单牙轮钻头牙齿齿形研究

目前,单牙轮钻头的牙齿使用的是三牙轮钻头的牙齿。由于单牙轮钻头的结构、运动规律和破岩方式与三牙轮钻头有很大区别,使得单牙轮钻头特有的作用及潜力受到限制。建立了单牙轮钻头的坐标系,推导出几何公式,并引入有向距离的概念对单牙轮钻头的牙齿进行研究。根据等磨损原理,提出适用于单牙轮钻头的结构特点和运动规律的牙齿齿形,并提出新的布齿方案,即,在牙轮工作面的永远接触区域内使用轴对称的牙齿;在轮换接触区域内使用椭圆形牙齿。     

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。     

牙轮钻头牙齿破岩效率的模糊综合评判方法

针对目前钻头牙齿破岩效率评价方法存在的不足,在考虑牙齿破岩体积、破岩面积及齿坑深度的基础上也考虑了使用寿命,针对这些参数运用模糊数学综合评判方法对牙齿破岩效率进行了综合评判。采用H-J-C模型作为岩石的本构模型,采用非线性有限元软件LS-DYDN对钻头牙齿破岩过程进行了数值模拟,将模拟结果带入模糊综合评判法方法中对齿形进行了优选。分析结果表明,采用模糊综合评判方法能将牙齿破岩体积、破岩面积、齿坑深度及牙齿最大应力有机结合起来,为牙轮钻头每一齿圈选出破岩效率较高的齿形。     

单牙轮钻头——钻井技术的新选择

单牙轮钻头以切削方式破岩，形成具有网状切削轨迹的井底模式。在这种独特的切削方式中，牙齿和岩石有足够的接触时间，比冲击方式传递的能量更充分，破岩效率更高；同时单牙轮钻头接触井底的牙齿数多，牙齿受力均匀，有利于切削结构的工作，延长轴承系统的寿命；单牙轮钻头只有一个牙轮，结构简单，轴承空间大，便于进行结构改进，也使钻头尺寸容易小型化；单牙轮钻头牙轮的转速比钻头的转速低，使之能满足井下动力钻具对钻头提出的高转速的要求。介绍了单牙轮钻头工作原理，分析比较了单牙轮钻头，三牙轮钻头和PDC钻头的工作特点，认为单牙轮钻头是深头，小井眼和井下动力钻井技术中一种可选的新型钻头。     

单牙轮钻头牙齿网状切削破岩试验研究

通过在平面岩样上进行牙齿网状切削组合试验,获得每种情况下的岩石破碎平均深度、破碎面积和破碎体积。根据获得的切削力和破碎体积,计算出单位长度破碎体积和单位体积破碎功,研究这2项指标与各种组合试验参数之间的关系,得到牙齿齿形、岩石性质、切削深度、切槽间距和切槽交叉角度对牙齿破岩的影响规律,找出每种牙齿的最佳切削参数组合,并对齿形的优劣进行评价。试验研究结果表明,网状切削破岩效果优于单向切削破岩方式和以压入为主的破岩方式。此外,无论是软砂岩地层还是硬砂岩地层,在单牙轮钻头上采用楔形齿要优于锥球齿。加大钻压,相当于加大切深,可以获得好的破岩效果。不同的切削组合,各有合理的间距。     

牙轮钻头牙齿破岩过程仿真

从运动学角度研究了牙轮钻头牙齿在井底的运动轨迹，并对牙齿的破岩过程进行了仿真分析。结果表明，牙齿的径向滑移主要与移轴距和吃入深度有关；牙齿的周向滑移主要与轮体转速比和吃入深度有关。移轴距、轮体转速比和吃入深度对破碎坑形状、大小和破碎环带宽度都有明显的影响。随着移轴距增大，破碎环带变宽，钻头对井底覆盖能力增强；随着轮体转速比增加，破碎坑明显变小。锥顶齿主要以刮削和挤压方式破碎井底中心区域；外排齿规径部位以切削方式破碎井壁过渡区。     

