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。     

硬地层复合钻头破岩特性与提速机理研究

PDC-牙轮复合钻头是一种综合了PDC钻头与牙轮钻头结构特点和工作原理的新型钻头,能更高效地钻进硬地层。但由于对其破岩机理认识不足,使得PDC-牙轮复合钻头的研发具有盲目性,推广受限。基于弹塑性力学和岩石破碎学,采用Drucker-Prager准则描述岩石本构关系,塑形应变作为破岩判据,通过有限元法建立全尺寸复合钻头和PDC钻头动态破岩的非线性动力学模型,分析了复合钻头作用下硬地层岩石的破坏机制,对比了硬地层中两种钻头的动态破岩过程。结果表明:复合钻头钻井能满足井壁稳定性的要求,然而一旦井壁失稳,井壁岩石将大块脱落;以拉应力破岩为主是复合钻头在硬地层中大幅提高机械钻速的原因之一;硬地层中复合钻头扭转振动低于PDC钻头,破岩效率更高;由于牙轮滚动的多边形效应,复合钻头沿钻进方向对岩石的冲击较PDC钻头更大,能更快钻进硬地层。     

钻机旋冲钻孔过程中破岩效率的研究

针对岩石钻机旋冲钻孔过程中破岩效率低的问题,基于岩石力学理论和有限元理论,建立了球形钻齿与岩石的相互作用受力模型以及旋冲钻孔破岩的有限元模型。采用了非线性有限元分析软件LS-DYNA来模拟不同参数下的旋冲钻孔过程,得到了钻头破岩过程中钻齿吃入深度与时间以及破碎体积、破碎比功随转速和频率的变化曲线;分析了转速与频率对破岩效率的影响规律。研究结果表明:转速对钻齿吃入深度影响不大,岩石破碎主要发生在冲击力卸载之后,当转速在30 r/min～35 r/min,频率在20 Hz～30 Hz范围内,破岩效率相对较高,能够充分提高能量利用率;该结果可以为钻头的合理设计以及岩石钻具的钻孔工艺参数选择提供依据。     

钻头圆锥钻齿切削岩石数值模拟以及一种新的解析估算模型

旋挖钻钻头圆锥形钻齿切削岩石破碎机理研究,能为旋挖钻钻头结构优化设计与钻进效率提升提供相关技术支持.基于修正的Drucker-Prager塑性模型,建立了圆锥钻齿切削岩石的数值仿真模型,并测试了抗拉强度、抗压强度两种准则计算结果的差异和岩石剪胀角对数值仿真计算的影响.同时,结合岩石抗压强度、内聚力以及摩擦角,给出了一种...     

空气锤钻头本体与钻齿的过盈数值分析

正空气钻井技术用于解决提高机械钻速和复杂硬质地层条件下的井漏等重大的钻井难题。但是,钻井过程中也暴露出许多技术难题,其中钻具损坏问题相当突出。空气锤钻头的失效方式主要以断齿、磨齿、掉齿、本体缩径和钻头断脱等为主,掉齿造成钻头过早地失效,严重降低了钻头破岩效率。钻     

水力振荡器在中深水平井中的提效应用

水力振荡器在常规井中有一定的应用范围,在深水平井上应用较少。它是在钻井液水力的作用下,将流动的钻井液冲击力转化为轴向的振动,破坏钻具与井壁间的粘附力,将静摩擦力转变为动摩擦力,减小粘附卡钻的几率,缓解托压现象,提升破碎岩屑的效率,提高机械钻速。文章分析了水力振荡器的结构组成、工作原理,并结合水平井实际的地层特征、钻进过程中的难点分析以及在水平井中的应用,结果表明,水力振荡器的应用能够解决钻进过程中出现的托压、粘附卡钻等问题,提高机械钻速,缩短钻井周期,且不会增加钻头磨损。     

