特种孕镶块加强PDC钻头的研制与试验

为提高PDC钻头在研磨性硬地层中的机械钻速、延长钻头寿命,研制了特种孕镶块加强PDC钻头.该钻头以PDC切削齿为主切削元件,天然金刚石孕镶块为副切削元件,既具有常规PDC钻头破岩效率较高的特点,又具有孕镶金刚石钻头在研磨性硬地层寿命长的特点.在钻头开始工作时,主要为PDC切削齿"犁切"式破岩,当PDC切削齿磨损到一定程度后,天然金刚石开始磨削岩石,形成"犁沟",有助于 PDC切削齿吃入并切削岩石.该钻头在东北金山气田金古 1-1HF 水平井基底花岗岩硬地层进行了现场试验,平均机械钻速达到4.46 m/h,是同井同地层常规PDC钻头机械钻速的1.5倍,是2口邻井同井段牙轮钻头和常规PDC钻头机械钻速的2倍以上,其使用寿命也达到2口邻井同井段牙轮钻头和常规PDC钻头的2倍以上,取得了良好的现场应用效果.特种孕镶块加强PDC钻头的成功研制,为钻进强研磨性硬地层提供了一种新的高效破岩工具.      

南海文昌区块深部地层旋转切削齿PDC钻头提速技术

针对南海西部海域文昌区块深部地层常规固定齿PDC钻头磨损严重、机械钻速较低的问题,研究了旋转切削齿PDC钻头提速技术。分析了文昌区块深部地层的钻井难点,基于地层和钻头磨损特征分析结果,用旋转切削齿代替常规PDC钻头肩部高磨蚀区的固定切削齿,并优化布齿,形成了适用于文昌区块深部地层的旋转切削齿PDC钻头,并在文昌区块3口探井进行了应用,结果表明,该钻头提速效果明显、单只钻头进尺长且出井钻头磨损评价良好。研究认为,旋转切削齿PDC钻头兼具攻击性和耐磨性,可有效提高南海西部海域文昌区块深部地层的机械钻速,建议在该区块和类似强研磨性地层推广应用。      

国外PDC切削齿研究进展

PDC切削齿是PDC钻头的基本切削单元,其性能的优劣对PDC钻头的钻进效果有着决定性的影响。为了提高硬地层、研磨性地层及非均质地层的钻井效率,降低作业成本,国外钻头厂商研发了一系列新型PDC切削齿。重点介绍了新型PDC切削齿的结构特征、破岩机理、优势和现场应用情况。国外钻头厂商在切削齿形状、材料优选和制造工艺等方面持续创新,创新设计的新型PDC切削齿层出不穷,极大推动了PDC钻头技术的进步,钻井性能得到不断提高,显著提高了机械钻速。建议开展混合PDC切削齿钻头的研发,进行精细化设计,充分发挥不同独特几何形状切削齿各自的优势,以适应硬度更高和研磨性更强的地层,为深水钻井、超深井钻井和干热岩钻井提速提效提供技术支撑。     

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钻头的新发展——PDC复合钻头

利用PDC钻头能在软地层获得高钻速的效果,利用天然金刚石钻头能在研磨性硬地层获得理想的钻速和寿命的特性,国外已出现了综合这两种钻头优点的PDC复合钻头。钻头的切削工作面沿其切削方向上相隔布着PDC齿和天然金刚石齿,而天然金刚石齿总是位于PDC齿之后,并且在出露尺寸上低于PDC齿;钻头的保径面上布有能抵抗研磨性地层磨损的几种性能各异的保径块。现场使用这种钻头的记录表明,其工作指标相当令人满意,而且单位进尺平均成本又低于其它类型钻头。     

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。     

定钻压、定转速条件下PDC钻头单切削齿磨损规律研究

PDC钻头切削齿的耐磨性相当高，要通过大量的室内试验来找出其磨损规律来是不现实的，因此很有必要找出一种PDC钻头切削齿磨损规律的研究方法。在简要分析切削齿磨损机理的基础上，对切削齿磨损规律进行了理论分析推导，得到了切削齿切削岩石时的线磨损速度模式。定钻压、定转速条件下的单切削齿磨损速度试验结果表明，切削齿的线磨损模式是正确的。该方法是研究PDC钻头切削齿磨损规律的一个新途径。     

硬地层PDC钻头设计的探讨

目前的PDC钻头只能有效地钻进软到中硬的比较均质的地层 ,而在硬的、研磨性和软硬交错等非均质地层中 ,或钻速低 ,或寿命短。为此 ,研究分析了剖面形状、切削齿布置、切削齿工作角、副切削齿等设计对PDC钻头性能的影响 ,提出了以同时加强钻头的稳定性、耐久性和钻进能力为目标的设计观点和建议。研制的新型PDC钻头采用了短抛物线形剖面和楔形人造聚晶金刚石孕镶块辅助切削齿结构 ,中密度布齿 ,切削齿后倾角由内向外在 10～ 15°范围内变化。试验表明 ,与牙轮钻头相比 ,PDC钻头钻速提高了 5 9 6 % ,每米钻井成本降低了 2 6 %。     

