PDC钻头复合片磨损速度模型研究

PDC钻头作为一种高效破岩工具,在石油工业中的应用越来越广泛。复合片的磨损直接影响着钻头的钻速和使用寿命。在目前研究的基础上,分析了PDC钻头复合片研磨性磨损、热磨损和冲击磨损三种磨损形式的磨损机理;研究了钻井参数、地层特性及复合片自身结构性能参数对复合片磨损的影响规律。建立了一个比较完善的复合片磨损速度模型,为进一步的研究提供了理论依据。     

PDC钻头在砾岩层中的磨损规律研究

针对PDC钻头在钻进致密砾岩层中磨损严重的问题,建立了双切削齿PDC钻头简化模型,采用Archard磨损模型并通过有限元软件对PDC钻头切削齿的破岩过程进行模拟,研究了PDC钻头切削齿的后倾角、温度、线速度和钻压对切削齿磨损量的影响规律。研究结果表明:切削齿磨损量在后倾角为15°～20°之间时增长速度平缓,在20°时达到最大值;切削齿磨损量在温度达到300℃后增长速度迅速加快;线速度和钻压与钻头切削齿的磨损量成正比关系。最后采用正交试验法进行敏感度分析,发现对钻头磨损量影响程度由大到小依次为线速度、切削齿后倾角、温度和钻压。该研究对PDC钻头在砾岩层中钻进时合理调节钻井参数以及延长钻头使用寿命具有一定的指导意义。     

定钻压、定转速条件下PDC钻头单切削齿磨损规律研究

PDC钻头切削齿的耐磨性相当高，要通过大量的室内试验来找出其磨损规律来是不现实的，因此很有必要找出一种PDC钻头切削齿磨损规律的研究方法。在简要分析切削齿磨损机理的基础上，对切削齿磨损规律进行了理论分析推导，得到了切削齿切削岩石时的线磨损速度模式。定钻压、定转速条件下的单切削齿磨损速度试验结果表明，切削齿的线磨损模式是正确的。该方法是研究PDC钻头切削齿磨损规律的一个新途径。     

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。     

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。     

鄂尔多斯盆地南梁油田西区PDC钻头切削齿磨损分析及应用研究

统计、对比分析了两邻井同一井段PDC钻头使用情况,切削齿磨损情况以及磨损原因,认为弯螺杆复合钻进诱发的并底涡动是导致切削齿磨损不均、微小金刚石颗粒崩落、磨损面拉断裂纹发育的根本原因,严重影响了钻头寿命,并从提高该区块定向井两趟钻比例、单只钻头进尺的角度给出了钻头优化、制造和使用等方面的建议.研究表明,通过外锥后排辅助齿抵抗冲击应力、控制吃入深度是减少磨损的有效方法.     

PDC钻头破岩仿真系统离散化方法研究

PDC钻头和岩石的离散化技术是PDC钻头钻进仿真系统的关键技术之一。介绍了虚拟PDC齿、虚拟井底和虚拟井壁的离散化方法,分析、对比了PDC齿不同离散化方法的优缺点,研究了虚拟PDC齿、虚拟井底和虚拟井壁表面上各离散点坐标的计算模型,并在Matlab环境下实现了钻进仿真系统几何模型的可视化。为利用数字仿真技术研究复杂钻进条件下PDC钻头与岩石的互作用关系奠定了基础     

PDC钻头与岩石相互作用规律试验研究

试验采用81/2in和121/4in两种PDC钻头,对嘉陵江石灰岩和香溪砂岩两种典型岩样进行钻进,在不同钻头转速和钻压下,测得了扭矩和机械钻速.分析试验结果得出,对于表面刮削破碎和体积破碎两种岩石破碎状态,钻压对扭矩的影响不一样.当钻压没有达到体积破碎钻压时,钻压对扭矩的影响较小;当钻压超过体积破碎钻压时,钻压对扭矩的影响非常明显.钻头转速对钻头扭矩几乎无影响.     

基于钻速模式的PDC钻头切削齿磨损监测新方法

为了对PDC钻头切削齿的磨损程度进行实时定量监测,优选了适合PDC钻头的钻速方程,通过分析切削齿切削轨迹长度、切削齿磨损体积及机械钻速之间的关系,建立了相对磨损系数的迭代模型,提出了随钻PDC钻头切削齿磨损监测新方法。以玉门油田、青海油田及西南油气田使用PDC钻头所钻井的测录井数据为基础,对模型进行了验证。分析结果表明:基于钻速模式的PDC钻头切削齿磨损监测新方法计算的相对磨损系数与起钻后实测的钻头磨损数据较为接近,计算值与实测值的平均相对误差为11.60%;新方法能够较准确地对PDC钻头切削齿的磨损程度进行检测,为及时调整钻井参数、复杂地质情况预警和更换钻头提供依据。所得结论可为随钻PDC钻头的磨损程度判断提供参考。     

