冲旋钻头的现状及发展趋势

介绍了冲旋钻进技术的应用概况,阐述了国内外冲旋钻进用冲旋钻头的技术现状,包括改装牙轮钻头、冲击类专用钻头(硬质合金钻头、金刚石钻头)、新型钻头等,并分析了它们各自的特点,提出了冲旋钻头的发展趋势.对我国冲旋钻头的结构优化和新型冲旋钻头的研制具有指导作用.     

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°。      

冲旋钻井钻头仿真模型的建立研究

针对钻井机械钻速预测研究中的不足,提出用计算机仿真方法来研究冲旋钻井的机械钻速.为此,首先对冲旋钻头常用的牙齿面进行离散化后,再结合冲旋钻头的结构特点和尺寸,利用坐标变换建立了冲旋钻井钻头的真实数学模型.该模型能准确可靠地描述钻头的形状和结构,是冲旋钻井机械钻速预测的基础.     

空气冲旋钻头井底流场研究现状

开展空气冲旋钻头井底流场研究有利于解决钻井中存在的岩屑难于上返、在井底重复破碎的问题。介绍了空气冲旋钻头井底流场研究的方法、相关研究的主要内容和结论。现有研究对空气冲旋钻头井底流场研究较少,应尽快开展相关研究,推荐使用数值模拟的方式,在条件允许的情况下应积极开展试验研究作为验证,并提供可靠的依据。     

提高空气冲旋钻井钻头牙齿使用寿命的试验研究

针对目前空气冲旋钻头在工作的过程中遇到牙齿容易出现磨损和断裂失效的问题,应用纳米复合材料的相关理论和制备技术开展了Al2O3/WC-Co纳米/微米复合材料的系列试验研究.结果表明:加入3%的纳米Al2O3并添加适量的抑制剂和稀土元素能明显改善Al2O3/WC-Co纳米/微米复合材料的组织结构,晶粒明显得到细化;耐磨性和耐冲击性能得到很大提高,较硬质合金YG8提高了7～10倍;为大幅度提高钻头破岩效率,延长钻头使用寿命提供了可能性,能较好地满足石油钻探冲旋钻井的需要.     

单牙钻头布齿面工作分析

根据单牙轮钻头的运动规律，首次提出了单牙轮钻头布齿面上存在牙齿与井底的永远接触区，轮换接触区和永不接触区，并从理论上对此三者作了准确的划分，在此基础上分别研究了各区牙齿在井底的工作区域，并讨论了单牙轮钻头的保径问题，提出了一级和二级保径方案。     

PDC钻头切割齿磨损分析及改进建议

指出PDC钻头切削磨损包括:崩齿、掉片、金刚石层脱落及齿柱冲蚀等。因此,提出PDC钻头应改进切削结构、完善制造工艺、规范操作规程,旨在提高PDC钻头的切削功能,延长其使用寿命,减少钻井成本。     

PDC钻头布齿方法研究

PDC钻头布齿是影响PDC钻头性能的关键, 而布齿的关键是确定各切削齿的结构角和空间位置参数, 具体的参数跟钻头的冠部轮廓曲线密不可分。依据布齿的原则, 从沿冠部轮廓曲线均匀布齿和非均匀布齿两个角度进行了讨论, 并给出相应具体的布齿方案, 具有较强的可操作性, 为PDC钻头的布齿设计提供了一定的指导和借鉴。最后对计算机辅助布齿设计进行了介绍和展望。     

基于岩石性能试验的冲旋钻井钻齿破岩仿真

利用空气冲旋钻井技术进行钻进时,易出现钻齿脱落、折断以及磨损严重等失效问题。针对该问题,应用岩石力学试验机和SHPB试验装置,开展了花岗岩动态劈裂拉伸、单轴压缩和围压下的压缩性试验,为数值模拟提供了必要的岩石材料模型参数。数值模拟选用H-J-C动态本构模型,结合试验结果确定了材料模型参数,选择花岗岩的拉应变作为失效准则。在此基础上,对钻齿的齿形参数和破岩的钻齿侵入深度、破碎体积进行了数值模拟。研究表明,相同工况下锥形中心齿的破岩效率最高,边齿角度取30°可显著提高岩石的破碎体积。在此基础上,对齿面布齿进行选配研究,发现“中心球形齿+周围锥形齿”的破岩效率最高,“中心球形齿+周围球形齿”组合的破岩效率最低。      

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。     

针对特殊需要设计专用钻头

随着钻井区域扩大,现有钻头已不能满足某些特殊的作业要求,现场希望开发能适应具体情况的新钻头。国外钻头公司采用以仿真技术为核心的设计方法设计专用钻头,既为公司创造了利润,又为钻井队节约了成本。从现场资料和试验资料积累,钻头-岩石-下部钻柱系统计算机仿真,以及钻头优选和优化设计软件开发等方面阐述了专用钻头设计技术的要点。     

PDC钻头切削齿的运动分析和破损机理

分析了PDC钻头在几种典型的回旋运动情况下其切削齿的运动速度和运动状态，发现回旋运动时切削齿有瞬时反向转动的现象，并讨论了回旋运动对切削齿工作状态的影响，认为PDC钻头回旋引起的冲击载荷和切削齿反转是导致钻头切削齿破损的直接原因。试验证明，切削齿反转具有极大的破坏性。研究表明，采用适当的钻头转速可以减少切削齿的损坏，而运用抗回旋技术减小钻头回旋幅度和回旋频率才是根本的出路。     

