自适应PDC钻头研制

传统固定式PDC钻头在一次性钻穿不同岩性地层时，会出现扭转振动、跳钻、黏滑等问题，导致钻头磨损严重，甚至崩齿，影响钻头使用寿命，降低钻井速度。为此，研制一种在钻井过程中可自主调节切削深度的PDC钻头，从其结构特点、工作原理、技术参数选取等方面进行了详细阐述，并通过CAD三维仿真软件对自适应PDC钻头进行力学性能分析，评价其结构合理性和方案可行性。分析结果表明：PDC钻头刀翼采用独立悬挂模式，利用活塞原理使钻头刀翼根据地层变化进行轴向运动来避免钻头振动、黏滑的结构是合理可靠的，满足现场应用条件。自适应PDC钻头研制推动了钻井智能化发展，为解决钻头使用寿命短、钻井效率低问题提供了新的思路和方法。     

随钻扩眼工具的研究与优化

随钻扩眼技术在处理井下复杂情况、降低钻井综合成本、提高固井质量等方面具有显著的优势,随钻扩眼工具正逐渐成为一种重要的石油钻井配套工具.基于随钻扩眼技术优势的分析,本文介绍了双心扩眼钻头和偏心式、同心式随钻扩眼工具的结构原理、性能特点和应用情况,同时也对近年来国外新型井下扩眼工具的一些先进技术进行了分析.文章提出应加强现有工具的适应性和匹配性研究,发掘各类工具的优势.优化执行机构、扩眼总成和水力机构,重视底部钻具组合力学特性的分析是今后发展和完善随钻扩眼工具及技术的几个重要内容.     

喷嘴孔径对PDC钻头井底流场影响的研究

PDC钻头在实钻过程中井底流场非常复杂,而优化其水力学参数是提高钻头钻井能力的有效手段。根据实际钻头结构,建立了不同孔径的四喷嘴PDC钻头井底流场模型并对之进行了数值模拟,分析了流场的总体特点,得出了在相同出口射流速度和相同流量条件下喷嘴孔径对PDC钻头井底流场的各种影响,并通过试验进行了验证,为PDC钻头的水力学设计提供了一定的指导。     

Ⅱ型扭力冲击钻井提速工具的开发应用

青海油田尖顶山具有地质构造复杂、地层可钻性差的特点,其中基岩段的岩石可钻性可以达到9～10级,导致该区块机械钻速低,钻具寿命短,这一情况一直制约着该区块钻井提速。针对上述问题,西部钻探钻井工程技术研究院自主研发了Ⅱ型扭力冲击钻井提速工具(简称Ⅱ型扭冲)以及相配套的PDC钻头。青海油田尖北1～4井基岩段的钻井过程中使用了Ⅱ型扭冲,机械钻速获得了重大突破,机械钻速较钻井设计提高了2.85倍,较使用螺杆+PDC钻头的尖探1井同层段钻速最大提高3.71倍,相比较尖探1井基岩段的钻井过程减少了5次起下钻趟数,显著的解决了尖北区块基岩层钻速低,钻头寿命短的问题。Ⅱ型扭冲+PDC钻头的配套提速技术为青海油田基岩钻井提速提效提供了新的技术途径。     

PDC钻头切削破岩机理及数值模拟研究

由于PDC钻头几何外形、岩石材料以及井底钻井工况的复杂性,PDC钻头切削破岩机理的研究一直都是难点问题。基于单齿切削机理,引入岩石比功ε,推导出钻井钻压W、扭矩t和切削厚度d之间的关系,建立切削比功E与钻井强度S的二维图;同时结合接触摩擦分量,分析并阐述了破岩过程的概念模型;通过有限元方法建立全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维仿真模型,开展PDC钻头切削破岩机理的研究,进一步分析PDC钻头破岩过程的响应规律。结果表明:岩石损伤与应力云图可直观反映钻井过程岩石损伤剥落形成井眼及井底应力分布状况;PDC钻头钻进方向的位移、加速度和扭矩响应规律与理论分析相一致,并揭示了PDC钻头钻进过程中的"进尺台阶"现象,亦佐证了破岩过程的概念模型。     

某井区储层可钻性分析及钻头选型参考

2016年某井区试验了3口水平段长达1 200 m的井,储层致密含砾、非均质性强,实钻过程水平段PDC钻头磨损严重,单只钻头行程短、寿命短,严重制约了该区的钻井效率。在对实钻情况总结的基础上,结合岩石力学可钻性及IDEAS(4维动态钻井分析系统)分析,对某井区长水平段钻头选型给出建议,为下一步规模开发,提高钻井效率提供技术参考。     

