复合钻井模式下PDC钻头钻进仿真研究

PDC钻头在井底的受力将影响到PDC钻头钻进效率及切削齿的磨损,尤其是在复合钻井模式下,切削齿与岩石互作用更加复杂。鉴于此,提出一种新的基于三维建模理论的复合钻井模式下PDC钻头钻进仿真方法,目的在于通过仿真结果对复合钻井用PDC钻头的切削参数进行评价。该仿真方法首先是建立复合钻井模式下PDC钻头预钻井底模型,PDC钻头按照设定钻进模式运动,将切削齿作为刀具对岩石进行虚拟切削,仿真过程中建立各切削齿的切削带模型,通过切削带计算各切削齿的接触弧长、接触面积和切削体积。理想工况与复合钻井模式下仿真结果对比表明,新的复合钻井模式下PDC钻头钻进仿真方法能够满足复合钻井模式下对切削参数的定量化评价需求,具有较好的仿真精度以及可视化效果。     

新型多重复合切削钻头的研制

为提高钻头在研磨性硬地层中的机械钻速,延长钻头寿命,研制了新型多重复合切削钻头。该钻头采用"PDC复合片+锥形PDC齿+金刚石孕镶块"3级切削结构,以PDC复合片作为1级切削元件、以锥形PDC齿作为2级切削元件,以金刚石孕镶块作为3级切削元件。多重复合切削钻头具有PDC钻头、牙轮钻头和孕镶金刚石钻头的优点,使钻头既具有较高的机械钻速,又能保持较长的寿命。在青海东坪地区基底花岗岩地层的现场试验中,新型多重复合切削钻头进尺137 m,纯钻时间114.9 h,机械钻速1.19 m/h,比同井段HJ537G牙轮钻头进尺提高128.3%,机械钻速提高40%。多重复合切削钻头为强研磨性硬地层钻井提速提供了一种新型高效的破岩工具。     

基于UG/OPEN的PDC钻头切削参数仿真方法

采用仿真方法进行PDC钻头切削参数的量化是钻头个性化设计的重要技术手段。为提高PDC钻头钻进仿真的效率及精度,并与钻头三维设计系统实现无缝连接,在PDC钻头切削参数理论及切削量计算方法的基础上,利用UG软件的布尔运算功能进行了二次开发,基于UG/OPEN快速获取切削量的原理建立了PDC钻头井底模型,将钻头的切削过程等效为几何结构的布尔减运算,通过数值运算获取切削体积、接触面积、切削力等参数。研究结果表明,切削参数仿真结果与既有数值方法仿真结果的变化趋势相同,并且具有更高的精度和仿真效率。基于UG/OPEN的PDC钻头切削参数仿真方法为切削参数获取提供了一种新的方法,可以为个性化PDC钻头的快速设计提供参考。      

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钻头复合片磨损规律研究

在理论分析的基础上,建立了一种简便实用的复合片磨损实验方法,即采用了复合片在车床上磨损方式模拟ＰＤＣ钻头切削齿切削岩石的方法进行了大量的实验研究。研究分析了复合片齿的体积磨损速度与切削正压力、切削线速度、磨损弦长及岩性间的关系,并由实验结果得出了复合片磨损速度模式。     

PDC钻头切削齿受力模拟实验装置研究

针对原有PDC钻头单齿受力实验装置的不足,研究设计了PDC钻头切削齿受力模拟实验装置。设计的实验装置可以模拟PDC钻头三齿组合状态下的切削齿受力;通过调节装置可以模拟PDC钻头不同冠部形状、布齿密度、复合片大小等几何参数;设计的三轴测力传感器可以测量相互垂直且相互不受影响的3个力(轴向力、侧向力、切削力)。实验装置灵敏度高,整体性能可靠,获得的实验数据准确有效,对PDC钻头参数优化设计具有十分重要的意义。     

PDC钻头新进展及发展思考

为了提高钻井破岩效率和延长钻头使用寿命,减少起下钻次数,缩短钻井周期,降低钻井作业成本,国外近年研发了一系列新型PDC钻头。分析了全球PDC钻头市场发展趋势,总结了PDC钻头新进展及现场应用情况,包括基于加工制造的新型PDC钻头、基于切削齿形状设计的新型PDC钻头、基于切削齿布齿的PDC钻头、复合PDC钻头、用于页岩储层的定向PDC钻头以及用于地质评价的微芯PDC钻头。结合我国PDC钻头技术现状,提出了我国PDC钻头需要对破岩机理、高温耐磨材料、加工制造工艺、切削齿形状、结构和个性化钻头等方面开展攻关研究。同时指出,及时了解和掌握国外PDC钻头技术的最新进展,对优化我国PDC钻头技术的发展规划和科研方向,以及加快PDC钻头的研发具有重要意义。     

PDC钻头的五点测绘理论研究

通过分析PDC钻头的布齿情况,建立了钻头圆柱坐标系O1RθH和切削齿位置坐标系O2XYZ,定义了三个切削齿的空间角度(,β,γ).在此基础上,运用PDC钻头几何学和空间解析几何学中的四点共面、行列式、坐标变换的知识,提出并推导出了PDC钻头的五点测绘理论及系列公式.五点测绘理论用于利用复合片上的任意五个测绘点(其中任意三点都不共线)坐标求出复合片的空间位置参数和空间方向参数;达到检验和测绘PDC钻头、检验模拟软件的目的.     

