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齿磨损前后钻头钻进能力对比实验与分析

PD C钻头能钻进的地层越来越宽,已能钻进硬地层和复杂夹层,但在硬地层中其机械钻速普遍较低。针对上述现象开展了PD C齿正常磨损前后的钻头钻进能力对比实验和分析,并提出建议。P D C钻头能正常钻进的前提是P D C齿能有效地吃入岩石;钻头磨损后攻击性减弱,PD C齿不能很好地吃入地层,是钻头机械钻速下降和发生打滑的根本原因;钻头磨损后加大钻压能增加PD C齿吃入岩石的能力,改善钻速,但也加快了钻头的进一步磨损,当磨损到一定程度时,加压提速的效果并不明显。建议,作钻头分析设计时针对硬地层应充分考虑钻头的攻击性;应进一步开展磨损状态下的钻头分析。     

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。     

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。     

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。     

PDC钻头泥页岩地层钻进泥包机理及对策研究进展

在钻井工业中,PDC钻头泥页岩地层钻进泥包的现象经常出现。本文分析其泥包机理,总结形成钻头泥包的影响因素．进而提出三个方面的防止PDC钻头泥页岩地层钻进泥包的对策。     

自适应PDC钻头研制

传统固定式PDC钻头在一次性钻穿不同岩性地层时，会出现扭转振动、跳钻、黏滑等问题，导致钻头磨损严重，甚至崩齿，影响钻头使用寿命，降低钻井速度。为此，研制一种在钻井过程中可自主调节切削深度的PDC钻头，从其结构特点、工作原理、技术参数选取等方面进行了详细阐述，并通过CAD三维仿真软件对自适应PDC钻头进行力学性能分析，评价其结构合理性和方案可行性。分析结果表明：PDC钻头刀翼采用独立悬挂模式，利用活塞原理使钻头刀翼根据地层变化进行轴向运动来避免钻头振动、黏滑的结构是合理可靠的，满足现场应用条件。自适应PDC钻头研制推动了钻井智能化发展，为解决钻头使用寿命短、钻井效率低问题提供了新的思路和方法。     

砾石钻具内钻头的结构及强度分析

通过分析砾石钻具内钻头的结构,以确定该钻具在松散地层、卵砾石地层地震勘探高效成孔速度要求下使用的可行性.针对受力复杂的内钻头,利用有限元理论,采用ANSYS工程软件对其进行强度分析,并提出了改善其疲劳强度不足的方法.     

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     

砾石钻具内钻头的结构及强度分析

通过分析砾石钻具内钻头的结构，以确定该钻具在松散地层、卵砾石地层地震勘探高效成孔速度要求下使用的可行性。针对受力复杂的内钻头，利用有限元理论，采用ANSYS工程软件对其进行强度分析，并提出了改善其疲劳强度不足的方法。     

适应深孔条件的孕镶金刚石钻头分析

为解决深孔硬岩地层钻探施工中存在的钻头磨损、钻探效率低问题,本文通过对孕镶金刚石钻头及其磨损形态进行分析,围绕金刚石选取与预处理、钻头胎体配方改进设计、烧结模具与工艺优化三个层面,探讨了孕镶金刚石钻头的改进设计方案,提出适应深孔条件的孕镶金刚石钻头,旨在为钻探施工提供参考。     

一种新型伸缩式复合钻头伸缩机构的设计制作

设计了一种新型伸缩式复合钻头的伸缩机构形式,通过改变钻井液压力的大小,控制伸缩机构上下运动,从而实现伸缩柱下端牙轮钻头的伸出和收缩;针对不同的地层该复合钻头上的牙轮钻头和PDC刀翼可以实现单独或混合破岩,该设计为当下高效破岩工具的研究提出了新的方向。     

钻进极硬地层时金刚石钻头的另一种设计方法

当出现可钻性XⅠ以及XⅡ等特别硬的地层时，金刚石钻头在设计上就要具备低浓度、细颗粒以软胎体等特点，这是传统设计理论的观点。而笔者则在文中介绍了另外一种设计方法，该设计方法在实践中得到了很好的运用，不仅在极硬地层钻进时的效率高，而且钻头的性能也非常的好。此外，使用的时间也比较的长，因此在这类地层中具有很强的适应性。     

