基于LS-DYNA的PDC钻头受力模型分析与研究

金刚石复合贴片钻头(PDC)切削齿角度对工作效率和性能有着重要影响,利用钻头切削齿对岩石进行切削实验,分析了切削面积、接触弧长、抗钻强度和后倾角等因素对钻头受力的影响并建立了切削齿的综合受力模型。根据工件材料的测试数据,通过LS-DYNA仿真软件对PDC钻头单颗粒切削岩石过程进行了模拟仿真,采用自适应网格划分分离切削,实验结果与计算结果之间误差均在5%内。此研究为PDC钻头优化设计和应用推广提供了理论依据。     

锥形聚晶金刚石复合片和可旋转切削齿技术简介

PDC钻头有着较高的钻进效率,一直受到客户们的青睐,但它受所钻地层、孔深和温度等因素的制约,使得钻头切削齿寿命较低。最近几年,国内外专家针对如何提高切削齿性能开展了诸多研究,并取得了不少成绩。主要介绍了美国史密斯钻头的2项最新PDC切削齿技术——锥形聚晶金刚石复合片和ONXY 360旋转切削齿。实钻试验表明,采用这2种新型切削齿技术的PDC钻头,钻进效率和寿命都有了明显提高。     

煤层底板灰岩层注浆定向水平井用PDC钻头个性化设计

针对煤层底板灰岩层定向水平注浆井钻进工艺特点及灰岩层地层特性,通过分析现场地质特征及构造、钻孔设计以及井身结构等特点,对拟钻地层特性、钻进工艺以及常规钻头磨损情况进行研究,对钻头剖面形状、切削齿排布、切削齿安装角度以及金刚石复合片优选进行优化设计。新设计钻头采用抛物线剖面,极限密度布齿并针对关键部位增加后备齿加强的方案,降低钻头关键部位磨损,提高钻头攻击性,以通过数值模拟分析异形切削齿破岩效率,以强化鼻部切削齿,提高钻头抗冲击韧性,防止钻头冲击破坏。采用优化设计的钻头进行现场试验,使用寿命较常规PDC钻头提高58.18%|复合钻进平均速度较常规PDC钻头提高50%|定向钻进平均速度较常规PDC钻头提高56.52%,实现了灰岩层底板注浆施工优快钻井需求,为硬岩裂隙地层定向井钻进施工提供了钻头设计方案,为同类地层注浆井的施工提供了技术支撑。     

6-8级岩层PDC锚杆钻头的研究

概述。本项目首次采用新型超硬材料——聚晶金刚石复合片(PDC)作为锚杆钻头切削齿，研制出了能替代硬质合金锚杆钻头，主要适用于6～8级岩层的长寿、高效、经济的PDC锚杆钻头，填补了国内空白。将优化设计方法应用于锚杆钻头的设计，通过室内试验、合理布齿的设计研究以及多次改进设计，确定了钻头的优化机械和水力结构参数、优化切削齿形状、经济有效的保径方式、合理的钻头体材质及其热处理工艺。与硬质合金锚杆钻头相比，PDC锚杆钻头具有寿命长、钻速高、每米进尺费用低等特点，是钻进中硬岩层理想的钻头。     

哈萨克斯坦KKM油田钻具强稳降振提速技术研究

KKM油田下部砂泥岩互层非均质性强导致井下钻具振动剧烈、PDC切削齿寿命低,且井眼易偏斜。目前在用PDC钻头多采用5刀翼或6刀翼16 mm切削齿以降低井下振动保证PDC钻头寿命,但降低了钻头攻击性导致机械钻速较低。针对KKM油田下部地层特点,优选了4刀翼19 mm复合片PDC钻头。该钻头具有较高的破岩效率和攻击性,可大幅度提高机械钻速;同时通过底部钻具组合动力学分析,优化形成了双稳定器+单稳单弯(0.5°)钻具组合,3个稳定器串联具有较强的稳定降振作用,配合小弯角螺杆钻进可有效提高防斜能力,降低了井下振动,配合大尺寸聚晶金刚石复合片PDC钻头实现了三开井段一趟钻完成的目标,机械钻速提高115.35%。     

