用抛物线剖面,极限密度布齿并针对关键部位增加后备齿加强的方案,降低钻头关键部位磨损,提高钻头攻击性,以通过数值模拟分析异形切削齿破岩效率,以强化鼻部切削齿,提高钻头抗冲击韧性,防止钻头冲击破坏。采用优化设计的钻头进行现场试验,使用寿命较常规PDC钻头提高58.18%|复合钻进平均速度较常规PDC钻头提高50%|定向钻进平均速度较常规PDC钻头提高56.52%,实现了灰岩层底板注浆施工优快钻井需求,为硬岩裂隙地层定向井钻进施工提供了钻头设计方案,为同类地层注浆井的施工提供了技术支撑。     

顶板高位长钻孔用螺旋型PDC扩孔钻头研制

针对常规扩孔钻头在顶板高位长钻孔施工中存在寿命短、导入阻力大、钻进效率低等问题,通过对钻头导向器结构、冠部曲线、切削齿布置、刀翼结构等研究,研制了220/120 mm螺旋型PDC扩孔钻头,并在淮南矿业集团顾桥矿南区进行了现场试验。试验结果表明:在中砂岩、炭质泥岩层中,该钻头单孔进尺498 m,与现场常规扩孔钻头相比,钻进效率提升20%,寿命提高60%以上,并且整个钻进过程平稳,钻进速度快,有较明显的防斜作用,提高了顶板高位长钻孔的施工效率,节约了钻孔成本。     

水力结构增强型PDC钻头应用分析

钻头水力设计在提高钻头钻进性能方面具有重要作用,特别是当钻进占全球75%的页岩软地层的时候尤为重要。为了进一步提高钻头的水力学性能,首先分析了固定切削齿钻头水力学的关键设计特征,然后使用数值和实验工具如CFD和带压钻进实验室(PDL)对最佳的喷嘴方向、位置等特征进行了改进。通过喷嘴方向和位置优化,钻头的机械钻速提高了17%;通过适当的刀翼高度设计,机械钻速进一步提高了17%;在上述研制基础上,通过在基线钻头上增加导流板结构,在低水利条件下,实现了提高机械钻速20%以上,取得了不错的现场应用效果,对于今后开展水力结构增强型PDC钻头的研制及应用具有重要的实际意义。     

奇偶齿鱼脊式聚晶钻头的设计及在油页岩地层的钻进效果

在壳牌石油公司油页岩资源项目钻探施工中，针对复合片钻头产生滑槽式的研磨回转而出现憋泵、糊钻、烧钻、进尺慢等问题，研制了奇偶齿鱼脊式聚晶钻头，并设计了合理的水路系统，与复合片钻头相比钻进效率成倍提高。     

热压烧结金刚石钻头工程勘探钻进时效的试验研究

采用热压烧结方法制备5种不同胎体硬度和唇面形状的金刚石钻头,试验于工程勘探中,与常用的电镀金刚石钻头比较,分析其钻进时效情况。结果表明：通过优化设计,热压烧结钻头同样适用于工程勘探领域,其钻进时效与现行电镀钻头的钻进时效相当,甚至更高;对于微风化灰岩地层,热压烧结钻头的胎体硬度越低,其钻进时效越高,胎体硬度越高,其钻进时效越低;异形齿设计比平齿设计的热压烧结钻头的唇面更易出刃,其钻进时效较高。     

PDC钻头切削齿布齿设计的新思路

切削齿布齿设计是PDC钻头设计的关键。为提高PDC钻头的钻进效率,综合考虑PDC钻头切削齿的设计特点和切削先后顺序等因素,并且通过对PDC钻头单切削齿实验结果进行分析,提出了以冠部轮廓法线为基准的切削齿布齿设计方法。     

