PDC钻头布齿技术研究综述

PDC (polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头是当今油气钻井领域的主要破岩工具,具有耐磨性高、机械钻速高和破岩效率高等优点。PDC切削齿作为切削单元,决定了PDC钻头的破岩性能。PDC钻头布齿的目的是确定每颗PDC切削齿在钻头上的空间位置,使得钻头在钻井破岩时具有优良的性能和可靠的寿命。基于不同布齿技术设计的PDC钻头在钻井过程中表现出不同的破岩性能。因此,PDC钻头布齿技术得到了国内外学者的广泛关注。现已有大量学者针对PDC钻头自诞生以来的布齿技术做了相应研究,但目前仍缺乏系统性的总结。为此,以近年来国内外关于PDC钻头布齿技术的文献为基础,总结了PDC钻头自诞生以来的布齿技术的发展历程,主要包括早期布齿阶段、经典布齿阶段和现代布齿阶段。通过对PDC钻头布齿技术发展历程的分析与总结,指出复合PDC钻头、兼容智能化PDC钻头、长寿命PDC钻头、力平衡PDC钻头、冲击与振动下PDC钻头以及特殊地层下PDC钻头的布齿技术是未来的发展趋势。研究结果可为后续的PDC钻头布齿技术研究提供一定的参考,有望推动PDC钻头布齿技术的进一步发展。     

硬地层中新型PDC齿破岩机理及试验研究

随着油气开采不断向深部硬地层发展,常规PDC（polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片）钻头出现破岩速度慢、易损坏、效率低等问题,难以满足当下提速增效的钻井需求。PDC切削齿结构是提高PDC钻头破岩效率的关键因素,针对不同岩石地层进行不同结构切削齿的设计具有重大意义。针对深部硬地层钻井,设计了一种非平面结构的新型PDC齿,该PDC齿具有脊形切削结构且可分层破碎岩石。为掌握此新型PDC齿的破岩机理和各项性能,采用有限元仿真模拟与试验相结合的方法,开展了新型PDC齿与常规PDC齿破岩过程的对比研究。结果表明：新型PDC齿在水平方向、横向和纵向三个方向所受切削力的均值及波动幅度均较小,因此新型PDC齿在破岩过程中有更稳定的切削能力;新型PDC齿受剧烈磨损和冲击崩断的可能性更小,使用寿命更长,且具有更高的破岩效率。研究结果可为新型PDC齿的研发和推广提供理论依据,为PDC钻头在硬地层钻井过程中实现提速增效提供支撑。     

关于PDC钻头破岩效率的研究

钻头作为钻进过程中主要的破岩工具,其质量的优劣直接影响钻进速度以及钻井的质量和成本。PDC钻头作为金刚石钻头的一种,其在低钻压下可以获得比较好的进尺和钻速,因而得到了广泛的应用。对于PDC钻头,其切削齿尺寸、后倾角和布齿密度是影响其性能的重要参数,本文通过对PDC钻头的室内试验,探讨了切削齿尺寸、后倾角和布齿密度对PDC钻头破岩效率的影响。     

变温变载影响下PDC钻头的动态磨损趋势预测

传统的PDC （polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）钻头磨损预测方法未考虑切削齿温度、切削受力和磨损的动态变化过程，使得磨损预测结果存在偏差，从而导致钻头磨损后受力恶化、快速失效。为解决这一问题，基于磨料磨损理论、微积分基本理论以及迭代算法，构建了PDC钻头切削齿体积磨损量和线磨损量之间的函数关系以及切削齿隐式线磨损模型，提出了PDC钻头动态磨损趋势预测方法，并对某直径为215.9 mm的六刀翼PDC钻头展开磨损趋势预测。结果表明，当PDC钻头未磨损时，其内锥齿的初始受力较大，切削齿齿体温度普遍偏高；随着PDC钻头的不断磨损，其外锥齿的受力呈快速增大趋势，切削齿齿体温度逐渐降低。在破岩初期，PDC钻头冠顶齿的磨损最为严重，外锥齿的磨损速度最快；一段时间后，外锥齿的磨损最为严重。研究结果可为磨损钻头破岩受力特性分析、基于磨损的PDC钻头布齿设计、地热钻头设计以及钻头寿命预测等提供理论基础与支撑。     

