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。     

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钻头切削齿破岩仿真与试验分析

为了利用计算机仿真技术对PDC钻头切削齿的破岩效果进行分析预测,并为PDC钻头优化设计提供数据依据,建立了PDC钻头切削齿破岩仿真模型,研究前倾角和侧倾角的变化对PDC钻头切削齿破岩效果的影响规律。仿真结果与试验结果对比分析证明所建立的PDC钻头切削齿破岩仿真模型可行。分析结果表明,前倾角在15°~20°时,PDC钻头切削齿破岩效果比较好,侧倾角在5°时破岩效果最好,且齿遭破坏的概率相对较低。     

PDC钻头扭转振动特性分析及减振工具设计

为了抑制PDC钻头在钻进过程中的扭转振动,建立了PDC钻头的扭摆模型,对PDC钻头切削齿切削岩石时的受力情况进行了分析,得出钻压和扭矩之间的关系,分析了钻压的波动对PDC钻头扭转振动的影响,根据分析结果设计了PDC钻头扭转振动的减振工具,给出了工具中螺旋升角的设计准则。研究结果表明:钻压的波动会直接造成PDC钻头的扭转振动,且钻压的波动幅度越大,PDC钻头的扭转振动越严重。设计的减振工具是通过将一部分波动的钻压转换为切削扭矩的方式来实现钻头处扭矩的平衡,从而抑制扭转振动,工具中螺旋升角的取值与PDC钻头切削齿的后倾角相关且成反比。研究结果为抑制PDC钻头的扭转振动提供了理论依据。     

PDC钻头布齿参数对其强度影响的研究

为了探寻PDC钻头的主要几何参数对其强度的影响,以适应软-中硬互层岩层的三翼内凹PDC钻头为例,利用ANSYS软件建立了PDC钻头有限元分析模型,并对模型在静载荷作用下的应力、位移进行了数值分析研究,得到了齿前角、侧转角等布齿结构参数对该PDC钻头切削齿强度的影响规律。计算结果表明,齿前角和侧转角的变化对切削齿强度的影响显著,为三翼内凹PDC钻头合理设计提供了依据。最后指出采用的数值分析方法也适用于其他类型PDC钻头的强度研究。     

高压水射流PDC钻头结构参数数值模拟研究

以中硬细砂岩为岩石材料,应用动态有限元法对高压水射流PDC钻头参数做了数值模拟研究。得出如下结论:(1)高压射流入射角对不同岩层存在最优值,对于中硬地层细砂岩最优入射角为40°;(2)PDC钻头钻进中钻齿所受扭矩随作用半径增大成指数规律增长,在硬地层钻进钻齿前倾角为-15°时破岩效果最佳;(3)采用直径1.8mm的高压小喷嘴射流能显著改善PDC钻头钻齿受力,避免钻齿冲击破坏,延长钻头寿命;(4)高压水射流与机械齿联合破岩时,喷嘴与钻齿相对位置对破岩效果有显著影响,喷嘴处于钻头外锥时,可均化钻齿受力,提高破岩效率。     

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。     

硬地层PDC钻头切削齿尺寸及后倾角优化设计

PDC钻头是目前石油钻井中使用较为广泛的一种破岩工具,但其在硬地层中的使用效果不佳,钻进效率低,使用寿命短。PDC钻头的切削齿尺寸、后倾角等是影响其钻进性能的重要参数,通过室内微钻头试验,综合考虑硬地层PDC钻头布齿设计中切削齿的重叠和覆盖情况,以相同钻压下微钻头在岩样表面旋转一周的切削深度作为评价其破岩效率的指标,分析了切削齿尺寸、后倾角等对硬地层PDC钻头破岩效率的影响。结果表明:在钻进可钻性超过Ⅵ级的硬地层时,.切削齿尺寸越大,其破岩效率越低;钻进可钻性为Ⅵ—Ⅶ级的硬地层时,13.44 mm.切削齿的破岩效率最高,其最佳后倾角为15°。      

