浅谈钻头磨损评定方法与国际标准接轨

分析了我国现行石油天然气行业标准SY5415－91和SY／T6050－94中存在的一些问题，包括钻头纯化特征表示方法、轴承密封的评价、起下钻原因的分析等，提出应将两个标准进行修订、统一、简化，以与国际标准接轨。     

判断钻头磨损程度的新方法

钻头的工作情况可以根据综合录井资料分析判断,反映钻头磨损程度的主要特征参数有扭矩和钻时。该文针对目前判断钻头磨损尚未量化的现状,探讨了利用扭矩和钻时的相对变化量判断钻头磨损程度的量化方法,即扭矩和钻时相对变化量安全区域法。此方法在理论上具有合理性,在应用中具有指导意义,为人们在钻井过程中随时判断钻头工况提供了新的思路。     

牙轮钻头滑动轴承磨损的计算机仿真

在美国Ｍａｒｓｈｅｋ和Ｃｈｅｎ提出的理论基础上，详细分析了牙轮钻头滑动轴承在不对中情况下与牙轮接触的情形，并采用新的确定两体接触区域的方法，在考虑而体之间摩擦的情况下推导了轴承间隙的一般表达式。通过计算机上运行所编制的仿真模型可以得到任意时刻轴承系统的工作状态、轴承副各部位的接触应力和线性磨损量。用该仿真模型可预测轴承系统寿命和改进轴承结构参数，从而可提高轴承系统的使用寿命。     

牙轮钻头滑动轴承材料抗胶合性能的试验研究

严重的粘着磨损，即胶合，是三牙轮钻头滑动轴承最主要的失效形式，是影响钻头工作寿命和机械钻速的制约因素，在工况条件相同的前提下，评价牙轮钻头滑动轴承材料抗胶合性能的参量应该是压强与滑动速度乘积的极限值，滑动摩擦因数和粘着磨损量，现文介绍并研究了几种材料这３个参量的测试方法及结果，该方法用于评定牙轮钻头滑动轴承材料的抗胶合性能是可行的，也可用于评定共它金属或合金的抗胶合性能。     

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。     

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。     

PDC钻头性能的二维模拟

介绍了PDC钻头性能模拟的试验基础及原理。所编制的模拟软件可为PDC钻头的设计方案提供模拟结果和性能评价依据，其主要功能为：1．计算切削齿的各种参数，如切削力、切削体积、切削功率；2．计算切削齿的磨损体积、磨损高度；3．计算钻头不平衡力的大小和方向；4．模拟钻头的钻进特性曲线；5．模拟切痕断面形状及井底剖面形状；6．预测钻头的工作指标。应用该软件对一只使用过的PDC钻头性能进行模拟，分析了主要模拟结果，并将该钻头各切削齿研磨面积的实测结果与模拟结果作了对比，两者的分布规律基本吻合。     

强研磨性硬岩PDC钻头磨损机理及磨损分布规律研究

钻进强研磨性硬岩时,PDC钻头磨损情况复杂,磨损机理及磨损规律缺乏理论研究。针对该问题,采用实验观测和数理统计相结合的方法进行了研究,并提出钻头优化建议。研究结果表明：火成岩中PDC齿的磨损形式主要为磨料磨损和冲击损坏,磨料磨损包括磨料研磨磨损、磨料冲击磨损和磨料射流磨损,冲击损坏包括切削齿断裂、PCD层碎裂和PCD层与WC层分离;钻头冠顶和外锥处绝大部分PDC齿磨损高度大且冲击损坏严重,并未充分进行剪切破岩;保径处一些PDC齿发生断裂及PCD和WC层分离;设计适用于火成岩的PDC钻头时,应重点从提高切削齿性能、冠顶及外锥增布辅助齿、提升钻头稳定性、加强保径等角度进行优化。研究成果对PDC钻头结构优化及性能提升具有指导意义。     

牙轮钻头变曲率滚动轴承的实验研究

牙轮钻头滚动轴承的失效主要是疲劳剥落,轴承的寿命与载荷3次幂或最大接触应力9次幂成反比。文内设计的变曲率滚动轴承可降低最大接触应力,并使各个受力滚子承载均匀。对比实验证实,这种新型轴承具有摩擦扭矩小,磨损量少和寿命长的优点。     