Halliburton公司的能量平衡牙轮钻头

Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ公司的能量平衡系列牙轮钻头采用了动态平衡、牙轮定位和防钻头齿痕设计等 3项专利技术。通过专用软件优化设计牙轮钻头来提高钻井性能 ,减小牙轮钻头齿及齿面与岩层接触时的振动。平衡技术是用来提高聚晶金刚石复合片 (ＰＤＣ)钻头的可靠性和工作性能的 ,这项技术使 3个牙轮具有接近平衡的工况 ,即每个牙轮切削的岩层量相近 ,施加在每个牙轮上的力近似相等。钻头通过一个牙轮定位系统优化定位牙轮来提高钻井速度 ,减少钻头齿及齿面的损坏。安全的ＤＢＳ计算机钻井模拟系统可确定牙轮切削岩层的方向 ,操作者可通过牙…     

PDC钻头技术的新进展

近年来,国外ＰＤＣ技术和ＰＤＣ钻头技术有了长足的进步,出现了许多新概念、新技术和新产品。简要介绍了几种新型ＰＤＣ切削齿,如装有两层金刚石片、可显著延长钻头寿命的ＴｅｃＭａｘ切削齿,为适应特定岩性而增加金刚石厚度、可提高新钻头耐用性的ＳｏｎｉｃＭａｘ切削齿,以及能在恶劣作业条件下增加使用寿命的ＣＬＡＷ和 ＲＩＮＧ ＣＬＡＷ切削齿。还分别介绍了近期开发出的几种新型钻头,包括根据以扭矩的有效控制为基础的双扭矩概念而设计的新一代ＰＤＣ钻头,通过重新优化钻头的机械钻速、稳定性和耐磨性之间的关系而设计的、具有独特切削结构的多（异）尺寸切削齿钻头,以及由孕镶金刚石刮刀、ＰＤＣ切削齿和热压孕镶金刚石组成的多重切削结构钻头等     

PDC钻头的应用现状与发展前景

PDC钻头是20世纪80年代研制出的一种以人造聚晶金刚石为切削齿的聚晶金刚石复合片钻头,该钻头能显著提高钻井效率而且使用寿命长。详细介绍了PDC钻头的应用现状,以及近年来在钻头水力学、PIV与PDA研究方法与应用、CFD研究和PDC钻头设计等方面取得的进展。最后就PDC钻头将来的发展前景做了展望。     

新型稳定PDC技术可减少坚硬岩石层钻井成本

以往最坚硬、耐磨性极强的岩石地层 ,如东得克萨斯和北路易斯安娜州的TravisPeak、Hosston和Bossier含油砂岩区域几乎全部采用滚动牙轮镶齿钻头钻进。只是在主要由页岩和石灰岩组成的地层进行小直径井眼钻进时采用聚晶金刚石复合片 (PDC)钻头。在过去 5～ 1 0年间 ,PDC钻头在设计和切削刀具技术方面取得的重大进步使其能更多地应用于坚硬岩石的边缘地带。PDC钻头设计和目前切削技术的进步拓宽了PDC钻头的应用范围 ,使以前只能采用IADC 6、 7和 8级镶齿钻头的地层 ,也可以采用PDC钻进。这项新技术使PDC真正成为坚硬岩层钻进的一种…     

复合冲击破岩数值模拟研究及现场应用

为了探究复合冲击载荷作用下聚晶金刚石复合片钻头（PDC）的破岩机理，利用ABAQUS有限元软件建立了PDC单切削齿-岩石相互作用的数值模型，模拟研究了常规切削、单轴向冲击、复合冲击下岩石破碎过程，分析了复合冲击破岩机理。结果表明：在复合冲击作用下，轴向载荷分量能够增加切削齿切削深度，同时切向载荷分量的剪切作用使岩石产生大体积破裂。相比于常规钻进，应用复合冲击钻井后机械钻速提高了26.2%。研究成果可为复合冲击钻井技术的现场应用提供理论参考。     

双流道PDC钻头超高压系统的设计

为了充分有效地利用井底水力能量,使水射流与切削齿联合作用破碎岩石,提高破岩效率,设计了超高压双流道PDC钻头。在不改变普通PDC钻头基本设计原理和方法的基础上,进行了该钻头超高压系统关键部件的设计包括高压合金管和定心夹具的材料和尺寸的设计;喷嘴结构和参数的设计,以及超高压流道的计算和设计。室内模拟试验表明(1)超高压喷嘴安装在钻头刀翼上能辅助PDC切削齿破岩;(2)定心夹具解决了高压合金管上部与增压器高压合金管的同心扶正和高压合金管在钻头中的固定问题,同时钻井液也能顺利下行到钻头。     