硬地层PDC钻头设计的探讨

目前的PDC钻头只能有效地钻进软到中硬的比较均质的地层 ,而在硬的、研磨性和软硬交错等非均质地层中 ,或钻速低 ,或寿命短。为此 ,研究分析了剖面形状、切削齿布置、切削齿工作角、副切削齿等设计对PDC钻头性能的影响 ,提出了以同时加强钻头的稳定性、耐久性和钻进能力为目标的设计观点和建议。研制的新型PDC钻头采用了短抛物线形剖面和楔形人造聚晶金刚石孕镶块辅助切削齿结构 ,中密度布齿 ,切削齿后倾角由内向外在 10～ 15°范围内变化。试验表明 ,与牙轮钻头相比 ,PDC钻头钻速提高了 5 9 6 % ,每米钻井成本降低了 2 6 %。     

PDC齿压入破岩过程的岩石裂纹特征试验研究

PDC齿是PDC钻头的重要破岩单元,其破岩过程包含压入和旋转切削,但现有研究忽略了压入过程的岩石损伤。为了研究PDC齿压入岩石的能力和探究岩石损伤机理,为PDC钻头的参数选择提供理论依据,采用室内试验方法研究了不同前倾角PDC齿压入青砂岩、花岗岩的破岩过程,采用岩石无损显微检测技术分析了岩石宏观及细观的裂纹。研究表明,砂岩的破碎方式为细小砂粒和黏结物的脱落,花岗岩的破碎方式为晶体的脆性破碎。岩石受载后会先在岩石内部薄弱地方萌生出单一的微裂纹,微裂纹连贯扩展形成主裂纹,主裂纹持续扩展形成宏观可见的裂纹;主裂纹附近为薄弱区域,其内部包含很多尚未成形的微裂纹;接触区域的齿尖处为应力集中区,主裂纹沿此开裂。岩石损伤过程随着前倾角的变化而变化,20°前倾角PDC齿压入青砂岩的能力最强,25°前倾角PDC齿压入花岗岩的能力最强;压入深度小于4 mm时,5°前倾角PDC齿压入岩石的能力最差。研究结果对于揭示岩石的细观与宏观损伤机理、建立PDC钻头破岩的评价方法和优化PDC钻头的设计参数及工作参数等具有重要作用。     

考虑围压及岩石强度的PDC单齿破岩数值模拟

采用显式动力学中侵蚀接触的有限元分析方法,对PDC齿切削岩石进行了数值模拟,研究了围压强度对PDC齿切削力的影响,分析了不同齿径及后倾角对PDC齿破岩效率的影响规律.模拟结果较好地反应了PDC齿的剪切破岩机理,且后倾角增大,剪切破坏难度加大;围压使岩石强度增大,破岩难度增加;考虑软、硬地层时,分别选用10°、19 mm和15°、13 mm的后倾角及齿径组合能获得最高的破岩效率.     

基于离散元法的砾岩地层三棱齿切削破岩数值模拟

三棱齿因具有强抗冲击性与高耐磨性,可提高PDC钻头在砾岩地层中破岩效率及寿命,但在砾岩地层中的破岩机理及破岩效果不明确,导致砾岩地层中三棱齿PDC钻头设计缺乏理论依据。针对上述问题,基于离散元法建立了三棱齿切削破碎砾岩的数值仿真模型,研究不同砾石与胶结物基质黏结强度差情况下砾岩破岩形式与过程,并分析了三棱齿直径及后倾角对三棱齿切削力及砾岩破碎过程中岩石裂纹拓展的影响。结果表明：在黏结强度差大于70 MPa时,砾石会直接被剥离,而强度差小于40 MPa时,砾石直接被破碎;2种黏结强度差情况下,三棱齿直径为16 mm,后倾角为15°时,切削破碎砾岩效率均能达到最高。该研究对三棱齿PDC钻头设计具有理论意义。     