分离式冲击-刮切复合钻头破岩机理及钻进破岩研究EI北大核心CSCD

随着油气勘探开发的不断深入,传统PDC钻头在深部地层钻进过程中的黏滑、回弹震荡等问题愈加突显,为此提出一种新型冲击-刮切复合PDC钻头,并基于该钻头分离式冲击-刮切的工作原理,开展了单元齿冲击、单元齿切削以及冲击-刮切复合破岩的试验与数值模拟。结果表明,冲击齿冲击岩石产生冲击坑,使冲击坑7 mm范围内岩石强度显著降低,同时可降低切削齿所需切削力,形成了较大切削岩屑,并影响冲击坑附近应力分布。同时基于正交试验,对冲击参数和切削参数的敏感性进行分析,探究各因素对冲击-刮切复合破岩的影响规律,结果表明影响较大的因素分别是冲击位置、切削速度、冲击齿类型以及切削深度。采用全尺寸钻头对比分析常规PDC钻头和复合钻头破岩井底形貌,发现复合钻头井底破碎体积更大。研究内容对研制和应用新型冲击-刮切复合PDC钻头具有重要参考价值。     

适合中硬到硬地层PDC钻头研制与应用

本文通过台架试验，对影响PDC钻头破岩效率的钻头剖面形状、切削齿尺寸、后倾角和布齿密度四个关键参数进行对比分析，研制出适合于中硬到硬弱研磨性地层的新型PDC钻头。在冀东油田进行了试验应用，其单只钻头进尺和机械钻速都比其他厂家钻头有了很大提高，显著提高了钻井效率。     

新型环嵌式PDC钻头几何特性与三维破岩力学研究

为克服现有一体式金刚石复合片受冲击后聚晶金刚石层大面积剥损脱落、钝化严重的不良现状,而导致复合片切削功能快速丧失的问题,提出一种新型嵌入式聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC).基于均布式的设计理念,结合正六边形中的三角稳定性质,设计出六齿环绕中心齿的环嵌式复合片,并将其镶嵌在新钻头的肩部.同时,结合现场试验,将新型PDC钻头与常规PDC钻头进行对比.研究结果表明:嵌入齿与硬质合金母体通过钎焊焊接,既发挥了聚晶金刚石层的高度耐磨性,又较好地结合了硬质合金母体良好的抗冲击性能;与常规金刚石复合片相比,环嵌式PDC在破岩过程中具有较强的地层"吃入能力",各磨损阶段均有不同的聚晶金刚石层参与破岩,有效避免了一体式复合片的应力集中现象.根据建立的环嵌式PDC三维切削力学分析模型,求解了岩体在剪切力作用下的局部位移和应力.通过嵌入方案的调整,可将磨损规律分析模型应用于其他组合方式的新型金刚石复合片.研究结论对聚晶金刚石复合片的磨损规律、切削性能及新型PDC钻头的研究具有重要的参考价值.     

PDC钻头设计

PDC钻头的设计包括冠部形状设计、布齿设计和水力结构设计,文中结合胜利油田的地层特点,将理论设计与实践相结合,进行了PDC钻头设计。     

棱锥齿-半抛齿物探钻头的设计及破岩仿真

在川渝地区复杂难钻地层的钻井勘探中,常规物探钻头存在破岩效率低、钻进速度慢、钻头使用寿命短、作业成本高等不足。因此,设计了棱锥齿和半抛齿两种新型硬质合金齿,并结合这2种齿的结构和工程实际设计了棱锥齿-半抛齿物探钻头,在钻头中间端面布置棱锥齿,边缘锥面均匀布置半抛齿。分析了棱锥齿和半抛齿的破岩机理,并采用有限元仿真方法,开展了棱锥齿与锥形齿、半抛齿与球形齿破岩的对比研究。结果表明：在冲击载荷和钻压作用下,相比于锥形齿,棱锥齿在岩石内部产生的应力更为集中;相比于球形齿,半抛齿切削刃切削挤压岩石时,在接触区域产生的应力更为集中;棱锥齿和半抛齿更容易破碎岩石,其破岩效率得到提高。开展了棱锥齿-半抛齿物探钻头和常规物探钻头的破岩仿真。结果表明：与常规物探钻头相比,棱锥齿-半抛齿物探钻头的钻进速度提升了38.3%,钻头的轴向加速度波动幅度减小了13%。研究结果可为棱锥齿-半抛齿物探钻头的研发提供理论支撑。     

