研究钻头破岩机理的新设备和新方法

介绍一种研究牙轮钻头破岩机理的新型试验装置和试验方法。这套由微机控制操作和光电扫描采样的试验和分析装置，在工作原理和组成结构上与国内外现有的钻头试验架都不相同。它能更真实地模拟钻头牙齿破岩时的运动和受力状态，更准确地测量、分析试验结果，因而以研究牙轮钻头的破岩机理和设计技术提供更有实用价值的试验成果和数据。初步试验结果在新型钻头的开发设计中应用，已经证明这套装置的研究是非常成功和有用的。     

三牙轮钻头牙齿破岩的破碎坑几何建模与分析

岩石在钻头牙齿作用下形成的各种破碎坑和井底的测量与分析是钻头试验技术中的重要环节,也是研究钻头破岩机理和评价破岩效率的重要手段.以三牙轮钻头上单齿圈为对象进行试验,研究钻头破碎岩石后得到的破碎坑.针对不同岩石、不同齿形的硬质合金牙齿,进行了大量的牙齿刮切破岩试验,并利用逆向工程软件对试验数据进行整理计算.以勺形齿和楔形齿为例提出了牙齿刮切破碎坑几何模型的建模过程,并简要介绍了获取破碎坑几何模型特征参数的方法.     

PDC钻头破岩试验系统研制

钻头质量的优劣、与岩性和其他钻井工艺条件是否相适应等,影响着钻进速度、钻井质量和钻井成本.针对相应地层优化钻头设计参数,研制了钻头破岩试验系统.该系统采用液压装置给定钻压和转矩,计算机自动检测、控制并保存相关参数,能够真实模拟和分析钻井破岩机理,为钻头的优化设计提供试验数据.试验表明,该系统测试准确、性能可靠,应用前景广阔.     

金刚石钻头与牙轮钻头钻井特点对比分析

金刚石钻头与牙轮钻头在钻井中各自有着重要作用,两种钻头由于结构不同,其破岩机理、钻进特点、使用条件均不同。牙轮钻头主要靠敲击、压碎破岩、辅以剪切破岩;金刚石钻头主要靠剪切、切削破岩、辅以压碎破岩。金刚石钻头的钻压小、转速高、排量小,有利于纠斜防斜,可在高密度钻井液条件下使用,但它不能有效地钻进含燧石、黄铁矿和硅质的不均质坚硬地层。所以,在钻井中,应根据两种钻头各自的特点,采用“衔接使用法”将两种钻头配合使用,使其发挥最佳破岩效果。     

PDC切削齿直径对切削力的影响规律研究

针对不同地层岩性特点,需进行个性化PDC钻头设计,其中PDC切削齿的直径是重要的钻头优化设计参数之一。为了探究不同PDC切削齿直径对破岩切削力的影响,通过室内模拟试验方法进行研究。试验所用岩样为石灰岩。单齿破岩试验选取了?13.44、?15.88、?19.05、?21.95 mm的常规圆柱状PDC切削齿和3个不同的切削深度作为试验变量,使用三轴力传感器记录了切削力数据并收集了岩屑,对比了不同试验条件下单齿破岩过程的机械比能和不同直径切削齿的攻击性;使用水平钻机进行了全尺寸钻头破岩试验,对比了3种不同PDC切削齿直径的钻头在3 mm左右吃入深度下的破岩机械比能。试验结果显示：PDC切削齿的破岩切削力并不随着直径的增大而增大;在相同吃入深度下,?19.05 mm齿的破岩效果最好;随着吃入深度的增加,切削岩石所需要的力变大。全尺寸钻头破岩试验结果表明,?19.05 mm齿的全尺寸钻头机械比能最低。分析认为,在破岩过程中,PDC切削齿直径会改变岩石内部产生的应力区域,影响PDC切削齿的破岩效果。选取与岩性匹配的PDC切削齿直径能够取得最优的破岩钻进效果。研究结果可为PDC钻头优化设计提供部分理...     

