全局力平衡PDC钻头布齿优化设计

针对聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在钻井破岩过程中因受力不平衡,导致钻井倾斜、井径扩大、钻头产生横向振动和涡动,造成钻头早期失效的问题,基于已有PDC钻头切削力学知识,构建了PDC钻头弯曲力矩及全局力平衡布齿优化设计模型,并提出模型求解方法。布齿设计实例结果表明,采用全局力平衡布齿设计方法得到的布齿结构可使PDC钻头在不同进尺条件下均能保持全局力平衡状态,尤其低进尺（小于1 mm）时的力平衡状态得到极大改善,提高了PDC钻头的钻井稳定性,对于改善钻头受力、提升钻头使用寿命、提高钻井质量与效率具有重要意义。     

北方风雷公司成功试制钻具新产品——PDC钻头

近日,中国兵器工业集团北方风雷公司成功试制出了外观精美、性能合格的5刀翼双排齿PDC钻头。PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称,是石油钻井行业常用的一种钻井工具。自接到研发任务后,研发设计人员进驻油田钻井一线,认真观察钻井实际情况,根据油田的地质情况,设计出最适合油田使用的5刀翼双排齿PDC钻头,在齿的设计技术和布齿方面实现了重大的突破。     

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。     

牙轮钻头滑动轴承失效分析

收集了近几年20只现场失效牙轮钻头,对其轴承表面金相组织和硬度以及影响牙轮钻头滑动轴承失效的主要因素进行了分析。结果表明,牙轮钻头在工作过程中温度升高引起的轴承表面金相组织发生改变、硬度降低、抗磨性能减弱,是导致牙轮钻头轴承在高转速下快速失效的根本原因;牙轮钻头轴承的主要失效形式就是粘着磨损,其中载荷工况、相对滑动速度和表面涂层是影响牙轮钻头滑动轴承摩擦学性能的主要因素;采用在原轴承基础上加入浮动套的方法降低原轴承的相对滑动速度,是目前提高牙轮钻头滑动轴承摩擦学性能,延长轴承在高速钻井下使用寿命的有效途径。     

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。     

泥浆泵人字齿点蚀原因分析

钻井泥浆泵是石油钻采机械的重要组成部分,其作用是通过循环系统中的高压管汇向井底输送钻井液,用以冷却钻头、清洁井底、破碎岩石、携带岩屑和平衡地层压力等。随着石油钻探技术的不断发展和进步,对于钻井泥浆泵的要求也越来越高,但是目前使用的钻井泥浆泵经常会出现人字齿点蚀的情况,严重影响到石油钻探工作的质量和效率。本文中将介绍泥浆泵的结构以及受力情况,重点分析人字齿点蚀的原因,最后提出解决的方案。     

英国研发出新型钢齿高速钻井钻头

HughesChristensen公司的研发团队经过3年的努力．日前成功研发出业界最快的钢齿切削结构，其FastMax钻头产品可以为海上或陆上钻井提供更高的钻井速度。     

钻井转矩保护器的研制

PDC钻头在钻遇复杂地层时,转矩波动较大、蹩跳钻现象严重,其不仅会缩短PDC钻头的使用寿命,还容易导致井下钻具断裂,影响钻进效率。为此,研制了钻井转矩保护器,并完成了厂内试验。钻井转矩保护器主要由压扭转换机构、储能机构和密封油浴机构组成,能够起到轴向和周向的减震作用。工作时一旦井下转矩超出工具的预设值,碟簧组被压缩,储存能量,工具收缩,钻头上齿的切削深度减小;当钻头转矩正常时,储存的能量会缓慢释放。厂内试验结果表明,钻井转矩保护器缩回、伸出和转动灵活,试验数据全部满足设计要求。     

基于GBDT算法的空气冲旋钻井机械速度预测方法

在石油开采中,为在坚硬且严重倾斜的地层中准确感知钻井速度、避免增加井斜角,提出一种基于GBDT算法的空气冲旋钻井机械速度预测方法.在建模分析冲旋钻头的基础上建立坐标系,平移、旋转处理位于坐标系上的齿头点,使其全部处于在冲旋钻头上.采集钻井机械在工作状态下的各项参数,利用GBDT算法的基函数线性组合分类方式,在反复训练过...     

定向穿越扩孔钻进软硬夹层钻头振动特性研究

针对管道铺设定向穿越扩孔施工钻遇软硬夹层时扩孔钻头过量磨损、掉齿和掉牙轮乃至发生灾难性埋井事故等工程问题,通过有限元方法建立全尺寸扩孔器动态破岩的非线性动力学三维仿真模型,研究了扩孔器在软硬夹层钻进时的振动特性,给出了扶正器的结构参数、回拖力和转速组合的临界参数。结果表明,扩孔器在软硬夹层钻进时其横向振动加速度峰值、加速度有效值分别为纵向振动的5.3倍、5.2倍,说明扩孔器横向振动过于剧烈是导致其过早失效的根本原因;安装扶正器对扩孔器在软硬夹层钻进时有非常明显的减振效果,其横向振动强度比无扶正器时减小了77.6%,钻速提高了57.5%。     

