基于机械比能理论的钻头磨损监测新方法

现有基于机械比能理论的钻头磨损监测方法,都是通过机械比能趋势线对钻头钝化趋势作定性分析,没有一种定量计算钻头磨损等级的有效方法。在前人研究成果的基础上,选取合理机械比能模型,通过优化钻头扭矩回归数据对其进行了优化;综合考虑钻头设计参数、切削结构、钻井参数及钻头磨损等的影响,选取了合适的牙轮钻头和PDC钻头钻速方程,提出了一种定量计算与定性分析相结合的钻头磨损监测新方法。该方法充分考虑了钻速、钻压、转速、扭矩以及钻头设计参数等因素,采用钻速方程和测录井数据计算机械比能、岩石抗压强度和钻头磨损等级分级系数。该方法在南海油田宝岛区块A井、准噶尔盆地风城区块B井、吐哈油田某区块C井等的多个井段进行了PDC钻头和牙轮钻头的磨损监测,结果表明,较之钻头磨损实测数据,PDC钻头的平均相对误差为9.87%,牙轮钻头为21.15%,即新方法能有效监测钻头磨损情况且更适用于PDC钻头。      

泥页岩新型防泥包PDC钻头设计及应用

PDC钻头在泥页岩中钻进时容易出现泥包现象,岩屑粘附于切削齿和刀翼顶面,使切削齿无法有效吃入地层。为此,研究了钻头冠部轮廓、切削结构、刀翼形状和水力结构等对PDC钻头防泥包性能的影响,并设计了新型防泥包PDC钻头。通过对PDC钻头体三维造型进行特殊设计,可以有效解决水眼堵塞、钻头泥包的难题,钢体PDC钻头以其无可比拟的优点应用会越来越广泛。滨深24X1井的现场试验结果表明,新型防泥包PDC钻头具有显著的防泥包性能,机械钻速高,在大港油田泥岩作业中有很高的推广应用价值。     

基于泥包最小化的PDC钻头水力参数优选

PDC钻头在泥页岩地层中钻进时,如果水力参数选择不当,极易形成泥包,严重影响钻井效率。现有水力参数优选标准并不适用于PDC钻头,且对特殊工况(如钻头泥包)没有针对性。为此,在对PDC钻头泥包机理及井底水力性能对其影响规律分析的基础上,推导了井底岩屑输运率公式,建立了基于泥包最小化(井底岩屑输运率最大化)的PDC钻头水力参数优选标准,给出了水力参数优选步骤,并进行了实例应用分析。研究发现:输运岩屑的能量主要来源于井底漫流水功率;无论是原始泥包还是二次泥包,提高井底岩屑输运效率,都能够预防或减少PDC钻头泥包现象。     

PDC钻头的水力设计和轮廓的减少泥包的关键

通过大量的实验数据论述ＰＤＣ钻头的水力设计和轮廓造型与钻头产生泥包的关系。提出具有抛物线轮廓和刮刀式水力设计的聚晶金刚石（ＰＤＣ）钻头在页岩地层中不易产生泥包，而采用脊式布齿或开放式表面水力设计的ＰＤＣ钻头或平／圆轮廓ＰＤＣ钻头则相反。同时，指出ＰＤＣ钻头的水对钻头泥包的产生具有更大的影响。     

PDC钻头泥页岩地层钻进泥包机理及对策研究进展

PDC钻头发生泥包时,切削齿和钻头体上会黏附大量的泥页岩切屑,影响破岩效率,弄清泥包机理是了解泥包影响因素、预防和清除泥包的前提。为此,通过调研、分析近年来国内外PDC钻头泥页岩地层钻进泥包发生机理、防止和清除泥包等方面的大量文献,从钻井液类型及性能、钻头结构、钻头水力学参数和PDC钻头其他处理等4项技术方面,总结论述了预防和减少PDC钻头泥包的新成果、新方法和新动态。进而认识到:①从微观层面研究泥页岩岩屑与钻头表面的黏附机理是研究泥包机理的未来方向;②通过向水基钻井液中添加化学添加剂以使其具有油基钻井液的性能的方法具有可取性;③预测泥包的钻头结构参数和水力学参数的确定需要大量的实验研究;④建立井底流场特点与钻头泥包的量化关系是今后数值模拟的研究方向。     

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钻头防泥包性能数值模拟研究

为量化研究水力因素对PDC钻头防泥包性能的影响规律,针对现场常用PDC钻头建立了三维流域模型,将岩屑视为从井底面射入流场的球状颗粒,基于CFD离散相模型(DPM)对固相颗粒运动进行追踪,将钻头体DPM边界条件设置为"trap(捕获)",用岩屑颗粒捕获率作为泥包概率的评价参数。数值模拟发现,岩屑颗粒在井底流场中的输运是沿程存在碰撞与反弹的不规则三维运动;当岩屑颗粒粒径小于1.0 mm时,其捕获率随粒径增大而减小;当岩屑颗粒粒径大于1.0 mm时,其捕获率随粒径增大而增大;喷嘴尺寸从8.0 mm增大至16.0 mm,岩屑颗粒捕获率逐渐增大;与五喷嘴相比,七喷嘴的岩屑颗粒捕获率更小;相对于不等径喷嘴组合,等径喷嘴组合方式情况下的岩屑颗粒捕获率更小。研究结果表明,岩屑颗粒捕获率随喷嘴尺寸增大呈线性增大,随喷嘴数量增大呈线性减小,随刀翼宽度增大呈线性增大,随刀翼高度增大呈线性减小。基于DPM的钻头井底流场数值模拟为PDC钻头防泥包性能研究提供了新的思路,可以为钻头防泥包设计提供理论指导。      