钻柱-钻头-岩石系统动力学特性研究

钻头、钻柱和岩石系统作为一个整体,其动力学特性相互耦合,相互影响,而现有文献的研究中大都忽略了整个系统这种动力学耦合。鉴于此,考虑下部钻具纵横扭动力耦合、钻头与岩石非线性接触,建立了钻柱-钻头-岩石系统动力学模型。采用有限元法模拟了三牙轮钻头破岩钻进的动态过程。研究结果表明:在三牙轮钻头破岩钻进过程中,钻头与岩石互作用以及由此引起下部钻具振动均具有明显的非线性和随机性;由于牙轮钻头破岩方式以纵向冲击为主,钻具纵向振动强于横向,动钻压平均振幅达到静钻压的40%以上;扭转振动可能引起负扭矩现象。研究结果为牙轮钻头破岩机理及井下钻具非线性动力学特性的研究提供了新思路。     

九自由度牙轮钻头动力学模型研究

根据牙轮钻头动态和受力互为因果关系的特点,分别建立了钻头体和牙轮的动力学模型,并建立了9个自由度的牙轮钻头动力学模型。新建的牙轮钻头与岩石相互作用模型中考虑了扭矩、弯矩、横向力的平衡以及这些因素对钻头破岩过程的影响,并在此基础上建立了轮速比计算模型、牙轮钻头位移模型和岩石破碎仿真模型。通过仿真计算,得到了两种工况下牙轮钻头的位移和轮速比,模拟了破岩过程,为研究钻头与岩石相互作用机理提供了理论依据。     

旋风状井底模型的新型钻头运动特性

针对现有钻头心部破岩效率不高的情况,提出一种旋风状井底模型的新型钻头（旋切钻头）。通过研究旋切钻头的运动行为,分析钻头自转坐标系与公转坐标系,建立切削齿位置方程与速度方程,确定切削齿与岩石的接触段,得到接触段上的速度分布结果。根据算例计算与分析发现旋切钻头破岩过程大圈齿过中心,利用冲击与切削综合作用进行破岩,从井底为接触起点,井壁为接触终点,切削齿破岩行为具有从下往上、从里往外“刨”的效果。研究结论对于提高钻头心部破岩效率,进行切削齿破岩机理研究具有参考意义。     

复合齿形牙轮钻头及其破岩机理研究

针对现有牙轮（钢齿、镶齿）钻头已难以对一些复杂地层进行有效钻进这一现状，根据对牙轮钻头破岩机理的新认识，研制了一种新型复合齿形牙轮钻头。该新型钻头是一种具有新型齿面结构的牙轮钻头，其牙轮上的牙齿由齿形齿和盘式齿复合而构成，并且各牙轮上齿形齿和盘式齿的布置方式可根据硬地层等复杂地层的特性和钻井要求进行调整。两种齿对岩石的破碎作用将会互相影响，使得破碎岩石更加容易。为此，概述了国内外在复合齿形牙轮钻头方面所做的研究工作，并详细分析了这种新型钻头的结构特点和破岩机理，指出要研制出具有良好性能的复合齿形牙轮钻头，主要应从破岩机理、布齿方法与齿面结构、齿面强化工艺、钻头整体性能台架试验及复合齿形牙轮钻头结构设计等方面进行深入研究。     

复合运动条件下牙轮钻头牙齿破岩仿真

牙轮钻头的破岩过程是通过其牙齿直接完成的,清楚牙齿的破岩过程对研究整个牙轮钻头的破岩机理有重要意义.本文基于大型非线性有限元分析软件LS-DYNA,对牙轮钻头牙齿破岩过程进行计算机仿真.通过对同一齿圈不同齿形牙齿破岩效果的比较,为合理选择每个齿圈上牙齿的齿形,提高牙轮钻头的破岩效率提供依据.通过对比不同齿形牙齿在相同条件下的应力,还可以对不同齿形在相同条件下的使用寿命作出评价.     