北方风雷公司成功试制钻具新产品——PDC钻头

近日,中国兵器工业集团北方风雷公司成功试制出了外观精美、性能合格的5刀翼双排齿PDC钻头。PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称,是石油钻井行业常用的一种钻井工具。自接到研发任务后,研发设计人员进驻油田钻井一线,认真观察钻井实际情况,根据油田的地质情况,设计出最适合油田使用的5刀翼双排齿PDC钻头,在齿的设计技术和布齿方面实现了重大的突破。     

全局力平衡PDC钻头布齿优化设计

针对聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在钻井破岩过程中因受力不平衡,导致钻井倾斜、井径扩大、钻头产生横向振动和涡动,造成钻头早期失效的问题,基于已有PDC钻头切削力学知识,构建了PDC钻头弯曲力矩及全局力平衡布齿优化设计模型,并提出模型求解方法。布齿设计实例结果表明,采用全局力平衡布齿设计方法得到的布齿结构可使PDC钻头在不同进尺条件下均能保持全局力平衡状态,尤其低进尺（小于1 mm）时的力平衡状态得到极大改善,提高了PDC钻头的钻井稳定性,对于改善钻头受力、提升钻头使用寿命、提高钻井质量与效率具有重要意义。     

新型单牙轮钻头研究及应用

川西地区探井多用小尺寸钻头(6"左右)钻头钻三开后的井段,由于井眼直径小,小尺寸牙轮钻头不但机械钻速慢,而且钻头消耗多、起下钻作业增加。人们研制了一种新型小尺寸钻头,它主要由一个偏置的多锥形牙轮、一个圆柱形滚轮及两个牙掌组成。通过新型单牙轮钻头前期科学研究、产品试制和台架试验,进行相关工艺技术研究及应用,有助于解决川西地区探井小井眼机械钻速慢、钻井效益低的实际生产难题。结果表明,单牙轮钻头钻速接近PDC钻头,远高于三牙轮钻头,具有较好的技术经济指标,值得进一步推广应用。     

井下动力驱动的旋冲钻井工具设计计算与试验

设计了一种基于井下动力驱动的旋冲钻井工具,实现两种破岩机理相结合,提高整体破岩效果。采用螺杆或涡轮钻具作为旋转动力源,利用由一对空间凸轮机构组成的冲击发生机构带动上凸轮及其他从动件上行,下行的过程中,从动件冲击下凸轮,下凸轮将冲击能传递给钻头,实现对岩石的体积破碎。利用Solidworks Premium 2012软件计算了空间凸轮机构在不同载荷作用下的应力分布情况,上凸轮和下凸轮在承受最大设计载荷时的安全系数分别为3.69和2.36,均大于需用安全系数,设计安全可靠。工具冲击性能测试得到了冲击力、冲击频率与钻压、排量之前的关系,试验结果表明,其动力特性参数满足现场复合钻进工况要求。进行了现场试验,该工具具有较好的提速效果,同比提速40%以上。     

钻头形状对TC4材料制孔切削力影响的有限元分析

针对钻削TC4时存在摩擦大、钻头磨损快等问题,基于有限元软件建立了三维有限元钻削模型,通过试验验证模型准确性。研究结果表明,轴向力与转矩的仿真值和试验值的相对误差分别为13.5%和10.8%,这表明有限元方法预测的轴向力和转矩与试验结果基本吻合,该有限元模型可以用来预测钻削TC4时的轴向力和转矩。然后基于该有限元模型,研究钻头几何参数(顶角和螺旋角)对轴向力及转矩的影响趋势。研究结果表明,随着顶角的减小,轴向力呈下降趋势,转矩呈上升趋势;随着螺旋角的增大,轴向力和转矩都呈下降趋势。     

新型复合PDC钻头填补中国石油集团空白

<正>12月7日,由宝石机械成都公司研制的8.5英寸新型复合PDC(聚晶金刚合金片)钻头,顺利完成盘锦大51井井下作业试验,效果良好,填补了集团公司钻头类产品空白。目前,宝石机械成都公司已经研制成功8.5、9.5、12.25、17.5英寸4种型号的系列新型复合PDC钻头,并取得国家实用新型专利授权。试验结果表明,新型复合PDC钻头在同一类型的钻井过程中,比邻井平均机械钻速提高43%,寿命提高92.1%,     