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。      

PDC切削齿破碎干热岩数值模拟

开采干热岩地热资源大多都需要在硬度大、研磨性强、可钻性差、温度高的地层中钻井,PDC钻头的合理布齿是提高破岩效率的关键。为了给干热岩钻井用PDC钻头的设计提供参考,基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的强度准则,建立了PDC切削齿动态破岩的三维数值仿真模型,研究了60 MPa围压条件下切削深度、温度、后倾角、切削速度对PDC切削齿破岩效率的影响以及影响机理。研究结果表明:①PDC切削齿以0.5 m/s的速度切削岩石,PDC切削齿(后倾角5°～25°)的破岩比功随切削深度的增加而减小,随温度的增加呈现出先增大后减小的趋势,临界温度为200℃;②PDC切削齿以0.5 m/s切削速度切削岩石,PDC齿(切削深度1～3 mm)的破岩比功随后倾角增加呈现出先减小后增大的趋势,最优破岩后倾角为20°;③岩石温度处于20～300℃的范围内,PDC齿以后倾角5°进行破岩,破岩比功随切削速度的增加而增大,任意切削速度下,破岩比功随切削深度的增加而减小。结论认为:在干热岩钻井中,采用浅内锥、大冠顶、长外锥的钻头外形结构,增加冠顶处布齿密度、降低中心处布齿密度、20°后倾角,可以释放岩石围压、均匀切削齿磨损、增加切削深度、降低破岩比功、提高钻井效率。     

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。     

横振钻井模式下PDC钻头切削齿工作角度计算

PDC钻头切削齿的切削载荷与齿的切削工作角度有直接而密切的关系，所以正确地分析和计算齿的切削角度，是齿的切削载荷以及钻头工作载荷分析的基础和前提。对横振钻井模式下PDC钻头切削齿的切削工作角度作了严格的定义，利用空间解析几何以及向量分析的数学理论和方法，推导出齿刃轮廓线上任意点的前倾角和刃倾角的计算公式，分析和探讨了钻头的横向运动速度对PDC齿切削工作角度的影响规律。     

苏里格区块上部井段PDC钻头研究与应用

大量的钻井实践证明,PDC钻头的剖面形状、切削齿尺寸、后倾角的大小、布齿密度的高低和流道喷嘴设计,对PDC钻头破岩效率和使用寿命有着十分重要的影响。针对苏里格区块2800 m以上井段地层特点,采用现场实践和数值模拟相结合的方法,确定出合理的剖面形状、切削齿尺寸及后倾角、布齿密度和水力结构,研制出?215.9 mmG1943型PDC钻头,该型号钻头在苏里格地区上部井段应用了10井次,平均单只进尺2154.31 m,平均机械钻速26.21 m/h,与临井对比机械钻速提高了29.62%。该型号钻头使用寿命长、机械钻速高,具有很高的推广应用价值。     

钻头切削齿破碎岩石的温度变化试验及机理分析

钻头切削齿是破碎岩石的核心部分，在破岩过程中做的绝大部分功会转换成切削热，导致切削齿温度升高，目前对切削齿温度的影响研究成果主要集中在切削深度、切削速度及切削齿结构方面，但对于岩石特性对切削温度影响程度和机理的认识尚不明晰。为此，在自制的MDES 2000微钻平台上，开展了砂岩、大理岩、花岗岩以及玄武岩等4种典型岩石的钻进试验，基于岩石破碎力学模型和数值分析结果，探讨了岩石特性对切削温度的影响程度并进行机理分析。研究结果表明：①在相同的钻进参数下，岩石强度直接影响不同岩石钻进深度，导致岩石破碎模式（塑性、脆性）的转变，从而造成不同岩石切削温度的波动差异，砂岩、大理岩发生塑性破碎，温度波动范围约为±0.5 ℃，而花岗岩、玄武岩则发生脆性破碎，切削齿温度波动范围约为±1.5 ℃；②岩石强度是影响切削温度温升速率变化的重要因素，强度越大所需切削力越大，产生切削热增加，导致4种不同岩石钻进时温升速率随岩石强度的增加而逐次递增；③岩石破碎力学模型和前、后刀面温度分析结果表明，切削齿前刀面起主要的切削作用，是造成不同岩石的切削温度波动程度的主要因素。结论认为，钻进试验与数值模拟所得到的温度变化趋势基本吻合，该成果可以为钻头切削齿工作寿命研究提供借鉴和参考。