超高压射流辅助钻井钻头设计

水射流作为一种新型切割工具运用于石油钻井中,与机械联合破岩可提高破岩效率.根据破岩机理、井队设备与地面条件,不改变原来三牙轮钻头的结构,设计了超高压射流辅助钻井钻头.钻头的设计主要包括高压合金管的设计、定心夹具的设计、喷嘴的设计以及超高压连接体的设计.     

混合钻头破岩特性研究

现有的常规PDC钻头和牙轮钻头均无法满足深硬地层、难钻性地层以及软硬交错地层的破岩要求。混合钻头在国内外的成功应用证明其具有较好的破岩效果,但对其破岩特性的研究还不够深入,导致混合钻头设计优化和推广受限。鉴于此,基于有限元分析法和弹塑性力学理论,以Drucker-Prager准则为岩石的本构关系,建立了混合钻头破岩仿真模型,开展了混合钻头破岩特性研究。研究结果表明:混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和,这与现场结论一致;牙轮主导型混合钻头适用于硬地层,PDC主导型混合钻头适用于软地层;混合钻头破岩特性与其自身结构有关。混合钻头破特性研究为促进混合钻头的优化设计和混合钻头的现场应用奠定了基础。     

牙轮—PDC混合钻头的破岩特性及温度场变化

较之于常规的PDC钻头或牙轮钻头,牙轮—PDC混合钻头有着更好的破岩效果,其破岩过程产生的热量对其使用寿命和钻井效率都有着重要的影响,但目前对其破岩过程中温度场和破岩特性的研究还不够深入。为了给混合钻头的优化和推广提供理论支撑,基于有限元法、弹塑性力学等建立钻头破岩仿真模型,据此研究了破岩过程中的混合钻头温度场变化规律和破岩特性。研究结果表明:(1)牙轮主导型混合钻头破碎岩石时牙轮切削结构先冲击岩石,形成破碎坑,PDC切削齿再进行剪切,而PDC主导型混合钻头由PDC切削齿对岩石进行刮切形成沟槽,牙轮切削齿再对岩石进行破碎;(2)混合钻头在破岩初始阶段温度上升较快,一段时间后趋于平稳且钻压越大温度越高;(3)较之于PDC钻头和牙轮钻头,混合钻头破岩过程中温度更低,混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和;(4)混合钻头在硬地层中的破岩温度高于在软地层中的破岩温度,而钻速则相反;(5)钻头破岩温度和破岩特性与其自身结构有关。结论认为,该研究成果有助于混合钻头的优化设计和推广应用。     

基于转动定律的钻头轮头速比仿真模型

在牙轮钻头的破岩过程中,影响牙轮转速的因素非常复杂,因此,研究牙轮钻头的轮头速比对岩石破碎机理研究和钻头设计都有重要的指导作用。总结了国内外以力矩平衡、最小功原理等为代表的几种牙轮钻头轮头速比模型的建模理论及其优缺点。通过分析台架试验数据,发现影响轮头速比的主要因素是外齿圈和次外齿圈的齿数、每颗触底齿与岩石的相互作用力、钻压及岩石的硬度。在此基础上,假设牙轮是对称结构、牙轮轴心线为牙轮中心惯性主轴,考虑影响轮头速比的钻头结构参数、钻压和岩石硬度等主要因素,建立了一种基于转动定律的牙轮钻头轮头速比仿真模型。采用数学回归方法对台架试验数据进行处理,求得了所建仿真模型的相关系数。对比分析发现,所建仿真模型的计算结果与台架实物试验结果相对误差较小,说明所建仿真模型可以用来计算实际钻头或仿真钻头的轮头速比,为牙轮钻头破岩机理分析和建立钻进仿真模型奠定了基础。      

三牙轮钻头轮体速比仿真模型研究

三牙轮钻头轮体速比对进行仿真研究，指导钻头结构设计、钻头选型等都起着关键性的作用。从理论上分析了三牙轮钻头的几何结构与牙齿受力的关系，确定牙轮存在一个主动齿圈，并结合最小功原理建立了求解轮体速比的模型，结合钻压以及岩石性质对轮体速比的影响，对该模型进行了修正。将钻头钻进砂岩时的台架试验牙轮/钻头速比实验值和利用模型计算所得牙轮/钻头速比计算值进行了对比，结果表明，该仿真模型能够有效地预测三牙轮钻头的轮体速比。     