近钻头地质导向钻井技术在江苏油田应用初探

就对江苏油田水平井开发以来,地质导向技术已成为水平井开发应用的关键技术,随着江苏油田迫切需要提高复杂小断块油田的开发效益,提高探井的发现率和开发井的钻遇率,近钻头地质导向钻井技术在复杂地层、薄油层发挥其近钻头优势进行了一些探讨,并对近钻头地质导向系统在江苏油田水平井应用进行了分析。     

旋流式反循环钻头孔底流场模拟分析

贯通式潜孔锤反循环钻头结构经过不断的改进,已改善了反循环效果,但是在钻进坚硬、破碎地层和仰孔钻进作业中,仍存在反循环形成不彻底的问题。采用Fluent软件,结合无底喷孔的旋流式反循环钻头结构,分析了引射孔数量与孔径对引射孔仰角为60°,中心偏距为10.33mm的旋流式反循环钻头孔底流场的影响,为优化旋流式反循环钻头结构参数提供理论依据。分析结果表明,当两个直径9mm引射孔均匀分布时,旋流式反循环钻头可形成最佳的反循环效果。     

凿岩机械与气动工具

GJ20064149贯通式潜孔钻头钻进复杂地层防卡堵试验研究[刊,中]/王如生…//煤矿机械.—2005,(7).—40～43贯通式潜孔锤反循环连续取心(样)钻进技术作为一项高新技术,在实际施工中经常遇到复杂地层(如坚硬破碎地层、卵砾石地层和溶洞地层),尤其在我国西部,钻进过程中经常发生一些     

海底松软地层取心钻头的设计与结构优化

针对于海底松软地层取心困难,设计了一种新型海底底喷取心钻头,并进行了陆地钻进试验,初步验证了钻头的可行性。利用CFD软件对钻头孔底流场进行数值分析,得出了冲洗液平均上返速度。同时利用ANSYS进行流固耦合仿真,分析了钻头在海底加压钻进时的受力情况。以冲洗液最大上返速度与钻头最大应力为设计目标,以钻头水眼、水槽、隔水间隙的尺寸为设计变量,通过中心复合设计法生成试验所需的设计变量的样本点,对生成的样本点进行有限元分析得到样本点的响应点,借助最小二乘法建立近似模型二阶响应曲面。采用折中法建立多目标优化模型,并用遗传算法进行求解。结果表明,冲洗液上返速度上升7%,钻头最大应力降低13%。     

新型液力衡扭旋冲提速工具的研制与应用

新疆塔里木盆地却尔却克组地层研磨性强、机械钻速低、单只钻头进尺少。新研制的液力衡扭旋冲提速工具具有衡扭旋冲和水力脉冲功能,在深井坚硬地层提速方面取得较好效果,应用于新疆城探1井提速效果显著,各项指标超过了国外产品,取得了较好的经济效益。     

基于ABAQUS的硬质合金齿强度分析

随着国内勘探力度不断加大,钻井深度不断提高,牙轮钻头在深部地层钻进中发挥着重要作用。在高钻压、高转速下,小尺寸三牙轮钻头硬质合金齿受的动载大,且齿的尺寸相对较小,常常发生硬质合金齿的松动、断裂、脱落。因此,对小尺寸牙轮钻头的硬质合金齿结构进行强度分析研究,具有十分重要的意义。以小尺寸三牙轮钻头硬质合金齿为研究对象,建立了3种牙齿模型;通过ABAQUS软件对硬质合金齿进行静强度分析,获得了牙齿结构Mises应力分布情况;通过Fe-Safe软件对硬质合金齿作疲劳强度分析,获得了疲劳寿命和安全系数;对强度较差的1号楔形齿进行结构优化,强度提升明显;对指导小尺寸牙轮钻头牙齿结构设计具有一定意义。