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。     

PDC钻头钻复合地层技术在旅大油田的应用

PDC钻头已经成为渤海湾优质高效钻井的一个重要手段。旅大油田由于地层均质性差，馆陶组地层的底砾岩对钻头破坏异常严重，需要对PDC钻头进行一系列的改进和处理。主要从布齿设计、PDC钻头切削件的优化、动态稳定性的改进以及合理钻井参数的选择等方面阐述了对PDC钻头机械钻速和使用寿命的影响，介绍了对PDC钻头的管理，分析了其经济效益。     

钻头评价新方法研究及其应用

在分析大量钻头使用资料的基础上,建立钻头效益指数模型。利用此模型对渤海油田馆陶组和东营组地层所使用的钻头进行评价,选出适合该地区的最优类型钻头。     

钻头评价新方法研究及其应用

在分析大量钻头使用资料的基础上,建立钻头效益指数模型。利用此模型对渤海油田馆陶组和东营组地层所使用的钻头进行评价,选出适合该地区的最优类型钻头。     

大庆长垣东部地区中深井钻头系列的评选

以现场试验资料为依据，分析了短翼下喷嘴刮刀钻头、ＰＤＣ钻头以及中长和加长喷嘴牙轮钻头的使用效果，并引用优先数法评选出大庆长垣东部地区中深井的最优钻头系列，为提高中深井钻井速度提供了可靠依据。     

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。     

PDC钻头钻进时扭矩影响因素研究

分析了钻压、每转进尺、切削齿磨损和岩性对ＰＤＣ钻头扭矩的影响，并用力平衡和能量守恒原理推导了ＰＤＣ钻头扭矩与这些因素的关系式。通过钻头台架试验证明ＰＤＣ钻头扭矩模式计算与试验结果相符，可用于指导井下动力钻具选用和设计。     

三牙轮钻头滑动轴承浮动衬套的抗胶合试验

带浮动衬套的滑动轴承已成功应用于三牙轮钻头，因高压喷射钻井工艺的需要，钻头轴承工作条件较为恶劣，导致浮动村套产生胶合卡死牙轮。为此，对用不同材料在不同热处理状态下的浮动村套进行了抗胶合试验。结果表明，Ｈ１３钢的中温气体硫氮共渗是制造钻头轴承浮动村套较为理想的材料和处理工艺，用它代替铍青铜合金固溶时效制造浮动村套是可行的，其磨损量为铍青铜合金村套的１／３，使用中能有效地防止浮动村套胶合卡死牙轮，可延长钻头使用寿命。     

牙轮钻头滑动轴承混合润滑时的载荷计算

牙轮钻头滑动轴承实际工作时摩擦副之间处于混合润滑状态，此时金属微凸体和油膜一起承担载荷。文中给出了计算混合润滑时油膜和微凸体承载比例的计算方法，并以８１／２ＸＨＰ滑动轴承牙轮钻头为例，分析了钻头运转参数和最小油膜厚度对轴承摩擦副间载荷分配的影响，结果表明：钻头的运转参数直接影响轴承摩擦副间的润滑状况，在一定范围内，提高转速能够改善润滑状况。混合润滑时最小油膜厚度有一个下限门槛值，若低于此门槛值，则这种载荷分配计算方法不再适用。     

牙轮钻头滚动轴承凸度设计探讨

国产牙轮钻头滚动轴承均采用直母线圆柱滚子，由于这种滚子的边缘效应，工作时两端接触压力呈奇异分布，导致接触区产生局部塑性变形，发生早期疲劳剥落。为提高轴承的承载能力，延长钻头的使用寿命，必须对直母线滚子进行修型，即凸度设计。针对牙轮钻头滚动轴承的特点，对钻头轴承圆柱滚子凸度设计和设计理论基础进行了探讨，分析了对数凸型、圆弧凸型、圆弧修正线型和理论修正线型等四种典型凸型对受力最大的大端滚子接触压力分布的影响，认为四种凸型均能在不同程度上消除或减轻直母线滚子的边缘效应，其中对数凸型是钻头轴承滚子的最佳凸型。     

牙轮轮背保径面的设计及计算机辅助计算

从分析三牙轮钻头的磨损和抗磨损机理入手，提出了牙轮轮背全形保径面的概念。给出了采用计算机辅助计算方法得到的牙轮轮背理论曲线方程、形状坐标值、图形和两种背齿的设计方案。探讨了牙轮轮背设计与钻头基本参数、整体结构和性能的关系，以及采用轮背全形保径后热量及受力对钻头轴承的影响。