钨钢涂层钻头钻削QT700-10的钻削力及质量研究

QT700-10球墨铸铁具有良好的减振性和自润滑功能,抗压和抗拉能力强于灰铸铁,但是QT700-10的塑形和韧性比钢低很多,可加工性不高。为了研究QT700-10的钻削力和加工质量,设计正交试验,使用硬质合金钨钢涂层钻头钻削QT700-10工件。利用极差分析方法,对钻削合力及孔圆度误差进行影响因素评价。影响钻削合力的因素依次为每齿进给量>钻头直径>主轴转速;影响孔圆度误差的因素依次为每齿进给量>主轴转速>钻头直径。钻头的主要磨损形式是黏结磨损,10mm钻头的磨损宽度最大。综合考虑钻削合力、孔圆度误差和钻头磨损后,提出QT700-10的钻削加工关键参数组合为：钻头直径为8mm,主轴转速为3000r/min,每齿进给量为0.18mm/r。     

意大利斯戈宝干钻岩石定向钻进系统

斯戈宝干钻岩石定向钻进系统由意大利联盟最新研制，是无需润滑泥浆就能钻过硬岩、高效安装管线的定向钻进设备。它主要由定向钻机、钻头、液压动力设备、空压润滑系统、回拖附件和无线电探测定位系统组成。该系统技术目前居世界领先水平，所有的地下钻探工具均在世界范围内拥有专利。斯戈宝干钻岩石定向钻进系统在世界范围推出以来，两年时间已在欧洲和南美完成了大量通信电缆、煤气、水管安装工程，它不仅能完成传统湿钻系统可完成的工程，而且在硬岩施工具有独特的竞争优势。 该定向钻机为履带式，内置马达，可驾驶到施工地点并固定。液…     

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。     

φ94复合片钻头的设计与制造

针对不同的地层,使用何种取岩矿心钻头才能把地层中的各种矿物快速、高质量地采取出来是个主要课题,为此研制了Ф94复合片钻头,并广泛用于矿山、铁路、桥梁、水电等工程地质勘探中,实践证明与其它常规钻头相比,其机械钻速和台月效率成倍增长,钻进成本显著下降。     

双层套管开窗侧钻中钻头力学分析

在双层套管开窗侧钻中,油层套管、水泥环、技术套管和地层岩石的硬度都各不相同,并且钻头在双层套管开窗过程中和导向器、油层套管、水泥环、技术套管、地层岩石的接触面不同。考虑开窗钻头在双层套管开窗侧钻时和油层套管壁、水泥环、技术套管壁及地层岩石的实际接触情况,建立双层套管开窗钻头弯矩数学模型,并结合现场工程实例,利用Matlab软件求解出三种不同工况下钻头弯矩与钻头水平移动距离的关系曲线。进而借鉴金属切削力学理论,研究钻头在开窗侧钻过程中的切削力、切削扭矩,校验开窗钻头的强度,提出了防止双层套管开窗侧钻过程中发生钻头憋卡断裂事故的技术建议。分析计算可为双层套管开窗钻头的设计与施工参数确定提供参考。     

复合钻头技术及应用

复合钻头是近年来针对深部难钻地层提速开发的一种具有全新破岩理论的钻头。介绍了复合钻头理念诞生、产权竞争及工业化应用等几个阶段的发展历程,深度剖析复合钻头结构特征与几何学、运动学的数学分析模型,并以此为基础讨论复合钻头破岩机理。通过国内外典型应用案例分析,体现复合钻头在复杂难钻地层中的提速能力和经济效益。结果表明:在含砾、软硬交错、研磨性强等复杂地层中,复合钻头钻速同比提高30%以上,部分极难钻地层提速达100%,每米钻进成本节约40%以上。最后分析PDC-牙轮复合钻头下一步工作思路,为后续研究提出建议。     

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。     

钻井转矩保护器的研制

PDC钻头在钻遇复杂地层时,转矩波动较大、蹩跳钻现象严重,其不仅会缩短PDC钻头的使用寿命,还容易导致井下钻具断裂,影响钻进效率。为此,研制了钻井转矩保护器,并完成了厂内试验。钻井转矩保护器主要由压扭转换机构、储能机构和密封油浴机构组成,能够起到轴向和周向的减震作用。工作时一旦井下转矩超出工具的预设值,碟簧组被压缩,储存能量,工具收缩,钻头上齿的切削深度减小;当钻头转矩正常时,储存的能量会缓慢释放。厂内试验结果表明,钻井转矩保护器缩回、伸出和转动灵活,试验数据全部满足设计要求。     