串联对转马达系统分析及应用

目前,油气工业对施工效率和施工成本的关注度大大增加,使得连续油管钻井技术成为新形势下的钻井方向。连续油管钻井主要依靠的是井底马达传递动力,但由于油管本身的特点,不能承受太大的扭矩,也不容易产生过大的钻压。为了在连续油管能承受的转矩条件下给钻头提供更大的转矩,串联对转马达钻井系统提供了新的思路。利用2个串联的马达对转来实现转矩的相互平衡,以减少连续油管上所承受的反作用转矩。在增加钻速的情况下,钻柱上所承受的转矩能尽量减小,达到提高钻井效率的目标。     

硬地层单牙轮-PDC钻扩联合钻头破岩特性

提出了新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头,先依靠单牙轮破岩钻孔,释放地应力,产生岩石损伤,再助推PDC钻头刮切破岩。运用有限元法,建立钻扩联合钻头、双级PDC和常规PDC钻头破岩的非线性动力学模型。通过对岩石本构关系进行D-P准则描述以及确定岩石破碎的判据,分析钻扩联合钻头钻进硬地层的破岩机理,开展了3种钻头动态破岩过程的对比研究。结果表明：钻扩联合钻头在钻进过程中井底井壁的岩石应力得到明显释放,大大提高了岩层可钻性;在硬地层中钻扩联合钻头钻进速度提高的主要原因是拉应力破岩;钻扩联合钻头在硬地层钻进过程中的扭转振动大大降低,破岩效率更高,钻头寿命更长;由于单牙轮领眼破碎岩石的作用,钻扩联合钻头对井底岩石的冲击破碎能力更强,在硬地层中钻进更快。研究结果为新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头的研发提供了参考。     

新型液压随钻扩眼器的研制

鉴于目前小井眼侧钻缩径卡钻和小井眼固井质量差的难题,设计了一种安全性和可靠性非常高的扩眼器。该工具采用机械式硬支撑设计方案,具有PDC切削效应,可实现随钻扩眼,并将118mm钻头所钻进的井眼机械式扩眼至145mm。该工具通过投球憋压实现刀翼收放。当刀翼完全打开时,由连接接头上的定位套使PDC刀翼的位置稳定不变,实现硬支撑。此扩眼器原理正确、结构可靠,为从根本上彻底解决小井眼固井难和小井眼缩径、卡钻频繁等情况提供了一种有效的手段。     

钻削镍基高温合金小孔的试验研究

为研究钻削镍基高温合金小孔加工参数对钻削力和转矩的影响,进行单因素和正交试验研究,运用极差分析法对试验数据进行分析处理,优化钻削镍基高温合金小孔的加工参数。通过试验数据进行多元回归分析,建立了钻削镍基高温合金小孔轴向力和转矩的经验公式。研究表明:适当提高钻头转速有利于减小钻削力和转矩。     

石油钻井用机械式PDC随钻扩眼工具的研制

研制了一种用于石油钻井工程的新型机械式PDC随钻扩眼工具,工具采用PDC扩眼刀翼、8方杆传递扭矩、浮动机械剪切锁销、锥体带动扩眼刀翼伸缩的结构方案。原理是加压剪断锁销,8方杆推动锥体下行,扩眼刀翼沿锥体表面的燕尾槽滑动伸出,进行扩眼作业,扩眼作业结束后上提钻具,锥体上行,带动扩眼刀翼缩回。现场试验结果表明,所研制的随钻扩眼工具原理正确、结构可靠,为提高完井质量、解决井下复杂情况等提供了一个新的技术手段。     

一种新型伸缩式复合钻头伸缩机构的设计制作

设计了一种新型伸缩式复合钻头的伸缩机构形式,通过改变钻井液压力的大小,控制伸缩机构上下运动,从而实现伸缩柱下端牙轮钻头的伸出和收缩;针对不同的地层该复合钻头上的牙轮钻头和PDC刀翼可以实现单独或混合破岩,该设计为当下高效破岩工具的研究提出了新的方向。     

板钻在普通车床上的应用

板钻在普通车床的应用,代替了深孔钻床和钻头,能够加工一般钻井工具中的水眼,提高了车床的利用率。     

近钻头工程参数随钻测量短接的研制

近钻头工程参数包括钻压、扭矩、温度以及环空压力等,这些参数的随钻准确测量对安全、高效钻井具有重要意义。为此,设计制作了井下近钻头工程参数随钻测量短接。详细分析了测量短接的传感部分、电路与电池的安装方式、电路保护等机械结构设计内容,分析了测量与转换电路、单片机系统设计等电子线路设计内容,然后介绍了为保证测量精度而设计的地面刻度系统及其工作原理。并说明了为适应井下工作条件而采取低功耗设计、微弱信号检测等技术措施,为近钻头工程参数随钻测量短接的工程应用奠定了基础。