PDC钻头在砾岩地层中的破岩机理与适应性分析

PDC钻头在非均质砾岩地层钻进时,不能仅通过磨损来进行优选,应当明确其破岩机理,从而对其应用效果欠佳的情况给予指导。为此,通过有限元软件建立非均质砾岩模型,对PDC单齿破碎砾石地层进行模拟,明确破岩机理,并提出优选建议。分析结果表明：切削齿在砾岩地层切削时,对小粒径砾岩影响切削力的主控因素为胶结物和基质强度,对大粒径砾岩影响切削力主控因素为砾石本身的固有剪切强度;在砾岩地层中,切削齿齿形推荐选用斧形齿,其半径尽量与砾石尺寸相匹配,且优先选择大厚度齿,选择二级、螺旋布齿可减轻单齿的损伤;可以通过优选新型异质材料来改善切削齿力学性能。研究结论可为提高PDC钻头在砾岩地层中的适应性提供理论支撑。     

PDC钻头破岩试验系统研制

钻头质量的优劣、与岩性和其他钻井工艺条件是否相适应等,影响着钻进速度、钻井质量和钻井成本.针对相应地层优化钻头设计参数,研制了钻头破岩试验系统.该系统采用液压装置给定钻压和转矩,计算机自动检测、控制并保存相关参数,能够真实模拟和分析钻井破岩机理,为钻头的优化设计提供试验数据.试验表明,该系统测试准确、性能可靠,应用前景广阔.     

复合冲击条件下PDC钻头破岩效率试验研究

为分析纵向冲击与扭转冲击复合条件下PDC钻头的破岩效果,以及不同钻进条件和冲击参数对破岩效果的影响规律,设计了一种具有纵向和扭转冲击功能的旋扭复合冲击发生装置,利用粉砂岩、石灰岩和花岗岩3种岩性的岩样开展了PDC钻头常规破岩和复合冲击破岩试验,研究了复合冲击条件下钻压、转速、冲击力和冲击扭矩等参数对PDC钻头钻进速度的影响规律。试验结果表明:钻压和转速是影响破岩效率的主控因素;相较于常规PDC破岩,复合冲击钻井方式产生的岩屑粒径更大,破岩效率更高;冲击力和冲击扭矩越大,破岩效率越高,复合冲击方式在硬地层钻进中的钻速最高可提高50%。研究PDC钻头在复合冲击条件下不同钻井参数对破岩效率的影响规律,为复合冲击工具设计和性能参数优化提供了理论依据。      

围压条件下PDC钻头不同齿形的破岩实验研究

为了解决塔里木油田泥页岩地层钻速低的难题，提高ＰＤＣ钻头的破岩效果，研究了围压及ＰＤＣ钻头齿形对破岩效果的影响规律。利用深井破岩试验装置，模拟了井深０￣５ｋｍ的压力条件，进行了ＰＤＣ单齿破岩室内试验。结果表明，切削齿形不同，其破岩效果不同，楔形齿的破碎比功最小，圆齿的破碎比功最大。此外，试验还显示出随围压的增加，破岩效率下降；增大吃入深度，可降低破碎比功。     

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。     

PDC钻头破岩的动态数值模拟

使用CAD软件建立了81/2”PDC钻头的几何模型,导入有限元软件进行钻头破岩的动态数值模拟,将地层材料设定为正交各向异性,地层倾角为15°。数值模拟结果表明：井眼是一步步“跳跃式”加深的,钻头偏离了地层层面的垂直方向;钻头与地层的接触具有随机性,主要是底部和侧面牙齿与岩石的接触,其它部位与地层的接触较少;在破岩过程中,钻头上下振动引起瞬时速度随时间不断变化,并且在加深井眼的同时,不断横向运动,扩大井眼;在整个数值模拟过程中钻头扭矩也是在不断变化,钻头会发生“空转”和“滞动”现象,并且存在“反转”趋势。本文的研究结果对提高PDC钻头破岩机理的认识具有重要意义,同时为研发控制反扭矩的钻具奠定了基础。     

PDC钻头在羊塔克地区的应用

ＰＤＣ钻头越来赵多地用于深井钻井，实践证明，合理地运用ＰＤＣ钻头，对于加快勘探开发速度有明显效果。本文介绍了ＰＤＣ钻头在羊塔克地区应用的主要技术参数、技术要点和应用结果，证实了ＰＤＣ钻头在羊塔克地区大井眼中应用所创造的明显效益，真正达到了提高机械钻速，缩短钻井周期的目的，并对其它区块的勘探开发也有借鉴意义。     