判断钻头磨损程度的新方法

钻头的工作情况可以根据综合录井资料分析判断,反映钻头磨损程度的主要特征参数有扭矩和钻时。该文针对目前判断钻头磨损尚未量化的现状,探讨了利用扭矩和钻时的相对变化量判断钻头磨损程度的量化方法,即扭矩和钻时相对变化量安全区域法。此方法在理论上具有合理性,在应用中具有指导意义,为人们在钻井过程中随时判断钻头工况提供了新的思路。     

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取心钻头井底流场的数值模拟研究

以一种现场常用的PDC取心钻头为原型，充分考虑排屑槽和切削齿对于井底流动的影响，建立了与实际相接近的PDC取心钻头井底流场的物理模型。运用k—ε两方程模型，采用线性六面体等参单元对取心钻头井底沈动空间进行划分，用有限元方法对井底流场进行了数值模拟研究。分析了排屑槽和切削齿对PTC取心钻头井底漫流的影响，为合理进行取心钻头的结构设计及水力设计提供了依据和校验方法。     

取心钻头涡动的室内实验研究

针对孕镶金刚石取心钻头的涡动现象进行了室内实验研究,分析了钻头涡动的特点、影响因素、危害及防治措施,提出了更符合实验现象的新观点：（１）钻头涡动可以在不同钻压、转速下发生;（２）如果钻井参数没有较大变化,钻头涡动不会自动停止;（３）改变钻压或转速可以抑制涡动,使涡动停止;（４）涡动增加破岩量,降低岩心获取率和钻速;（５）涡动是由底部钻具运动的不平衡引起的,而不是钻头几何轮廓不对称或破岩反力不平衡引起的;（６）钻头几何轮廓不对称,切削力不均匀,可抑制涡动。     

新型刮刀钻头的设计及现场试验研究

在理论分析的基础上，综合PDC钻头和刮刀钻头的优点，设计了一种新型的刮刀钻头，并进行了现场试验。现场试验结果表明，该钻头运转平稳，采用低钻压、高转速，钻进速度快，井眼规则通畅，有较明显的防斜作用，该种钻头的推广应用对提高钻井工程的整体效益具有十分重要的意义。     

牙轮钻头滑动轴承润滑脂的实验研究

以提高牙轮钻头滑动轴承寿命为目的,对复合钙基脂的流变性能进行了实验测试,结果表明复合钙基脂在高温时的流变性能符合Bingham塑性流变模式;以此为基础计算了滑动轴承的油膜厚度,判断出滑动轴承的润滑状态为混合摩擦;并分析了油膜厚度与润滑脂流变性能之间的关系。认为:提高复合钙基脂在高温条件下的粘度,改善其粘温特性是提高润滑效果,延长滑动轴承寿命的有效途径。     

牙轮钻头齿圈传动比的试验研究

将钻头牙轮分离成单独齿圈，在一种典型岩石上进行破岩试验，测试其传动比，再用正交试验法研究结构因素对传动比的影响。分析结果表明，齿圈的传动比主要由齿圈位置与齿数决定；无齿齿圈的传动比是齿圈传动比的最大值，该值主要取决于齿圈位置；随齿数减少，齿圈传动比下降；诸因素对传动比的影响程度从大到小依次为：齿圈位置、齿数、齿圈位置与齿数的交互作用、移轴距。     

一种可钻磨蚀地层的PDC钻头

美国Hughes Christenseli公司研制成功了一种Genesis XT聚晶金刚石复合片，它可扩大PDC钻头的应用范围。该钻头采用新研制成功的新一代牙轮和切削深度控制技术，提高了钻头的使用稳定性和耐久性。其Zenith系列牙轮对碳化钨基质和人造金刚石平面相互作用的优化，提高了牙轮的韧性。另外，平面金刚石的最新发明，还可使钻头具有卓越的抗磨性。EZSteer切削深度控制技术也可用于常规的稳定钻井。