盘式单牙轮钻头破岩机理试验研究

在简述盘式单牙轮钻头的结构特点和破岩机理的基础上 ,详细介绍了这种钻头在资中重二砂岩上进行台架试验的破岩过程、试验数据和动态曲线。试验结果分析表明 ,盘式单牙轮钻头钻进破岩时牙齿在接触井底过后有一个较长的滑移过程 ,运动轨迹成网状相互交叉 ,与井底接触的牙齿过渡平稳 ,从而减小钻头的振动 ,有利于提高钻头轴承和齿面的寿命。这种钻头的缺点是盘式齿在长距离滑移切削过程中磨损较快 ,在某些地层钻进时钻头性能不如普通牙轮钻头和PDC钻头。     

直井牙轮钻头碎岩功率研究

针对国内外现用计算钻头碎岩功率的经验公式不能完全反映功率与各参数之间的定量关系的现状，在考虑牙轮钻头和岩石各向异性的基础上，首先建立了牙轮钻头与岩石碎屑间的摩擦力所消耗功率和牙轮钻头破碎岩石所消耗功率的模型，综合两模型建立了更适用直井牙轮钻头碎宕功率的模型。由此模型可知：合理增加钻压、选择合理的转速和牙轮结构能提高牙轮钻头的碎岩功率，从而达到提高机械钻速的目的。这对实际的钻探工程来说具有十分重要的指导意义。     

基于VB.NET和MATLAB 的三牙轮钻头仿真软件开发

随着钻井地层的日益复杂,对钻头结构的改进提出了新的要求。利用计算机仿真方法,在已建立的牙轮钻头几何学、 运动学模型和钻头与岩石互作用模型的基础上,通过MATLAB 编程,求解所建立的各模型。为了解决软件的运行效率及不易 操作的问题,采用了VB.NET 来编写界面。通过MATLAB 编译器将模型文件转化为.NET 组件（DLL 文件）,与VB.NET 交互, 实现仿真软件的开发。利用该软件进行牙轮钻头破岩过程仿真可得到牙齿图形、任意时刻的井底模式及机械钻速等,对钻头的 优化设计有重要的指导意义。     

非均质地层锥形辅助切削齿PDC钻头设计与试验

为了提高PDC钻头在非均质地层中的机械钻速和延长钻头使用寿命,研制了带有锥形辅助切削齿的PDC钻头。该钻头以PDC齿为主切削元件,锥形齿和PDC齿为副切削元件,开始工作时以PDC切削齿剪切破岩为主,当PDC切削齿吃入地层到一定程度后,锥形齿开始犁削岩石形成裂纹,有助于PDC齿以较小切削力破碎岩石;相邻2个刀翼的后排齿分别布置锥形齿与PDC齿,用于钻头钻进后期的提速提效,既具有常规PDC钻头破岩效率稳定的特点,又具有锥形齿在非均质地层破岩效率高的特点。现场试验表明,与常规PDC钻头相比,锥形辅助切削齿PDC钻头在非均质地层中使用寿命长、机械钻速高。锥形辅助切削齿PDC钻头的成功研制,为钻进非均质地层提供了一种新的高效破岩工具。      

锥形PDC单齿破岩试验研究

为优化锥形PDC齿钻头的结构设计并提高其钻进硬地层的能力,通过锥形PDC切削齿在玄武岩上的破岩试验,分析了切削角、锥顶角及钻压等因素对锥形PDC切削齿破岩效率的影响规律。结果表明:锥形PDC齿适合其锥尖指向钻头轴线安装在钻头上;随着切削角增大,切削深度先增大后减小,当切削角为25°时,切削深度最深;破碎相同体积的岩石,锥顶角小的锥形PDC齿所需的水平切削力小,更易破碎岩石;切削深度与钻压呈指数关系,随着钻压增加而增大。试验结果可为锥形PDC齿钻头结构设计提供依据。