新型PDC钻头概述

<正> 70年代初美国人发明了PDC钻头。在世界范围内得到了普遍应用。PDC钻头在软到中硬地层中具有机械钻速快、寿命长、钻进平稳等优点。为扩大PDC钻头的使用范围,使之能有效地钻穿硬夹层或较硬的地层,提高钻头在复杂地层内的钻进效率,世界各大钻头厂家又相继研制出了新型PDC钻头。Christensen公司研制的Mosaic、Hycalog公司研制的Hybrid和DBS公司研制的PD型和TD型等新型PDC钻头,大大提高了PDC钻头的抗冲击能力、抗冲蚀性     

PDC全钻头破岩数值模拟及试验研究

为了分析PDC全钻头破岩中单齿受力,一方面通过对比不同切削参数影响下,PDC单齿破岩数值模拟中采用的Mohr-Coulomb本构模型与Drucker Prager本构模型计算结果,评判了模型的计算效率与精度;另一方面进行了PDC全钻头破岩试验,建立了同比条件下更为精细化网格的PDC全钻头破岩有限元模型,将数值模拟结果与试验结果进行了对比。分析结果表明,在不同的工况下,Mohr-Coulomb模型计算的结果误差虽然比Drucker Prager模型略高,但Mohr-Coulomb模型的计算效率是Drucker Prager模型的3.1倍;仿真钻压的平均值误差为2.75%,平均扭矩误差为0.40%,满足工程要求。因此可以利用数值模拟方法研究布齿参数变化对切削工作载荷分布的影响,为个性化的PDC钻头研发提供技术支撑。     

锥形PDC单齿破岩试验研究

为优化锥形PDC齿钻头的结构设计并提高其钻进硬地层的能力,通过锥形PDC切削齿在玄武岩上的破岩试验,分析了切削角、锥顶角及钻压等因素对锥形PDC切削齿破岩效率的影响规律。结果表明:锥形PDC齿适合其锥尖指向钻头轴线安装在钻头上;随着切削角增大,切削深度先增大后减小,当切削角为25°时,切削深度最深;破碎相同体积的岩石,锥顶角小的锥形PDC齿所需的水平切削力小,更易破碎岩石;切削深度与钻压呈指数关系,随着钻压增加而增大。试验结果可为锥形PDC齿钻头结构设计提供依据。      

斧形PDC切削齿破岩机理及试验研究

斧形PDC切削齿比常规PDC齿具有更明显的破岩优势。为了分析斧形PDC齿的破岩机理,利用有限元仿真模拟与试验相结合的方法,通过斧形PDC齿与常规PDC齿破岩过程的对比与受力分析,揭示了斧形PDC齿破岩过程的力学机制。分析结果表明:斧形PDC切削齿破碎岩石时,斧刃会使其前方岩石内部形成一个剪应力集中区,岩石更易发生剪切破坏;切削齿斧刃吃入岩石后,屋脊形的斧形齿逐渐楔入岩石,从侧向上使岩石发生拉伸破坏,提高了其破岩效率;斧形齿破岩时所受轴向力和切向力小,更易吃入岩石,所受切向力及轴向力波动幅度更小,具有攻击性及稳定性强的优点,不易发生冲击损坏,在井下使用寿命更长。研究结果可以为新型PDC切削齿的研发和高效PDC钻头的设计及应用提供指导。     

斧形PDC齿破岩规律数值模拟研究

斧形PDC齿具有独特的齿形,在破岩实验中表现出更好的破岩性能。但斧形PDC齿破岩规律和工作参数及齿形的优选方法不明确。因此,利用ABAQUS软件建立了斧形PDC齿切削岩石的三维有限元模型,通过有限元数值模拟方法分析后倾角、斧刃角对斧形PDC齿破岩效果的影响。结果表明:后倾角为15 °时,斧形PDC齿破岩效率最高;在后倾角相同的情况下,斧刃角越小,切向裂纹越易于向岩石内部发展,最优斧刃角为110 °。根据模拟结果,优化了斧形PDC齿钻头外形参数,并在现场试验中获得较好的效果。该研究结果可为斧形PDC齿钻头优化设计提供重要依据。     

基于ABAQUS的PDC钻头参数化布齿与破岩仿真

近年来PDC钻头在结构与类型上均发生了较大变化,这对布齿设计提出了更高的要求,而合理的布齿设计是保证PDC钻头使用寿命的关键。为此,提出了一种基于ABAQUS的PDC钻头参数化布齿设计与破岩仿真方法。该方法通过编写Python脚本代码对ABAQUS内核程序进行控制,可以自动读取数据库中PDC钻头的几何参数,实现PDC钻头的参数化布齿;快速完成模型网格的自动划分、接触对的自动设置以及载荷与速度等条件的定义等,简化了PDC钻头切削齿与岩石的破岩仿真模型的建立过程,实现仿真结果的输出与保存,方便对布齿模型破岩性能进行分析。通过与常规建模方法建立的布齿模型进行对比分析,证明了采用该方法建立布齿模型的正确性;对仿真结果中的扭矩进行了分析,并与前人试验结果进行对比,证明了仿真模型的正确性。采用该方法可大幅度提高布齿设计和破岩分析效率,缩短PDC钻头的研发时间。     