PDC钻头在砾岩地层中的破岩机理与适应性分析

PDC钻头在非均质砾岩地层钻进时，不能仅通过磨损来进行优选，应当明确其破岩机理，从而对其应用效果欠佳的情况给予指导。为此，通过有限元软件建立非均质砾岩模型，对PDC单齿破碎砾石地层进行模拟，明确破岩机理，并提出优选建议。分析结果表明：切削齿在砾岩地层切削时，对小粒径砾岩影响切削力的主控因素为胶结物和基质强度，对大粒径砾岩影响切削力主控因素为砾石本身的固有剪切强度；在砾岩地层中，切削齿齿形推荐选用斧形齿，其半径尽量与砾石尺寸相匹配，且优先选择大厚度齿，选择二级、螺旋布齿可减轻单齿的损伤；可以通过优选新型异质材料来改善切削齿力学性能。研究结论可为提高PDC钻头在砾岩地层中的适应性提供理论支撑。     

新型PDC钻头砾岩破岩技术及应用

油气钻探中,PDC钻头已成为钻进破岩不可或缺的井下工具,但砾岩地层是PDC钻头的破岩禁区,目前绝大部分地区依然选择牙轮钻头进行破岩。鉴于此,设计了新型个性化PDC钻头。新型PDC钻头在微受损的状态下,可替代牙轮钻头钻穿砾岩层。该钻头特征为前排齿采用PX齿设计,复合后排齿采用圆锥齿设计,利用压碎和切削复合破岩方式破碎砾岩、提高机械钻速。新型PDC钻头首次在大港油田现场试验,试验中顺利钻穿30～120 m的砾岩层,实现了多套地层单只钻头"一趟钻"工艺,创下大港油田同套地层最高平均机械钻速和最短钻井周期的新记录。现场试验结果验证了该新型PDC钻头砾岩破岩的可靠性。     

PDC全钻头破岩数值模拟及试验研究

为了分析PDC全钻头破岩中单齿受力,一方面通过对比不同切削参数影响下,PDC单齿破岩数值模拟中采用的Mohr-Coulomb本构模型与Drucker Prager本构模型计算结果,评判了模型的计算效率与精度;另一方面进行了PDC全钻头破岩试验,建立了同比条件下更为精细化网格的PDC全钻头破岩有限元模型,将数值模拟结果与试验结果进行了对比。分析结果表明,在不同的工况下,Mohr-Coulomb模型计算的结果误差虽然比Drucker Prager模型略高,但Mohr-Coulomb模型的计算效率是Drucker Prager模型的3.1倍;仿真钻压的平均值误差为2.75%,平均扭矩误差为0.40%,满足工程要求。因此可以利用数值模拟方法研究布齿参数变化对切削工作载荷分布的影响,为个性化的PDC钻头研发提供技术支撑。     

PDC钻头切削齿的改进及破岩试验研究

为扩大ＰＤＣ钻头使用范围，设计出涂焊薄层碳化钨的ＰＤＣ切削齿。通过对比试验，给出了ＰＤＣ钻头钻速随进尺的变化曲线。结果表明，在硬地层中改进后的ＰＤＣ钻头在钻速、切削齿强度和使用寿命等方面具有明显优势，其平均寿命可提高２０％。     

PDC磨损齿切削载荷与生热规律研究

目前在不同倾角和不同磨损等级下,对真实磨损齿切削载荷和生热规律缺乏进一步的研究.为此,通过单齿切削试验验证了在不同磨损程度和不同前倾角下磨损齿的相关性能,得出磨损齿在切削过程中三向力和温度等的变化规律.研究结果表明:P DC齿磨损越严重,达到同样切削深度所需要的力越大,磨损齿的切削力随着前倾角的增加而增大,在破岩过程中...     

围压条件下PDC钻头不同齿形的破岩实验研究

为了解决塔里木油田泥页岩地层钻速低的难题，提高ＰＤＣ钻头的破岩效果，研究了围压及ＰＤＣ钻头齿形对破岩效果的影响规律。利用深井破岩试验装置，模拟了井深０￣５ｋｍ的压力条件，进行了ＰＤＣ单齿破岩室内试验。结果表明，切削齿形不同，其破岩效果不同，楔形齿的破碎比功最小，圆齿的破碎比功最大。此外，试验还显示出随围压的增加，破岩效率下降；增大吃入深度，可降低破碎比功。     

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°。      

近钻头扭转冲击器破岩机理及应用

PDC钻头是超深井硬地层主要的破岩工具。由于黏滑振动引发的PDC钻头过早失效是造成超深井钻井成本增加的一个重要因素。本文针对PDC钻头的黏滑振动效应,理论分析了黏滑振动机理,建立了PDC钻头黏滑振动系统的力学模型,并用高频低幅扭转冲击器及优化钻头结构的方式来消除钻头的黏滑振动。研究结果表明:PDC钻头长度越长,能量衰减越快,扭转冲击能量传递效率越低;PDC钻头截面积越大,长度越小,高频扭转冲击器冲击系统能量传递效率越高。新疆塔里木盆地XK3井试验表明,扭转冲击工具与常规钻具相比机械钻速提高1倍以上,能够有效消除PDC钻头的黏滑振动效应,减轻钻柱扭转振荡,降低钻井成本。     

旋转导向钻井PDC钻头破岩数值模拟研究

常规P DC钻头配合旋转导向工具使用时,易出现造斜率不足和稳定性差等问题,严重影响旋转导向钻井系统正常工作.为了揭示旋转导向工具配套P DC钻头关键结构参数对造斜率的影响规律,基于Ls-dyna数值模拟软件,建立了?215.9 mm PDC钻头配合推靠式旋转导向工具全尺寸破岩模型,明确了钻进过程中造斜率与钻头侧向受力的...