高硬度高研磨地层高速钻探用PDC钻头研究

从大港滨海高硬度高研磨地层钻探中的多个PDC钻头的使用效果来看,机械钻速提高不明显,并且钻头磨损严重。本研究针对大港滨海区块下部地层特点,以岩石特性分析为基础,从冠部形状、刀翼设计、切削齿尺寸选择及后倾角设计、布齿设计和水力设计等方面进行改进,设计了新的PDC钻头。从滨海6井现场试验的使用情况来看,本次设计的M432 PDC钻头与相同区块同井段同尺寸使用的国产PDC钻头平均指标相比,单只平均进尺增加118%,钻速提高59%,且钻头磨损小,可继续使用。     

适合吐哈油田西山窑地层的PDC钻头提速研究

吐哈油田西山窑地层具有高硬度、研磨性强等特点。该地层采用过多种PDC钻头,但机械钻速提高不甚明显,为此,研究分析了PDC切削齿磨损对机械钻速的影响,提出了以加强PDC钻头的耐磨性为目标来提高机械钻速的设计观点,对PDC钻头的冠部形状、切削齿尺寸、切削齿排布、切削齿工作角等进行优化设计,设计的钻头在吐哈核3井进行了钻井试验。结果表明：设计的新钻头机械钻速与使用过的两种PDC钻头相比分别提高了29%和92.5%,且钻头钻时60 min以上时,有轻微磨损,仍可继续使用。     

硬地层定向PDC钻头个性化设计与应用

为了扩大PDC钻头在坚硬地层钻进方面的使用范围,通过对钻头冠部轮廓形状、切削结构、切削齿工作角度、钻头水力结构、稳定特性影响因素等方面的研究和优化设计,针对长岭凹陷青山口组及拳头组地层,个性化设计了311BTS115E6型定向PDC钻头。试验表明:新型号钻头在硬地层定向段机械钻速高,平均机速达到3.2m/h,与临井相同井段钻头相比,钻速提高了200%。且该钻头滑动过程中造斜率高、工具面稳定,具有极高的推广价值。     

弧角型PDC钻头在青龙煤矿中的应用研究

针对贵州能化集团下属青龙煤矿复杂地层条件,采用分层错峰布齿,选用弧面型PDC切削齿,并调整PDC切削参数,研制了ф113mm的弧角型PDC钻头,并进行了现场钻进试验。结果表明:与矿上现用ф113mm三翼内凹型PDC钻头相比,弧角型PDC钻头总进尺达到170m,提高提高了30%以上;钻进效率大致相同,为15m/h。观察使用后的钻头,发现弧角型PDC钻头属于正常磨损,而三翼内凹型钻头PDC切削齿发生崩片居多,进一步说明弧角型PDC钻头在青龙煤矿中更具有适应性。     

PDC实钻性能的测试与评价

在总结分析国内外有关PDC切削齿性能测试方法的基础上,采用常规检测方法对不同生产厂家的5种PDC产品的磨耗比、冲击韧性和热稳定性进行测试、评价和优选,并对优选出的2种PDC在微钻试验平台上进行实钻性能测试。结果表明:用微钻试验的钻进效率衰减系数和钻进效率均峰值来评价PDC实钻性能,方法科学,数据准确,结果实用,可作为煤矿用PDC钻头切削齿选型的参考依据。      

水平井PDC钻头优化设计与应用

同常规直井、定向井聚晶金刚石（polycrystalline diamond compact,PDC）钻头相比,水平井钻头保径更易磨损、导向能力要求更高、切削齿所受冲击载荷更大。针对鄂尔多斯盆地红河油田水平段地层特点,通过室内试验优选切削齿尺寸和后倾角;针对水平井钻头的特点,设计了浅内锥、短外锥、大冠顶圆弧的钻头剖面形状,"主动保径齿+低摩擦保径块"的加强型保径及非对称、多喷嘴布置的加强水力结构。现场应用表明:新型钻头相比区块普通钻头,进尺提高了193%,机械钻速提高了132%。      

基于热性能分析的PDC切削齿选型试验研究

为提高PDC切削齿选型的可靠性,从热性能角度出发,分别对不同厂家的PDC切削齿进行常温激光拉曼、高温激光拉曼及热重等分析,并结合其高温磨耗比测试,分析PDC切削齿的残余应力、石墨化转变、热稳定性以及高温耐磨性等,综合评价不同厂家的PDC切削齿性能;同时,制作?94 mm四翼弧角PDC钻头并进行现场钻进试验.结果表明:现...     