塔河10、12区三叠系地层PDC钻头防泥包技术研究

近年来,PDC钻头在新疆塔河油田10、12区的钻井过程中大都不同程度地出现过泥包现象,且其中以三叠系地层的泥包问题尤为突出,而泥包后往往严重制约提速及可能导致钻头损坏。本文从地质岩性、钻井液性能、钻头设计、工程参数及操作水平等方面入手,深入分析了PDC钻头钻遇三叠系地层时泥包问题频发的主要原因,并结合本地区现场实际施工情况,提出了针对性防泥包的技术措施及优化方向。     

基于比能理论的钻头工作状态监测方法

钻头工作状态是影响钻井机械钻速和钻井效率的重要因素之一,而钻头的地下工作环境具有高隐蔽性和不确定性,一旦出现异常,很难在第一时间被现场施工人员发现.文中分析了钻头工作状态的影响因素,利用Farrelly等人提出的比能法,通过多元线性回归模型计算钻头扭矩,得到钻进过程中钻头比能值监测的工程简化模型.比能监测值的异常变化,...     

牙轮钻头的轴承磨损及其随钻监测

根据实钻的22只钻头实测统计分析,轴承磨损初期其值较低且稳定,中后期出现间隙性峰值,其大小和数量与牙轮旷动数目和程度有比较清晰的定量关系。并推导出定量关系式及探讨出判断牙轮旷动程度模式。通过模式编制成微机程序,利用微机可随钻监测。     

长庆气田水平井PDC钻头防泥包技术

为实现长庆气田水平井钻井提速的目的,在斜井段中试验了PDC钻头,但均不同程度地发生了钻头泥包的问题。经过广泛的调研分析,找到了导致PDC钻头泥包的主要因素--钻井液问题,另外还有地层、钻井参数、PDC钻头流场设计等影响因素。为此,从强化钻井液抑制性出发,研制出了双钾盐聚合物钻井液体系并在现场应用获得成功,较好地解决了PDC钻头泥包问题。其中GP12 6井实现了斜导眼水平井单只PDC钻头穿越5套地层,平均机械钻速达11.25 m/h,起下钻、电测和下套管等作业均安全顺利完成。     

精密钻井公司的优质PDC钻头

美国精密钻井公司的联合金刚石分公司目前可生产50多种规格的PDC钻头,其钻头特点是无柄部、单体式结构、平形轮廓,从而能够优化自钻头中心到规径部位的切削深度.该公司通过应用最新的切削齿技术,使其新型优质非平面齿能够具有更好的抗冲击性能和耐磨性能,进而提高钻井效率.独特的设计结构、布齿方式、钻头轮廓以及非平面型切削齿的采用,使其钻头能够产生恒定的扭矩且造斜率稳定.     

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。     

钻头工作效率实时评估新方法

为了实时评估钻头的工作效率,增加钻井施工的可控性,对钻头工作效率实时评估方法进行了研究。基于前人提出的机械比能理论,对钻头扭矩进行简化处理并提出了岩石有侧限抗压强度理论,给出了相关计算公式,利用各参数间的相关性,反推出钻速方程,达到了通过邻井钻井数据预测钻速的目的。根据以上理论模型,开发研制了相关软件,实现综合利用测井数据、岩石力学参数、机械比能和机械效率等多类连续剖面科学评估钻头性能,并采用现场数据进行了验证。结果表明:该模型计算出的钻头扭矩、岩石有侧限抗压强度和机械效率等参数很好地反映了现场钻头运行情况和磨损程度,基本满足了钻井施工的要求。所研究的评估方法对钻头优选、钻井实时模拟决策和钻后分析具有指导性意义。     

钻井岩性实时识别方法研究

地层岩性的实时识别对及时调整钻井参数、有效控制井眼轨迹具有十分重要的作用。以录井资料为基础识别地层岩性,必须综合考虑钻井操作参数、水力参数以及钻头磨损状态的影响,而随钻过程中,就目前的技术还不能够实时测量钻头磨损状态。根据BP神经网络原理,建立了岩性识别双重神经网络模型。第1个神经网络用来在已知钻头磨损状态条件下,识别所钻地层岩性;第2个神经网络用来在已知地层岩性条件下,预测钻头磨损状态。2个神经网络通过钻头磨损状态参数连接起来,选取样本数据分别对2个神经网络进行训练,并结合随钻录井数据,根据岩性识别流程图对岩性进行实时识别。应用该模型在新疆油田进行了岩性实时识别试验,识别结果与测井解释结果相比,符合率达85%。应用结果表明该模型具有一定的合理性和实用性。     

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。     

单弯螺杆复合钻井时PDC钻头切削齿的工作参数

在采用单弯螺杆复合钻井时,PDC钻头切削齿的工作参数设计影响着钻头的工作性能以及钻井效率.PDC钻头在钻进过程中,钻头相对于井底做复合运动,一方面钻头绕自身轴线旋转并向下钻进,为螺旋运动;另一方面钻头在井底做规则或不规则的回旋运动.通过严格的数学推导,得出了切削齿的特征线方程,给出了刃前角和刃倾角的计算公式.利用计算公式,针对钻头结构参数,研究了侧转角、齿前角对刃前角和刃倾角的影响规律.