PDC齿破岩仿真模型与全钻头实验研究

针对PDC全钻头设计方法单一和实验工作量大的问题,提出了一种PDC单齿切削力学计算模型,并通过有限元数值模拟对计算模型的结果进行对比,讨论了PDC切削齿前倾角、侧倾角、齿径及切深与切削力的关系。结果表明:PDC单齿力学计算模型与有限元模拟结果比较接近,验证了该模型的正确性。在单齿力学计算模型的基础上建立全钻头力学计算模型,并对PDC全钻头扭矩和钻压进行计算,结合有限元仿真和全钻头实验结果,将3种计算结果进行对比分析,结果显示当PDC全钻头破碎砂岩时,力学模型计算出的扭矩值与实验测试的误差为2.11%,与有限元模拟结果的误差为1.51%;而计算的钻压值与实验结果的误差为1.25%,与有限元模拟结果的误差为6.79%,同时,该钻头计算模型的计算效率也大大提高,说明了PDC全钻头力学计算模型的准确性和可行性,为PDC钻头的评价与设计提供了技术支持。     

PDC钻头复合钻进破岩机理及个性化设计探讨

在复合钻进工况下,地面和井下马达的复合驱动虽能使PDC钻头的钻速能得到显著提升,但钻头寿命也会显著缩短。通过研究定向井、水平井下部钻柱的受力变形特性,建立了复合钻进下PDC钻头的运动学模型,研究了转速比、布齿位置、下部钻柱几何状态等对切削齿切削轨迹的影响规律。在此基础上,改进了PDC钻头破岩数字仿真系统,并利用该系统研究了PDC钻头在复合钻进工况下的运动学、切削力学规律以及井底形态特点。研究结果表明:除了高转速因素以外,复合钻进钻头破岩效率增高的主要原因在于PDC钻头切削齿的不平行刮切特性,以及螺杆弯角所导致的钻头牙齿的不均衡切削状态。针对PDC钻头在复合钻井条件下的破岩机理和失效特点,探讨了复合钻进PDC钻头个性化设计的技术思想和实施方法,为复合钻进条件下PDC钻头工作性能的改进提供了理论依据和技术手段。     

定向钻井PDC钻头三维钻速预测方法

综合考虑PDC钻头的切削作用、钻具组合的力学作用和地层岩石可钻性各向异性,根据钻头力平衡原理,建立一种新的PDC钻头三维钻速预测方法。在钻头瞬态力平衡计算中,不仅考虑钻具组合的力学作用,还考虑钻头冠部的侧向不平衡力和保径受力对PDC钻头切削作用的影响。结果表明:井眼轨迹的预测结果与实测结果有较高的吻合度,说明方法合理;根据具体的钻头结构参数和地层可钻性各向异性,通过数值计算可获得钻头的轴向和侧向钻速,不需要取得地层法向钻进效率;在钻头瞬态力平衡计算中,钻头侧向不平衡力过大将增大井眼轨迹控制的难度,对PDC钻头布齿参数的进行优化设计可以减小钻头的侧向不平衡力,进而减小钻头漂移角和工具面变化范围,增强井眼轨迹控制能力。     

泥包对破岩效率影响的PDC单齿切削模型研究

PDC钻头泥页岩地层钻进易发生泥包,严重影响机械钻速。钻进性能的变化归根结底源于切削齿与地层的相互作用,但是目前建立的单齿切削模型考虑的因素不全面,并不适用于钻头发生泥包的情况。建立了PDC钻头分别发生切削齿泥包和钻头整体泥包时的单齿切削模型,模型全面考虑了围压、切削齿倒角面、切削齿后底面、岩屑破碎带等因素,通过实例计算、利用前人实验数据验证了模型计算结果的可靠性。最后利用模型量化分析了泥包对破岩效率的影响规律,结果发现切削齿泥包和钻头泥包均严重影响破岩效率,且后者影响程度更大;切削齿泥包中,围压和"泥包团"长度对破岩效率影响显著,破岩效率均随两者的增大而减小;钻头泥包中,泥包面积对破岩效率影响显著,破岩效率随泥包面积的增大而减小。     

