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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

异形PDC齿混合切削破碎花岗岩特性研究

针对常规齿PDC钻头在硬地层钻进中出现的磨损大,崩齿、碎齿严重等问题,各种异形齿被广泛用于钻头设计。为探究和优化单一齿形及混合齿形PDC钻头的布齿间距,提高PDC齿在花岗岩地层的破岩效率,进行了相同形状PDC齿组合切削破岩室内试验和平面PDC齿与异形齿混合布齿数值仿真实验。研究结果表明：在切削花岗岩且切深为1.0 mm时,平面齿组合的最优布齿间距为10 mm,斧形齿为12 mm,锥形齿为3 mm,三平面齿为11 mm。混合布齿组合中,“平面齿+斧形齿”的最优布齿间距为6 mm,“平面齿+锥形齿”为8 mm,“平面齿+三平面齿”为9 mm。在不同的组合中,包含三平面齿的组合其破岩比功最低,破岩效率最高。研究结果对单一齿形钻头以及混合齿钻头的齿形选择和布齿间距优化具有重要的参考作用。     

PDC钻头参数化设计平台研究

随着聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)钻头个性化设计的提出与发展,传统人工探索式PDC钻头设计方法效率低、周期长、设计质量不稳定、优化调整过程复杂,难以满足PDC钻头多种类小批量的发展需求。针对人工探索式设计方法的不足与PDC钻头个性化设计高效率、高质量、易修改的市场需求,研发了基于Siemens NX(或称UG)三维设计软件的PDC钻头参数化设计平台,其功能主要包括需求分析、设计建模、性能分析、结果输出。平台设计有完整的参数化系统结构和以人机交互为核心的操作界面;分析和对比多种切削齿建模方法,采用完全参数驱动的自动布齿方案;结合传统建模方法和计算机辅助设计特性,实现了钻头体模块化设计建模。实例表明,该平台可以提高设计效率,缩短研发周期,降低劳动强度,保障设计质量,满足设计需求,对推进个性化钻头的研究和提升国内PDC钻头设计水平有积极意义。     

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。     

PDC钻头切削齿的发展趋势及应用

随着切削齿技术的不断发展,PDC钻头的应用范围越来越广。本文通过PDC钻头在使用过程中切削齿的受力情况、存在的问题及现场应用,说明了提高复合片性能,发展“三高化”复合片,是解决这些问题的根本途径。     

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。     

Nano-synthesis and nano-machanics of diamond composites and its petroleum drilling applications

We perform synthesis,characterization,and application of nanostructured diamond composites.The enhancements of the thermomechanical performance of bulk diamond compacts in terms of hardness,fracture toughness,wear resistance,impact strength,and thermal stability are our project objectives.It is to aim at applying an advanced nanosynthesis process for the manufacsults can be used in multi-industrial applications,particularly,for drill bits designed to encounter dynamic impacts for high speed 1yst,reactive sintering,and in-situ/real-time characterization of high P-T neutron/X-ray diffraction studies on phase stability,synfort in high P-T nanosynthesis of TSP diamond/SiC composites is to achieve superior performance of nanomechanics in resisting dynamic impact and thermal degradation,while still maintaining the super-hardness and super-abrasiveness of diamond and silicon-carbide.The improved polycrystalline diamond compact(PDC)bit inserts for drilling,boring,and cutting will be applied in harsh environments so as to meet the demands of the mining,petroleum,and machinery industries.With success of the proposed project,the expected energy savings and reduction of CO2 emission will be significant and the economic advantages are going to be enormous.     

碳化钨粉末对聚晶金刚石复合片钻头胎体组织与力学性能的影响

以铸造碳化钨粉末混合镍粉作为骨架粉末,采用无压浸渍工艺制备了聚晶金刚石复合片（PDC）钻头胎体材料。研究了碳化钨的粉末粒形、粒度及质量分数对PDC钻头胎体的微观组织和力学性能的影响。结果表明,碳化钨的粉末粒形、粒度及质量分数是影响胎体微观组织和力学性能的重要因素。与破碎碳化钨相比,粉末粒度适中的球形碳化钨作为骨架制备的胎体组织更均匀、更致密,胎体的力学性能明显提高。采用150~180 μm的球形碳化钨混合13wt%的镍粉作为骨架粉末制备的胎体力学性能优于石油天然气行业标准SY/T 5217—2000,其硬度、冲击韧性和抗弯强度分别为HRC 34、6.7 J/cm2和820 MPa。      

Nano-synthesis and nano-mechanics of diamond composites and its petroleum drilling applications

We perform synthesis, characterization, and application of nanostructured diamond composites. The enhancements of the thermomechanical performance of bulk diamond compacts in terms of hardness, fracture toughness, wear resistance, impact strength, and thermal stability are our project objectives. It is to aim at applying an advanced nanosynthesis process for the manufac-turing of superhard and ultratough diamond/SiC nanocomposites with the implementation of nanofiber reinforcement. The RD re-sults can be used in multi-industrial applications, particularly, for drill bits designed to encounter dynamic impacts for high speed oil/gas drillings, thus to achieve high efficiency and energy saving. Science and technology (ST) researches on precursors, cata-lyst, reactive sintering, and in-situ/real-time characterization of high P-T neutron/X-ray diffraction studies on phase stability, syn-thesis kinetics, residual strain, and yield strength have been applied to help optimizing the nanomanufacturing process. Our RD ef-fort in high P-T nanosynthesis of TSP diamond/SiC composites is to achieve superior performance of nanomechanics in resisting dy-namic impact and thermal degradation, while still maintaining the super-hardness and super-abrasiveness of diamond and silicon-car-bide. The improved polycrystalline diamond compact (PDC) bit inserts for drilling, boring, and cutting will be applied in harsh envi-ronments so as to meet the demands of the mining, petroleum, and machinery industries. With success of the proposed project, the expected energy savings and reduction of CO2 emission will be significant and the economic advantages are going to be enormous.     

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。     

高品质油田钻探用PDC热残余应力分析与优化设计

为解决平界面结构PDC因残余应力而引起的强度问题,在研究PDC热残余应力分布规律的基础上,结合非平面连接技术与梯度过渡技术,设计并研制了新型内置过渡层结构复合片.数值计算结果表明:该复合片聚晶金刚石层(PCD)表面拉应力区明显减弱,其中,轴向最大拉应力为126 MPa,仅为平面界面结构PDC的13.2%,而PCD层上表面的径向拉应力和外侧面的轴向拉应力分别比平界面结构PDC降低了82.5%和94.2%.该复合片磨耗比达到16.43×104,平均抗冲击强度达到472 J,现场钻探实验同样证明了该复合片的优异使用性能.