PDC钻头切削齿破岩温度场有限元仿真分析

基于有限元法对PDC钻头切削齿破岩过程中温度场做了研究,利用有限元软件模拟分析动态破岩,并采用温度-位移耦合显式侵彻接触算法研究破岩过程中切削齿的温度分布,建立了三维切削齿-岩石仿真模型,分析了单齿破岩过程中温度场的分布规律。分析结果表明,采用三维曲面岩石模型使仿真环境更接近PDC钻头切削齿破岩的实际工况,在切削齿施加转速边界条件的情况下,更能反映出切削过程中切削齿不同位置的温度分布情况;同一个齿的齿刃上因各点的线速度不同,温度分布也不同,齿刃切削区域上靠近钻头轴线侧的温度低于远离钻头轴线侧的温度。     

PDC钻头混合布齿参数对破岩的影响研究

为优化混合布齿PDC钻头切削结构,提高破岩效率,采用自主设计的试验装置,开展了常规PDC齿与锥形PDC齿混合异轨布齿间距和布齿高度差对破岩效率影响规律的试验和数值模拟研究。研究结果表明:锥形PDC齿的预破碎使岩石切痕间的"凸脊"产生损伤,越接近根部损伤越严重,且随着锥形PDC齿布齿间距的减小,损伤对"凸脊"的影响也越严重;在"凸脊"损伤严重的区域容易形成裂纹,裂纹的拓展使"凸脊"岩石产生体积破碎,形成破碎坑,从而使整个破岩过程的均值切削载荷变小,效率提高;合理的混合布齿间距和布齿高度差更有助于"凸脊"岩石产生体积破碎,可以有效降低常规PDC齿破碎岩石的机械比功、提高混合布齿PDC钻头的破岩效率。研究结果对混合布齿PDC钻头切削结构和布齿的优化设计具有重要的指导意义。     

非平面PDC切削齿破岩有限元仿真及试验

为了指导PDC钻头设计,对三棱形和斧形PDC切削齿、常规平面PDC切削齿的破岩性能进行了研究。利用有限元软件建立了PDC切削齿直线切削岩石和垂直压入岩石的三维有限元模型,模拟了相同布齿角度下、不同形状PDC切削齿垂直压入岩石和不同切削深度直线切削均质岩石及非均质岩石的过程,发现不同形状PDC切削齿的破岩过程存在明显差异。与常规平面PDC切削齿相比,三棱形PDC切削齿更易压入地层形成破碎坑;三棱形和斧形PDC切削齿破碎均质砂岩时所需的切削力较小,岩石产生的预破碎区域更大,破碎非均质岩石时的切向力波动幅度小,更易破碎岩石。根据模拟结果,设计研制了三棱形切削齿PDC钻头,并在钻进混合花岗岩地层时获得较好的效果。研究结果表明,有限元模拟可为PDC钻头设计提供参考。      

剪切帽技术对PDC切削齿的保护原理及应用

套管开窗侧钻施工或套管钻井结束后,需要使用专门的钻头或磨铣工具磨铣套管或钻穿浮鞋、套管钻头等套管组件,然后才能进行后续地层的钻进。传统工艺是采用两趟钻或一趟钻完成,两趟钻浪费时间和成本,一趟钻对PDC切削齿的伤害较大。Varel钻头公司研发的剪切帽技术,其原理是在套管开窗或钻穿浮鞋、套管钻头等套管组件时可提供剪切作用,同时保护主PDC切削齿面。进入地层后,剪切帽快速磨损脱落,使切削齿高效钻进地层。现场测试结果表明,剪切帽可有效保护PDC切削齿不受损坏,提高机械钻速。介绍了剪切帽技术原理及其现场测试情况,以期推动我国用于套管开窗和套管钻井施工的一趟钻系统的发展。     

新型旋转PDC切削齿钻头技术研究与应用

新型旋转PDC切削齿钻头技术可有效解决固定PDC切削齿偏磨问题,延长使用寿命,提高机械钻速,有利于提高钻井效率,降低钻井施工成本,是钻头技术的一大进步。介绍了传统固定PDC切削齿技术的缺陷和新型旋转PDC切削齿技术的技术原理、耐用性测试及钻头规格,分析了新型旋转PDC切削齿钻头的现场应用效果,并针对其发展趋势提出建议:建议研发能在更坚硬、研磨性更强的地层岩石中钻进的旋转PDC切削齿钻头,为干热岩储层开发和超深井钻井提速提效提供技术支撑;建议将旋转PDC切削齿技术应用于扩眼器,以延长其使用寿命。