PDC钻头磨损过程中的应力分析

为了更加准确地计算PDC钻头在钻进过程中所受的力,需要模拟钻头使用一段时间后的磨损情况.运用空间几何和数值计算理论,对PDC钻头的结构和受力重新进行分析.描述了PDC钻头在不同磨损情况下应力改变情况,推导出了PDC钻头磨损时受力方程.综合考虑了钻头冠部形状、切削齿的布置、切削齿的工作角、切削齿的形状及尺寸、切削齿的相互作用的影响,提出了磨损过程中切削齿的切削面积、切削体积、切削弧弧长等切削参数与磨损程度的关系的数值计算方法,为精确估算PDC钻头的工作时间提供了一种更为科学的手段.     

不同斧型钻齿切削刃角下的破岩方式

为进一步理解斧型 PDC钻齿破岩机理,建立PDC钻齿破岩的3D有限元模型,对3种不同切削刃夹角的斧型PDC钻齿破岩方式开展对比研究。结果表明:与150°和165°的钻齿相比,135°的斧型钻齿受到的剪切力和切削力更小,从而具有更高的破岩效率。在相同的后倾角、相同的切削深度和相同的切削力下,165°斧型钻齿切削力波动较小,稳定性更高。与立式车床上的实验数据相比,仿真结果与实验结果总体趋势一致,误差在可接受范围内。      

石油天然气钻采用PDC切削齿的最新发展

本文介绍了近年来PDC钻头的设计理念和PDC切削齿的最新技术动向,PDC切削齿的若干关键技术,以及国际上最新采用的测试技术。通过提高金刚石含量,加强D-D键结合,优化界面几何形状,减少内应力,精细控制各种原辅材料的质量,最终提高PDC切削齿的综合性能。文中介绍了PDC超声波逐行扫描探伤技术,最新的重负荷检测耐磨性能,以及耐热性和抗冲击性的检测技术。最后还对石油钻井市场现状进行了介绍。     

Failure modes of PDC cutters under different loads

The capability of several types of flat PDC cutters to withstand combined loads were tested and evaluated by the impact and cutting of single PDC cutter on granite in a linear impact-cutting table.The primary failure modes of PDC cutters withstanding different combined loads were investigated and analyzed.The suggestions of enhancing PDC cutters to be suitable for drilling very hard rock have been made.     

复合地层中不同刃形滚刀与岩石接触行为研究

目的 滚刀截面形状即刃形对滚刀综合性能影响显著,研究不同刃形的滚刀在复合地层中的载荷变化特点,把握各型滚刀应用于复合地层时的优势与劣势,对于减少滚刀失效、降低刀盘偏载具有重要指导意义。方法 通过滚刀破岩试验获取和对比3种刃形的滚刀(平顶、圆顶和螺旋槽滚刀)在软硬复合地层中的切削力、破岩体积等关键指标,同时建立滚刀破岩有限元数值模型,探究滚刀刃形影响其切削岩石性能的机理和规律。结果 在复合地层中工作时,平顶滚刀所需的法向力均值最高,其余滚刀则相近。这是由于圆顶和螺旋槽滚刀破岩时仅有部分表面参与接触,接触面积均小于平顶滚刀,应力集中效应明显,从而降低破岩法向力。螺旋槽滚刀在切削不同强度岩石时的法向力差距最小;圆顶滚刀的法向力标准差的值最小。3种滚刀均形成了粉末状和片状岩石碎片,平顶和圆顶滚刀形成的岩石碎片总体积相近而螺旋槽滚刀略低。结论 复合地层软硬岩强度相差较大时,可选用螺旋槽滚刀以减轻刀盘偏载;硬岩部分强度较高时,推荐选用圆顶滚刀,以减小切削力和载荷冲击。     