一种可钻硬地层的PDC钻头

美国Hughes Christensen Genesis公司研制成功的ZX聚晶金刚石复合片（PDC）钻头，是为极端钻井而设计的，适用于硬质岩层和磨蚀性岩层。该钻头牙轮可抗磨蚀，其水力学设计可使牙轮有效地偏离钻头运动。此外，其高稳定性可适用于交互层钻井。副牙轮元件的设计使牙轮密度达到最大。顶部牙轮采用层状金刚石技术，以提高抗磨蚀和韧性为目的。在该钻头的切削面积上．有高密度的牙轮和副牙轮组合。副牙轮元件位于牙轮下方，当牙轮磨损或磨蚀后，副牙轮新的锐利切削机构就开始磨削地层。该公司的切削深度控制技术可平衡钻头的工作载荷，平稳的切削技术无须限制切削面积，就可减少钻头磨损。该钻头的水力结构依靠流体动态计算程序来实现液流平衡、牙轮冷却和抗冲蚀等的优化。     

PDC钻头布齿参数与地层适应性的试验研究

根据地层性质合理选择或设计PDC钻头可以显著提高钻井效率。为指导PDC钻头合理选型及个性化设计,选取21只试验钻头,在6种不同可钻性级别的岩石上进行钻进试验,研究了在钻进不同可钻性级别的岩石中切削齿尺寸、后倾角、布齿密度的合理取值问题。结果表明:(1)当岩石可钻性级别小于Ⅲ时,破岩效率随切削齿尺寸的增大而增大;(2)当岩石可钻性级别大于Ⅲ时,16 mm切削齿的破岩效率最高;(3)切削齿尺寸对破岩效率产生不同影响规律的岩石可钻性级值分界点为3.11;(4)在6种不同可钻性级别的岩石中,随切削齿后倾角增大,破岩效率均呈线性规律降低,但随着岩石可钻性级别的增大,后倾角对破岩效率的影响程度降低;(5)在不同可钻性级别的岩石中,随着布齿密度增大,破岩效率均呈幂函数规律降低。该研究成果为按岩石可钻性级别合理选择PDC钻头提供了依据。     

PDC钻头的最新发展与应用

以近年来国内外期刊杂志和产品说明书为基础，从ＰＤＣ复合片的生产、钻头设计制造、现场应用及理论研究等方面阐明了ＰＤＣ钻头发展过程及现状。介绍了ＰＤＣ钻头在各种钻井作业中的应用及几种新型ＰＤＣ钻头的特点。列举了国内外ＰＤＣ钻头的应用实例和取得的技术经济效益。     

TUZ区块个性化高效破岩钻头优选和应用

近年随着TMG油田增储上产需要,TUZ区块深井逐步增加,勘探开发难度不断增大。因此在保证井身质量的同时,优选出地层适应能力强、穿夹层性能好、抗研磨性强的个性化高效破岩钻头,提高机械钻速,缩短施工周期,安全快速完成钻井作业,是TUZ区块提速上产的重要途径。文章通过TUZ区块已用钻头调研,从降低施工扭矩和钻压、增加岩屑导流面积、强化稳定切削和延长钻头工作寿命等方面考虑,对PDC钻头复合片进行梯度合金齿技术处理,通过抗冲击性复合片技术和针对性个性化钻头设计的优势结合,实现PDC钻头切削材料性能的提高和钻井施工极端环境的延展,对比优选出个性化高效破岩钻头序列,并以优选出的钻头在该区块的施工数据为实例,为该油田区块后期高效勘探开发提供了一个选择方向,具有较好的现场施工指导作用。     

金刚石钻头分类命名法扩展的探讨

金刚石钻头已发展成为油气勘探最主要的钻井工具之一,因此有必要对其分类法加以扩展和完善,
增强其可识别性和易用性。分析了现有金刚石钻头分类法在切削齿密度、冠部轮廓等方面的应用现状及局限性,
结合金刚石钻头的技术进步和发展趋势,提出了切削齿密度与地层岩性的对应关系,以及切削齿密度、冠部轮廓与
钻头直径的换算方法,细化了ＰＤＣ复合片分级,定义了附加特征代号,建立起了金刚石钻头扩展分类法。进一步提
出了基于切削结构的金刚石钻头命名法,可形成具有我国石油行业特色的金刚石钻头分类命名体系。     

爪式齿金刚石钻头研制成功

1997年5月5日，钻头厂金刚石工具分厂成功地生产出一只爪式齿金刚石钻头。钻头所用的切削齿是由该厂自行研制，具有世界先进水平的爪式聚晶金刚石复合片，与普通复合片相比，该复合片具有更强的耐磨性、抗冲击性和热稳定性，可明显提高金刚石钻头的使用寿命和切削效率，这种钻头能广泛用于软-中等硬度地层，特别具备穿越硬夹层砾石层的能力，爪式齿金刚石钻头的研制成功，对扩大金刚石钻头的使用范围具有重要意义。5月7日，该钻头被运往克拉玛依油田试用。