异形PDC齿切削破岩提速机理研究

在室内切削实验基础上基于有限元二次开发建立了异形齿切削及全钻头破碎非均质花岗岩的三维数值仿真模型,研究了12种形状聚晶金刚石复合片(PDC)齿切削非均质岩石过程中的切向力、法向力、岩屑、破岩比功,并研究了齿形对全尺寸钻头破岩效率的影响。研究结果表明：锥形齿的切向力最小,破岩比功最高,对应的锥形齿钻头的进尺也最小;三平面齿的法向力和切向力均为最大;破岩比功最低的齿为双曲面齿;进尺最大的全钻头齿形为更易吃入岩石的鞍形齿、双曲面齿以及斧形齿。     

盘式刹车单片机控制自动送钻系统

在石油钻井的过程中,使用自动送钻可显著提高钻进进度、延长钻柱和钻头的寿命,降低钻井成本.文中提出了一套单片机控制的钻机自动送钻的方法,着重论述了安全监控原理,硬软件系统组成.采用电液数字阀取代传统的D/A转换器.     

一种适应硬地层的近钻头仪器耐磨带设计改进

随着石油勘探向着更深、更复杂的地层方向发展,近钻头仪器在钻井过程中更容易受到地层的摩擦。为增强近钻头仪器的耐磨性能,延长近钻头仪器的使用寿命,文章提出了一种适应硬地层的近钻头仪器耐磨带设计改进。此次改进是在近钻头仪器仅有一条环形耐磨带的基础上,于电路骨架左侧增加一条环形耐磨带,同时在抱筒处增加螺旋状耐磨带,进而改善耐磨带结构。经过多次实钻验证,结果表明,近钻头仪器基体基本无磨损痕迹,可以有效的保护整支仪器。     

基于离散元的模拟月岩切削负载特性数值模拟及试验验证

钻取采样是人类获取月球岩石类样品的重要手段,钻进负载的稳定性是确保月岩采样任务成功的关键因素。由于岩石属性直接决定其可钻性等级,并影响钻进负载,有必要在地面环境中,分析岩石本构模型与钻进负载之间的关系,构建不同可钻性等级的岩石样本模型,开展模拟钻进试验,获知不同钻进参数下岩石采样的钻进载荷变化情况。据此,将地面条件下大理岩样本选作模拟月岩切削特性的研究对象,基于二维颗粒流程序(Particle flow code 2 dimensions,PFC2D),建立小切削深度下仿真分析模型。利用Plackett-Burman试验(PB试验)和中心组合设计(Central composite design,CCD)方法,确定影响岩石切削特性的微观参数,开展不同切削深度下的模拟月岩切削负载试验验证。经仿真分析与试验验证能得到与岩石切削特性相对应的离散元模型,试验结果表明该仿真模型在较小切削深度条件下的切削负载变化规律与实际情况一致。通过研究获得了一种建立模拟月岩离散元切削模型的建模方法,为后续分析钻头/切削刃构型参数对钻进/切削负载的影响提供了研究条件。     

磨损状况下聚晶金刚石钻头切削齿的切削参数求解

针对磨损状况下PDC钻头切削齿的切削参数预测方法尚未建立,无法很好地开展等磨损布齿设计的问题,建立了磨损齿的几何模型,并提出了求解切削参数的零点遍历法。基于MATLAB平台对零点遍历法进行编译,并对切削齿的切削弧长、切削面积和切削体积进行求解。结果表明,提出的零点遍历法能够用于磨损齿和未磨损齿的切削参数求解（误差在2%以下）;结合切削齿的受力与磨损模型,能够预测PDC钻头每颗齿的磨损趋势。     

新型自锁式可换头钻头的磨损特性研究

在新型自锁式可换头钻头切削性能的研究基础上,研究了新型钻头的摩擦特性;以正交试验为基础,采用DEFORM-3D有限元软件对K200和Fy01两种牌号硬质合金钻头钻削过程试验进行模拟仿真,研究其钻头的磨损特性。仿真试验结果表明,钴含量低的硬质合金牌号其耐磨性更好。通过相同切削条件下的钻削切削试验与仿真试验对比,两者变化规律一致,验证了DEFORM-3D有限元软件在模拟新型刀具加工中磨损时的可行性。