旋转模块式PDC钻头破岩机理研究

针对深部难钻地层钻头的钻速低、寿命短、能耗高等问题,在常规固定齿PDC钻头上引入旋转模块结构,旋转模块齿和固定切削齿“交叉刮切”破碎岩石,提高钻头的破岩效率,且旋转模块齿交替轮流工作的方式使得切削齿冷却及时,减缓切削齿的磨损,延长钻头寿命。介绍了新型钻头的结构特点和工作原理,对旋转模块进行了变参数实验,实验结果表明:旋转模块随着侧转角的增大,转速增加;随着轴倾角的增大,转速降低。研究得到旋转模块在不同结构参数下的切削载荷以及破碎比功的变化规律,验证了旋转模块齿和固定切削齿“交叉刮切”破碎岩石,能够降低破岩比功,为后续旋转模块式PDC钻头的设计提供理论依据和支撑。     

环脊式PDC钻头破岩机理实验研究

环脊式PDC钻头是一种采用不连续布齿原理在井底形成易破碎岩石环脊的钻头技术新思想。在不同岩性、不同岩脊尺寸等条件下,开展了针对岩脊的牙轮牙齿的单齿静压和PDC齿刮切破岩单元实验,以及针对平整表面岩石的对比实验;设计制造了全尺寸可变参数实验钻头,并进行了环脊式PDC钻头与常规PDC钻头的室内钻岩对比实验。实验研究结果表明:与平整岩样的实验相比,牙轮牙齿和PDC齿在岩脊上的切削破碎载荷和破碎比功均显著降低;在全尺寸钻头钻岩实验中,与同等布齿密度条件下的常规PDC钻头相比,环脊式钻头的破岩比功显著降低,破岩效率明显提高;环脊式PDC钻头在钻进过程中有明显的体积性破碎现象,岩屑的尺寸或粒度显著增大,有利于地质录井。     

基于图像处理的刀具几何参数测量

刀具几何参数测量具有重要意义。介绍了一种基于图像处理技术的刀具几何参数测量方法,对测量系统组成及关键技术进行了阐述。以钻头为测量对象,通过对刀具图像进行预处理、边缘检测、直线特征提取等,获取钻头主切削刃角度。这种方式可有效减少测量过程中的人为误差,通过对比测量结果,角度测量误差基本满足测量精度要求,证明该方法及处理过程的可行性。     

深井/超深井双作用强侧切开窗钻头研究

针对深井/超深井套管开窗侧钻中套管壁厚且强度高、岩石可钻性差、钻头切削齿极易先期钝化导致的开窗效率低/开窗失败的问题,创新性地设计了一种双作用强侧切开窗钻头。设计中考虑了开窗钻头钻进的稳定性及载荷分布的均匀性,钻头冠部设计为内锥-双圆弧面和柱面,采用"等切削、等功率与等磨损"布齿理念和"螺旋高低交错"布齿规律,既能满足高效侧切金属又能快速切削岩石的设计目标;通过专有加工工艺技术的研究,完成了该新型开窗钻头的加工制造,并进行了现场应用。现场实际应用结果表明,与传统磨铣式铣锥开窗相比,研制的双作用强侧切开窗钻头由于采用了优化的布齿设计,钻头轮廓剖面扁平、切削面较短、横纵比较小,在窗口处有较强侧切力,切削套管产生的铁屑为大片状,效率提高了2.6倍以上,节省了窗口形成的施工时间和施工成本,能很好地适应深井/超深井硬地层的开窗侧钻作业。     

基于离散元方法的PDC钻头破岩仿真研究

针对前人对PDC(聚晶金刚石复合片)钻头破岩仿真研究多采用有限元法,忽略了岩体的各向异性、不均匀性以及不连续性等问题。提出了采用离散元法来研究PDC钻头的破岩仿真过程,利用离散元软件PFC3D建立了虚拟单轴压缩实验和虚拟巴西劈裂法实验,推导出了岩石的三维离散元模型的细观参数,确定了岩石的本构模型。在此基础上建立了PDC单齿切削岩石的离散元模型,讨论了侧倾角对切削力的影响关系,并与单齿切削岩石的有限元模型进行了对比。结果表明:离散元模型与有限元模型结果比较接近,离散元数值模拟的求解时间为有限元数值模拟的1/3,离散元方法具有潜在的高效率。在单齿切削岩石的离散元模型的基础上建立了全钻头破岩离散元模型,研究了PDC钻头动态破岩过程中各切削齿所受扭矩和钻压的分布规律。并通过全钻头破岩室内台架实验对模型的准确性进行了验证。     

基于图像处理的钻头测量系统

为了实现对钻头常用几何参数的测量,减少测量过程中人为因素影响,开发了利用图像处理方法进行钻头几何参数测量的系统。文中对该系统的结构、组成及关键技术进行了论述。测量结果表明该测量系统可基本满足一般钻头的测量精度要求,有效降低测量过程中人为因素的影响。