强研磨性地层中PDC钻头井底热-流-固三场耦合研究

PDC（polycrystalline diamond compact， 聚晶金刚石复合片）钻头在强研磨性地层中破岩时，其钻齿在刮切破碎岩石的同时与岩屑、岩石剧烈摩擦，产生的局部高温加快了钻齿的磨损失效，这会极大地缩短整个钻头的使用寿命。因此，探究温度对PDC钻头磨损的影响并改进其水力结构对提升单个钻头的进尺深度和降低钻井经济成本有显著意义。为此，通过钻齿切削实验来验证其温度与磨损之间的关系，并在考虑井底钻井液流动状态及其与钻齿之间对流换热的基础上，建立了PDC钻头井底热?流?固三场耦合模型，分析了井底钻井液与PDC钻头之间的相互作用，同时针对原有的PDC钻头水力结构提出了优化措施。结果表明：1）在钻齿切削过程中温升现象十分明显，说明温度是影响PDC钻头磨损的重要因素；2）PDC钻头井底流场呈热?流?固耦合状态，且钻井液流动状态对其钻齿换热的影响大，这为钻头水力结构的优化提供了方向；3）通过调整喷嘴的流量及角度等水力结构，降低了钻齿的平均温度，可有效改善PDC钻头的磨损情况。研究结果对强研磨性地层中钻头的优化设计有重要指导意义。     

混合式单牙轮钻头破岩性能研究

在石油钻探过程中,优质的钻头对于降低钻井成本和提高钻井效率至关重要。通过设计,将牙掌结构与牙轮结构相连接,并且分别在牙轮和牙掌上安装锥形齿和PDC齿,从而设计出一种新型的混合式单牙轮钻头。该混合式单牙轮钻头较一般单牙轮钻头多了PDC齿,利用冲击和剪切原理破岩。牙轮大端通过井底中心,所有齿圈与井壁接触,在破岩的同时可以起到保径作用。建立了混合式单牙轮钻头与岩石相互作用的有限元模型,并对钻头井底模型、牙齿主切削力和破岩体积进行了仿真分析。通过台架实验对数值模拟得到的钻压和进尺量进行验证。研究结果表明,数值模拟得到的钻压和进尺量与台架测试结果相符,破岩载荷规律与钻头结构设计特点一致。混合式单牙轮钻头与球形单牙轮钻头相比,侧向力减小39.6%,破岩效率提高37%。使用该混合式单牙轮钻头钻井时稳定性更高,可以减小井斜发生的概率。根据结果可知,数值模拟在研究该混合式单牙轮钻头破岩规律中是有效的,该方法为钻头进一步设计及其工作特性的评估提供了依据。     

定向随钻扩孔PDC钻头优化设计及应用

油气井定向随钻扩孔钻井技术主要用于优化井身结构、提高固井质量及预防复杂地层缩颈卡钻等事故的发生,适用于该钻井技术的破岩工具为扩孔钻头。根据塔河油田深井定向随钻扩孔钻井的实际需要,开展了新型钻头的研发。通过对PDC（polycrystalline diamond compacts,聚晶金刚石）钻头扩孔结构、冠部形状、布齿结构等方面进行优化设计,开发出CK306B型定向随钻扩孔PDC钻头,其中钻头扩孔结构采用二级扩孔设计方案,钻头领眼段的冠部采用“微凸冠顶”结构,钻头的布齿结构根据自平衡原理设置,并对新型随钻扩孔PDC钻头进行稳定性和水力特性的仿真分析。该型钻头在塔河油田深井定向随钻扩孔钻井工程的实际应用中取得良好的使用效果：扩孔井径大于170 mm的设计扩孔井径要求,造斜率达到9.9°/30 m;扩孔钻头平均进尺达到93 m,机械钻速为1.24 m/h,分别比国外同类钻头提高50%和4%。研究结果表明：新型定向随钻扩孔钻头在深井条件下钻进是可行的,能够满足井眼轨迹控制和定向扩孔的要求,且将钻头的不平衡系数控制在0.05以内,能提高钻头的稳定性,减少钻头异常失效现象,从而延长钻头的使用寿命。     