国际油气井钻头进展概述(四)——PDC钻头发展进程及当今态势(下)

近年来,非平面PDC切削齿,如浅凹面PDC齿、Stinger毒牙中心锥形齿、Stinger毒牙刀翼锥形齿、Axe Blade斧式脊形PDC齿和Stay Cool保持冷却PDC齿等制造的钻头,逐步在油气钻井中得到有效的应用。这些钻头能够以较高的钻进效率和工作寿命钻进某些硬岩和研磨性地层。为了满足水平钻井,特别在页岩气水平井中能够强力排除岩屑,并具有优良的钻井导向性能,国际著名公司推出了许多新型钻头,如ONXYⅡ矛式PDC钻头、Seeker导向PDC钻头、Counter Force反力PDC钻头、Speed快速PDC钻头等用于当代油气钻井,取得了良好的效果。文章还介绍了Defyer DPA套管钻头与Cutt Pro PDC防剪切保护帽。提出了以下建议:继续深入研究PDC钻头,以提高其性能,更好地满足油气钻井的要求;组合化钻头是油气钻头发展的重要趋势;比金刚石性能更好的钻头切削材料有可能今后发现或合成,可用于制作更佳钻井钻头;我国钻头企业需重组和发展状大;各种钻头技术创新应该加强。     

PDC钻头切削齿布齿设计的新思路

切削齿布齿设计是PDC钻头设计的关键。为提高PDC钻头的钻进效率,综合考虑PDC钻头切削齿的设计特点和切削先后顺序等因素,并且通过对PDC钻头单切削齿实验结果进行分析,提出了以冠部轮廓法线为基准的切削齿布齿设计方法。     

PDC钻头切削齿破岩载荷规律的分析

对PDC钻头冠部形状及不同的布齿密度和切削齿在不同的磨损状态下对PDC钻头切削齿受力的影响进行了分析；用相邻的3个切削齿之间的关系（不同的切削齿与切削齿之间的径向距离和切削齿之间的高度差）来分析PDC钻头冠部形状和切削齿布齿密度对切削齿受力的影响，以及将切削齿的磨损状态简化成与切削齿在钻头上装配方向垂直的平面来分析切削齿磨损状态对切削齿受力的影响。     

硬岩钻进用仿生PDC切削齿优化与破岩机理研究

为了提高聚晶金刚石复合片(PDC)切削齿的破岩效率,将仿生非光滑理论应用到PDC切削齿的表面形态设计中,通过对波浪形、三角形和梯形金刚石层表面形态的仿真模拟,优选出三角形表面形态为最佳结构;以φ13.44 mm×8 mm的PDC切削齿为例,通过仿真模拟对三角形凹槽数量进行了分析,最终确定3个三角形凹槽为最佳;按照确定的优化设计方案,根据不同材料和工艺设计加工了4种大锯齿仿生PDC切削齿,通过微钻试验台进一步对比分析了仿生PDC切削齿与平面PDC切削齿的钻进效率。结果表明:大锯齿仿生PDC切削齿钻进效率明显优于普通平面片,但是破岩过程中容易出现"崩片"现象,为保证使用寿命,在材料和加工工艺方面应比普通平面片要求更高。     

仿生高效切削齿试验研究

在仿生高效耐磨理论的指导下,以鼹鼠爪趾为仿生原型,引入了其经长期进化而具有的高效、耐磨的特性。选用CVD多晶金刚石为切削齿的切削单元,采用真空热压烧结工艺制备仿生高效切削齿,并将其与常规PDC齿、仿生PDC齿的耐磨性和切削效率进行对比试验,结果显示:仿生高效切削齿的耐磨性较常规PDC齿提高23%;切削效率较常规PDC齿提高1.49倍,较仿生PDC齿提高48%。初步证明了仿生高效切削齿工艺的可行性,为下一步高效切削钻头的研究奠定了坚实的基础。     