流道形状对PDC钻头携岩和冷却效率影响研究

在实际钻井过程中,PDC钻头的流道形状对钻头是否泥包有着重要影响。为了深入了解流道形状对PDC钻头携岩和冷却效率的影响规律,文中通过改变排屑槽轮廓平分线与切削轮廓平分线的夹角α值大小来调整PDC钻头模型的流道形状,并对各钻头模型进行破岩仿真获取各个切削齿的切削量、岩屑初始运动速度和方向;将具有一定质量流量、初始运动速度和方向的岩屑假设为从齿面生成进入流场的球状颗粒,采用拉格朗日粒子追踪法对岩屑颗粒运动进行追踪;把滞留岩屑量、流道排出岩屑匹配值均方差σ和切削齿散热量相对值作为钻头携岩和冷却效率的量化评价指标。数值结果表明:流道形状直接影响钻头的携岩和冷却效率,α值越大σ越小,井底的滞留岩屑量越小,钻头冷却效率越高。受PDC钻头结构设计限制,流道的形状设计存在一个最优值,且其最优夹角α值应在0°左右,正角最佳。     

发动机钻孔加工中钻头崩刃及断刀问题解析

对机加工中常见的钻头失效模式进行了总结和分析,从深孔加工、倾斜表面钻孔、钻孔的冷却与润滑等方面结合钻头使用的相关原则,对发动机生产领域的钻头失效的案例进行解析.钻头选择及使用时背离了这些基本原则往往会导致钻头的异常磨损、崩刃、断刀,钻头失效的解决需从这些基本原则入手和分析.     

齿轮传动的失效形式分析

根据齿轮传动的工作特点,齿轮传动的失效主要在轮齿部分。轮齿的失效主要包括齿体和齿面两方面,常见的失效形式主要有:齿体折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面塑性变形和齿面胶合等。     

新型斜控PDC钻头冠形设计与破岩机理研究

针对新型油气资源开采的复杂条件,为提高新形势下定向井造斜段井眼质量,提出一种新型斜控PDC钻头。首先根据刀翼线型轮廓设计准则,突破现有锥形心部曲线的局限,将传统锥形心部曲线变为圆弧过渡型曲线;综合考虑影响钻头造斜能力的关键因素,结合布齿参数与钻井实际工况,建立切削齿破岩过程的力学分析模型,然后在此基础上分析钻头造斜易控特性。研究结果表明:传统PDC钻头的锥形心部是制约钻头偏转的关键因素,钻头心部曲线变为圆弧轮廓后,其偏转易控特性得到较大提升。同时通过现场试验,将新型斜控PDC钻头与现有钻头的造斜段钻进性能进行对比,分析其定向钻进的破岩特性与造斜能力。研究结论对钻头破岩机理的研究及定向井技术的发展具有重要的参考价值。     

钻头截齿布置方法及焊装定位装置研究

钻头是螺旋钻采煤机最重要的部件之一,钻头的设计及截齿布置一直是一个比较难解决的问题。本文通过理论分析总结了钻头的一般设计流程;分析了钻头截齿径向、周向和轴向布置原则和相关参数的选取原则;在实际试制过程中,通过一种简单实用的截齿焊装定位装置调整截齿空间位置,提高了钻头截齿焊接精度和工装效率。     

PDC钻头逆向设计方法研究

利用PDC钻头几何学的基本原理对PDC钻头切削齿空间位置的测量方法进行了推导,得出了关于切削齿的齿心坐标、后倾角、侧倾角等空间位置参数的计算公式,并且给出了将测量数据转化为设计数据,以及根据测量数据进行PDC钻头三维CAD建模的方法。     

深井条件下柱塞泵的失效分析

深井条件下实施垂直钻井的新型AADDS设备需要承受30 MPa以上的压力变化、比地表温度至少高100℃的温差以及钻头附近高达50 g以上的冲击加速度。考虑到这些恶劣工况的影响,在AADDS设备中柱塞泵上设置了三道密封。但经过测试后发现柱塞泵正常工作一段时间后就会失效,严重影响了钻井效率。该文分析了柱塞泵失效的原因并且提出了2种解决方案。试验结果表明有效地解决了上述问题。     

异形PDC齿切削破岩提速机理研究

在室内切削实验基础上基于有限元二次开发建立了异形齿切削及全钻头破碎非均质花岗岩的三维数值仿真模型,研究了12种形状聚晶金刚石复合片(PDC)齿切削非均质岩石过程中的切向力、法向力、岩屑、破岩比功,并研究了齿形对全尺寸钻头破岩效率的影响。研究结果表明：锥形齿的切向力最小,破岩比功最高,对应的锥形齿钻头的进尺也最小;三平面齿的法向力和切向力均为最大;破岩比功最低的齿为双曲面齿;进尺最大的全钻头齿形为更易吃入岩石的鞍形齿、双曲面齿以及斧形齿。     

Ⅱ型钻柱式偏心微扩眼工具设计及参数优化

钻井过程中由于缩颈、微狗腿、微台阶等造成的井眼小于钻头直径易造成起下钻困难、井眼漏失、井塌、井涌甚或井喷、划眼、憋泵等事故。在现有Ⅰ型钻柱式偏心微扩眼器的研究基础上,借鉴双心钻头设计理论开展Ⅱ型钻柱式偏心微扩眼工具设计研究。同时借助流体动力学软件对工具外形结构,刀翼长度和布齿方案进行优化分析,最终形成Ⅱ型钻柱式偏心微扩眼工具设计方案。     

01型变速箱差速器齿圈表面剥落失效分析

通过宏观和微区形貌检查、磁粉探伤、化学成分、能谱分析、金相组织检验和显微硬度测试,对01型变速箱差速器齿圈表面剥落原因进行了分析。结果表明该齿圈的渗碳层中存在不合格的碳化物,加之有效渗碳层较浅,基体心部硬度较软。在强喷时,喷丸会直接冲击齿圈表面,导致剥落掉块失效,并给出了必要的预防建议。