Self-rotatory performance of conical cutter interacted with rock material

Conical cutters work on high impact and stress condition, which easily results in failure. The percentage of failure due to wear is about 75%. More importantly, self-rotatory ability of conical cutters is the key factor on its wear. However, the mechanism of self-rotatory has not been further studied until now. Thus, firstly in this paper, three probable rotating states of cutter interacted with rock material were analyzed in theory, and the hypotheses about influence of rotary kinetic and resistance torque were proposed. Then, the influence of cutting types, working angle parameters and structural parameters on self-rotatory performance of cutter was studied using cutting test-bed for rock material. The experiment results indicate that, conical cutters really have self-rotatory ability when interacted with rock material, which owes to asymmetrical cutting load; the rotatory angle of cutter decreases gradually with cutting angle, and increases with incline angle; the change of rotatory angle caused by cutting angle is about 60°, while almost 360° for incline angle when the rotation angle of cutter is less than 360° in a certain cutting time; the rotatory angle almost shows a linear increasing trend with cutter-body length and the interval between cutter-handle and cutter-holder, decreases linearly with cutter-handle length, while increases at first and then decreases with cutter-handle diameter; among these four structural parameters, the influence of interval between cutter-handle and cutter-holder is greatest about 200°, followed by cutter-body length, and the last is cutter-handle length and cutter-handle diameter. At last, comparing the experiment results and hypotheses about influence of rotary resistance torque, it can be seen that, the dominant factor on self-rotatory ability of cutter is not friction resistance between cutter and cutter-holder but the duration that cutter with no rotary resistance torque.     

线型聚能装药切割器系统参数研究

为满足某新型战斗部的要求 ,基于定常理论设计了线型聚能装药切割器。利用紫铜和钢药型罩切割器对不同厚度的钢板进行了切割试验 ,得到了一组切割器参数及相应的切割深度。对实际的与理论计算的切割深度进行了比较 ,结果表明 :装药量较大的线型聚能装药切割器 ,其实际切割深度略大于理论切割深度 ,可以满足某新型战斗部的要求 ;同时表明 ,对于小型切割器 ,利用公式 p =2 ·sinα·L ρj/ ρt计算侵彻深度是可行的     

线型聚能装药切割器系统参数研究

为满足某新型战斗部的要求 ,基于定常理论设计了线型聚能装药切割器。利用紫铜和钢药型罩切割器对不同厚度的钢板进行了切割试验 ,得到了一组切割器参数及相应的切割深度。对实际的与理论计算的切割深度进行了比较 ,结果表明 :装药量较大的线型聚能装药切割器 ,其实际切割深度略大于理论切割深度 ,可以满足某新型战斗部的要求 ;同时表明 ,对于小型切割器 ,利用公式 p =2 ·sinα·L ρj/ ρt计算侵彻深度是可行的     

岩石控界切割锥形聚能射流的优化设计及试验

对聚能装药形成射流冲击岩石展开研究,通过线性聚能装药和锥形罩聚能装药的爆炸破岩对比试验、数值模拟以及岩石断裂力学分析认为,采用锥形罩聚能装药结合初始裂纹形式时,能量利用率更高,能对岩石产生更好的劈裂效果。为得到高速锥形射流,运用正交分析和数值仿真对聚能装药进行了优化设计,优化后的锥形罩聚能装药的参数为:炸高15 mm、药型罩锥角84°、药型罩厚度1.35 mm。优化后的岩石劈裂试验中,两个锥形罩聚能装药同时爆炸作用于岩石,在初始裂缝的引导下形成了长度达120 cm的定向平直裂纹。该试验验证了多点锥形罩聚能装药应用于岩石控界切割技术的有效性,可应用于精细化要求的边界控制爆破。