地质PDC取心钻头切削载荷有限元分析

通过建立钻头切削岩石的力学模型,对PDC取心钻头切削齿受力进行了分析,并对钻头切削齿切削岩石受力进行了有限元分析,得出PDC钻头在载荷下的应力应变分布,为地质PDC取心钻头的优化设计和合理使用提供了理论依据。     

高研磨性地层复合式钻头的研制与应用

金山气田、龙凤山构造、长岭断陷等登娄库组以下深部地层可钻性差,研磨性强,导致钻头磨损严重,使用效率低。在对牙轮钻头、PDC钻头及孕镶金刚石钻头在高研磨性地层中的适应性进行细致和全面分析的基础上,提出了把PDC钻头机械钻速高和孕镶金刚石钻头进尺多的技术优势相结合的研制思路,开展PDC+孕镶复合式钻头设计。现场应用取得了良好的试验效果。提出了合理化的建议。     

切削齿型结构对金刚石钻头钻进性能影响的仿真分析

基于有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立了孕镶金刚石钻头的三维有限元模型,研究了钻头切削齿结构对钻进性能的影响并进行现场试验验证,提出了一种基于Image-Pro Plus的应力面积分布对比方式。结果表明:同心环齿型钻头在钻进初期沿旋转方向切削齿前缘出现应力集中现象,花齿型钻头未出现明显的应力集中;2种齿型钻头在钻进后期均会不同程度出现内外径边缘靠近水口部位应力集中现象,易导致钻头内外径部位变相磨损;花齿型钻头的钻进效率要优于同心环型钻头,但是钻进寿命有所下降。     

孕镶金刚石钻头工作层不均匀磨损原因的研究

通过理论分析和生产试验，论证了孕镶金刚石钻头工作层高度磨损不均的主要原因是：在金刚石等浓度分布和质量相同的情况下，因采用矩形水口使得唇面金刚石沿半径线由外向内切削工作负担逐渐加重所致。提出了改善措施。     

新型仿生PDC齿高效切削机理及试验研究

利用仿生耦合理论,根据贝壳和蝼蛄等动植物的非光滑形态结构研制了一种新型的仿生PDC齿,并利用有限元软件abaqus对单个齿磨损前后的运动过程进行分析,与普通PDC齿的应力分布状态进行对比,可以看出,在同等条件下,非光滑PDC切削齿的应力大小及分布情况要明显优于普通的PDC切削齿,具有良好的碎岩效果。此外还对这2种切削齿进行了磨耗比试验,试验结果进一步证明了仿生PDC齿具有一定的优越性。     

基于Pro／E的PDC钻头三维参数化布齿设计

合理的布齿是保证PDC钻头有优良工作性能的关键。在Pro／E中建立了切削齿三维实体模型和PDC钻头三维参数化实体模型，并编写了相应的计算程序．计算各个切削齿前后中心点的精确坐标，并对Pro／E模型进行验证。为PDC钻头布齿设计提供了可靠的依据，为PDC钻头精确布齿走向自动化打下了基础。     

电镀热压人造金刚石孕镶块嵌齿薄壁钻头的研制

采用低温电镀工艺 (室温 )生产热压金刚石孕镶块钻头 ,或者说把金刚石孕镶块镶嵌在钻头钢体上 ,然后在其表面镀覆一层金刚石复合镀层使其与钢体相结合从而使其避免银焊对金刚石的二次热损伤 ,使这种钻头具有胎体性能可调性好和内外保径强的优点。经探索性试验 ,取得了较好的效果 ,受到了用户好评     

煤矿井巷用PDC锚杆钻头的研究

通过对PDC锚杆钻头的一系列室内试验研究及多次改进设计,获得了钻头的优化结构参数、优化切削齿形状、合理的钻头体材质以及热处理工艺。现场试验结果表明,PDC锚杆钻头是钻进中硬岩层的理想钻头。