Effect of cobalt content on the performance of polycrystalline diamond compacts

Cobalt was an indispensable role in the damage of a PDC cutter due to its inevitable adverse thermal effect like thermal catalysis, thermal expansion and thermal oxidation in the welding and drilling process, while the quantitative studies on its serial thermal damage effect were still seldom reported. In order to understand the damage mechanism of a PDC cutter and therefore design better products, it was quite necessary to study the roles of cobalt in the PDC cutter by a quantitative means. In present study, the total cobalt content of the PCD layer of polycrystalline diamond compacts were adjusted by blending different amount of microsized cobalt powder in the mixed diamond grains and the infiltrated cobalt from the cemented carbide cylinder during the HTHP sintering process. The sintered PDC cutters were examined by XRD, SEM, EDX, vertical lathe tests, and impact tests, and it was found that the abrasive ratios of the fabricated PDC cutters were strongly dependent on the cobalt content of sintered diamond layers. The PDC cutter without adding cobalt powder exhibited the best resistance to the abrasion, while the PDC cutters sintered by adding 4% mass of cobalt powder demonstrated the worst abrasive ratio, which was the direct proof confirming that by decreasing the content of residual cobalt in the PCD layer the resistance of the PDC cutter to the abrasion would be improved significantly. A non-destructive characterization method was adopted based on the statistical calculation was proposed by using Matlab and Image-J software to quantitatively explore the relationship between the cobalt content as well as the average size of residual cobalt in the PCD layer and the abrasion performance, which opened a new technical route for the disclosure of cobalt-dependent abrasion resistance for the PDC cutter analysis. Moreover, a cobalt-rich narrow zone was found to appear in the interface of PCD/cemented carbide, which was deduced to be the main reason to cause the delamination of PCD layer from the cemented carbide. It was also interesting to find that the percentage of added cobalt powders seemed no adverse effect on the impact performance of the PDC cutters. The conclusion of present study about the cobalt role in the PDC performance was quite good for understanding the PDC damage modes and helped for the better design and fabrication of PDC.     

PDC钻头自动焊接技术

在对PDC钻头的焊接性进行分析的基础上，选择了火焰加热的钎焊方法，研制出了适用于PDC钻头火焰钎焊，并具有专利技术的复合片焊接温度测控系统和数控变位操作系统，实现了复合片与钻头基体焊接工艺参数的自动控制和复合片焊接位置的数控定位，在稳定PDC钻头的焊接质量、提高焊接效率、降低劳动强度方面迈出了重要的一步。     

Penetration and impact resistance of PDC cutters inclined at different attack angles

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＳｉｎｃｅｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｄｉａｍｏｎｄｃｏｍｐａｃｔ (ＰＤＣ)ｂｉｔｓｉｎｔｈｅｍｉｄ 1970’ｓ ,ｔｈｅｓｅｔｏｏｌｓｈａｖｅｇａｉｎｅｄｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｗｉｄｅａｃｃｅｐｔａｎｃｅ .Ｔｈｉｓｉｓｎｏｔｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｔｏｏｌｉｔｓｅｌｆ ,ｂｕｔａｌｓｏｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅａｄ ｖａｎｃｅｓｔｈａｔｍａｄｅｉｎｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓｕｓｅｄｔｏｆｏｒｍｔｈｅｂｉｔｓａｎｄｉｎｔｈｅｂｉｔｄｅｓｉｇｎｓ…     

硬岩地层PDC钻头不良工况原因分析与改善措施

传统PDC钻头在硬岩地层钻进时,不良工况多,钻头寿命及钻进效率非常低。为了找出硬岩地层PDC钻头不良工况发生的原因,以四川元坝地区须家河组致密砂岩为例,建立单个PDC复合片切削岩层的模型,分别对模型中复合片及微小岩块进行受力分析,发现单个复合片受力随切入岩石弧长、岩石的内摩擦角及黏聚力的增加而增加。视所有复合片破岩的临界钻压及扭矩为整个钻头受到岩石的作用力,钻头受力超出转盘的输出钻压及扭矩会导致不良工况的发生。最后,从提高PDC钻头结构使其能适应硬岩钻进,及使用PDC钻头伴侣来改善PDC钻头的切削条件两方面提出了PDC钻头不良工况的改善措施。     

适合强研磨性硬地层的新型混合钻头设计及现场应用

为提高金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)钻头在强研磨性硬地层中的破岩效率和使用寿命,设计2只由PDC切削齿和金刚石孕镶块组合作为切削单元的PDC-金刚石孕镶块新型混合钻头,并在冀中某断层区块石英岩地层进行现场试验。试验结果表明:与同井段使用过的牙轮钻头的平均值相比,1#PDC-金刚石孕镶块混合钻头的平均机械钻速提高52.30%,平均钻头进尺提高97.30%;与牙轮钻头的平均值和M1375D PDC钻头相比,2#PDC-金刚石孕镶块混合钻头的平均机械钻速分别提高30.85%和 32.30%,平均钻头进尺分别提高70.50%和 47.40%。PDC-金刚石孕镶块混合钻头极大地提高了强研磨性硬地层中的钻进效率,降低了钻井成本。