地震钻井用双开门式钻头的研制

地震勘探钻井中 ,由于流沙粒石地层坚硬且易塌陷 ,用普通钻头钻井时 ,进尺速度慢且井壁易塌陷 ,常造成下药作业困难。为此 ,研制成功地震钻井用双开门式钻头。这种双开门式钻头主要由导程叶片、紧固销、叶片刀块、叶片、球面活门、活门刀块、门轴和钻头体等组成。它的进给速度达 0 1m/s ,提升速度达 0 5m/s ,额定钻进深度 30m ,钻孔直径达 180mm ,适用流沙粒石地层 ,也适用于普通地层地震钻井 ,经济和社会效益可观。     

阶梯式冲击挤密钻头结构优化设计及试验

为了对阶梯式钻头的结构进行优化设计,提高冲击挤密钻进效率,采用Drucker-Prager屈服准则为判据,将土体视为DP材料,冲击钻具视为刚体,利用有限元软件ANSYS建立了冲击挤密钻进有限元模型,基于APDL参数化语言对阶梯钻头的台阶数目及钻头结构尺寸进行了优化设计和试验研究。结果表明,对于直径为60mm,钻头体长为150mm的阶梯钻头而言,台阶数目为9时,钻头钻进速度最快。在此基础上对九阶梯钻头的结构进行了优化设计,与普通结构阶梯钻头相比,优化钻头钻进速度提高了22%。与传统方法相比,利用ANSYS优化设计模块对钻头进行优化设计简单、可靠,为钻头结构的最优化设计提供了一种新思路和新手段。     

牙轮钻头超顶的运动分析

由于牙轮钻头在井底工作的复杂性 ,目前还没有从理论上建立牙轮钻头的定量运动与受力关系。在 4个基本假设的前提下 ,利用刚体运动的合成理论分析了牙轮钻头超顶布置时 ,牙轮在井底的运动规律。得出具有超顶布置钻头的牙轮在钻进过程中 ,从理论上可分解为牙轮钻头锥体绕着锥点处在井底的滚动和一个附加在锥体上的整体平动 ,前者对岩石产生压碎和冲击作用 ,后者对岩石产生剪切作用。由刚体运动合成理论得出的结论与以往的理论基本符合 ,牙轮与井底之间不存在纯滚动点     

XC-82型液力旋冲钻具及配套钻头的性能测试

XC－82型液力旋冲钻具及配套钻头是为满足深井硬地层钻井需要而研制的,主要由水击阀、支承座、冲锤、节流阀、砧轴、筒体及配套旋冲钻头组成。对这种钻具进行了冲击力、冲击频率、配套旋冲钻头与牙轮钻头机械钻速对比,以及泵流量、钻具行程和背压等参数对钻具性能的影响等一系列测试。测试结果表明,在主泵流量为100～350L/min条件下,钻具冲击能为11．5～132J,冲击频率为10～18Hz。钻具结构简单,零部件少,加工使用方便,性能稳定、可靠,主要技术性能与国内同类产品相比是比较先进的。     

绥中36-1油田新型钻头的优化设计及应用

绥中36-1油田是我国海上第一个超大型油田,在开发初期,一口井通常需要3只钻头完成二开Ф311．15mm井眼钻进作业．程序复杂,成本高。为了提高作业效率,根据绥中36—1油田的地层特性,深入分析了岩石可钻性,以及钻头使用过程中出现的断齿、齿脱落、冲蚀和泥包现象。通过优化设计钻头冠部形状、切削齿结构、水力结构和刀翼数,并在钻头冠部增加Lo—Vibe减震设计,延长了钻头使用寿命．提高了机械钻速和水力效果;同时采用新型表面防磨涂层,加强了钻头抗冲蚀能力。最终,实现了1只PDC钻头完成一口井二开钻穿明化镇、馆陶组,钻至东营组地层完钻井深的新突破,减少了起下钻次数．缩短了建井周期,对于渤海油田类似井作业具有一定的参考价值。     

PDC钻头流场数值仿真与水力结构优化

针对φ311.15mm(121/4英寸)井眼采用复合钻进时存在的岩屑量大,钻头处存在重复破碎等问题,在前人研究的基础上,对某区块常用的φ311.15mmPDC钻头进行了水力结构分析与优化。通过数值模拟,得到了钻头表面速度矢量图、喷嘴中心剖面速度矢量图及刀翼表面速度矢量图,并在此基础上确定了水力结构优化方案。仿真结果表明,改进后涡心与射流区的距离增加,漩涡边界流体切入到漫流层中并附壁上返,漩涡强度减弱,漫流区厚度与速度增加,携岩能力提高,清洗与冷却能力增强。     

石油钻井泵概率动力学分析

从机械设计变量随机化的观点出发，应用可靠性数学理论，将石油钻井泵基本设计变量随机化处理后，计算各构件的运动参数分布特征值及受力分布特征值。实例计算结果表明，当钻井泵活塞处于两死点邻近位置时，活塞杆和连杆的受力均值和方差急剧波动，工作可靠性严重下降。设计钻井泵时，要求对连杆两端联接轴承进行必要的静强度校核。     

PDC钻头布齿软件设计

鉴于采用图解调整法设计PDC钻头存在效率低、工作量大、设计过程繁琐且有误差等不足 ,应用现代计算机技术对PDC钻头布齿设计进行了研究。在国内外对冠部形状、切削齿径向布置和周向布置设计已有研究成果基础上 ,创立了以实验结果确定齿前角和侧转角的优化设计方法 ,并以VisualC ++和VisualLisp语言编制软件实现PDC钻头的设计计算和绘图。实际应用情况表明 ,该软件布齿设计速度快 ,模块化程度高 ,精确度高 ,可操作性强 ,使用方便快捷 ,具有很好的推广前景。