新书介绍--《深部地质钻探金刚石钻头研究与应用》

朱恒银教授级高工等编著的《深部地质钻探金刚石钻头研究与应用》一书已由中国地质大学出版社出版。 该书共分15章,约30万字。介绍了金刚石钻头的研究现状与发展以及深部地质钻探特点,分析了回转钻进金刚石钻头破碎岩石过程和基本概念。分别论述了金刚石钻头胎体性能设计、金刚石参数设计、钻头结构设计和热压工艺参数设计。深入论述了同心圆尖齿钻头、碎聚晶孕镶钻头、直角梯形齿钻头、坚硬致密岩层钻头的设计与制造技术;与此同时,对复合片钻头、电镀金刚石钻头以及特种钻头的设计与制造工艺作了深入浅出的阐述。所研制的钻头应用于深孔钻进试验,对试验结果作了对比分析。依据多年钻探实践经验,总结和分析了金刚石钻头如何优化选择及合理使用。     

高温硬岩空气潜孔锤钻头设计

干热岩试验性开发井钻井施工,在高温硬岩的地层条件下,如何实现高效钻进仍存在很多技术难点。空气潜孔锤钻进技术是解决硬岩地层钻进的有效方法之一,潜孔锤钻头是空气潜孔锤钻进的关键器具。根据青海共和干热岩GH-01井空气潜孔锤钻进技术应用情况,分析探讨了空气潜孔锤钻头断齿、掉齿、磨损严重、使用寿命短等问题,从钻头结构设计、钻头材料选取、钻头冷压固齿工艺等几个方面对空气潜孔锤钻头进行了优化。固齿优化过程中采用有限元分析方法,对钻头冷压固齿过盈量进行仿真分析计算,根据分析计算结果确定最优固齿过盈量。通过对潜孔锤钻头结构、材料、加工等优化,为适用于高温硬岩的空气潜孔锤钻头研制提供了借鉴。为提高空气潜孔锤钻进综合效率,为干热岩钻探开发提供了技术支持和技术储备。     

刮刀型PDC钻头在煤矿瓦斯抽采钻孔中的应用

为解决煤矿瓦斯抽采钻孔粉砂岩、细砂岩层段三翼内凹PDC钻头钻进效率低、钻头寿命短的问题,对PDC钻头进行了选型并优化设计,通过选用刮刀型PDC钻头,并采用等切削的方法进行钻头布齿,并配套以一定的钻进工艺,在同种地层中取得了较好的钻进效果,解决了钻进效率低、钻头寿命短的问题。     

仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头研究

针对孕镶金刚石钻头齿间相互独立,在坚硬地层中钻进极易产生打滑和单齿受力太大导致钻头损坏的难题,引入仿生爪趾结构原理和自补偿理念,研制了仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头。钻头的一体式切削齿设计,主要在单齿的齿单元间采用加强筋方式强化单齿强度,单齿与单齿间设置齿间加强筋加强,使得钻头相邻齿单元、相邻单齿间相互连接形成一个整体,在钻进过程中,钻头齿的工作唇面会产生多个超过岩石极限破坏强度但远低于钻头胎体强度的应力集中区域,不容易出现少数几个接近或超过钻头胎体强度的应力集中区域的情况。如此,钻头的整体性更好,受力均匀,切削岩石的效率更高,寿命更长,尤其对于坚硬地层,防打滑效果更好。经现场试验表明:仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头较常规钻头具有更高的碎岩效率和更长的使用寿命。     

泥页岩地层绳索取心钻进钻头应用及优化设计研究

长江中下游地区页岩气调查井工程,采用绳索取心钻进工艺,钻遇地层多为泥质含量高的水敏性泥岩、软硬互层较为频繁的致密性地层。钻进过程中,金刚石钻头经常出现钻头泥包现象,在软硬夹层中PDC钻头崩齿导致钻头机械钻速和寿命受到严重影响。主要从钻头结构及钻井液性能方面系统分析了金刚石钻头泥包及PDC钻头崩齿的原因,分析认为,现场钻头应用过程中产生的上述问题与钻头唇面结构设计、钻头水路设计、钻头材料与表面状态、钻进规程参数及钻井液性能有着密切关系。通过对钻进工艺、地层岩性分析研究,对原有钻头进行了结构形式优化和改进设计,对钻进规程参数也进行了优化,现场应用结果表明：钻速明显提升,大大提高了泥岩段及夹层段的钻进效率。