单齿圈牙轮钻头复合运动破岩实验

根据８肘／村ＸＨＰ２Ｓ—１型三牙轮钻头的结构尺寸，设计制造了单齿圈牙轮钻头。在复合运动玻岩实验装置上用单齿圈牙轮钻头进行了单次破碎岩石、重复玻碎岩石、等距布齿和不等距布齿破碎岩石等实验。实验结果表明，等距布齿时牙齿总落在上次破碎坑中或附近，重复破碎和压实坑中已破碎的岩屑，阻碍了牙齿吃入岩石深度的增加；不等距布齿时牙齿落在上一次两破碎坑的中间，形成另一个新的玻碎坑，加速了破碎带的形成，从而可提高破岩效率。建议设计钻头时，应采用不等距布齿来确定钻头的齿面结构。     

异形单牙轮钻头破岩仿真及齿形选择

为了给异形单牙轮钻头每个齿圈选择出破岩效率较高的齿形,进而达到提高整个钻头破岩效率的目的,对异形单牙轮钻头破岩机理进行了研究,建立了异形单牙轮钻头与岩石相互作用的仿真模型,通过有限元分析软件LS-DYNA对钻头的破岩过程进行了仿真,而且通过物理试验对仿真结果进行了验证,并将试验结果与仿真结果进行了对比。建模时牙齿和岩石单元划分均采用三维8节点实体单元3DSOLID164,对岩石的周围和底边采用无放射边界条件并进行全方位约束。分析结果表明,用LS-DYNA仿真软件可以对单牙轮钻头的破岩过程进行较真实的计算机仿真,且能得出理想的结果;异形单牙轮钻头小端齿刮切量较大,大端齿冲击量较大,在为这些齿圈选择和设计牙齿时应综合考虑。     

镶齿牙轮钻头牙齿失效特征分析

主要论述镶齿牙轮钻头在工作中因受井下复杂载荷的影响产生牙齿脱落、磨损、断裂、破裂和剥落失效的特征和原因,根据各种失效原因从设计、加工和使用等方面提出若干措施,以延长牙齿的使用寿命。     

球形单牙轮钻头钻进过程的计算机仿真

从单牙轮钻头几何结构出发, 利用仿真技术, 建立了钻头运动模型、牙齿几何模型、井底模型和岩石与牙齿作用力模型等。在这些模型的基础上, 编制单牙轮钻头钻进过程仿真程序, 在计算机上模拟钻头破岩过程, 揭示了钻头与岩石互作用的大量细节, 并获得牙齿载荷和机械钻速等许多重要信息。仿真结果与台架试验结果很接近, 从而验证了仿真程序的正确性。采用该仿真程序可对不同钻井条件下不同结构单牙轮钻头的性能作出比较和判定, 也可预计尚未制成钻头的钻进能力。     

特殊设计的单牙轮钻头用于阿尔巴尼亚海上钻井

美国西方石油公司在钻其Shpi ragu - 1井时 ,根据钻井条件的特殊要求 ,与钻头设计和制造商一起专门设计和加工了单牙轮钻头 ,取得了很好的钻井效果。与使用三牙轮钻头相比 ,钻井速度提高近三倍 ,单井次一次入井使用 ,就为西方公司节约成本 15万多美元。     

盘形钻头牙齿刮切实验研究

为了弄清盘形钻头的破岩机理,了解不同结构参数盘形切削刃在破岩时的效果,特别是用盘形钻头钻中硬地层、软地层的钻井效果,对盘形牙轮钻头的９种不同结构参数（几何角度）的盘形切削齿与目前镶齿牙轮钻头上使用的瓢形和楔形齿在砂岩上进行了利切对比实验,并测量了不同牙齿在刮切过程中的刮切力和体积,对每颗牙齿在岩石上刮切下来的岩石体积采用填石蜡的方法进行测量。在实验过程中,通过计算机和数据采集器将整个实验数据完整地记录下来,并对所有实验数据进行统计分析,得到了不同结构牙齿在刮切重庆砂岩时的刮切效果,为设计出能实用于中软、软地层钻井用的盘形钻头提供了理论依据和实验数据。     

提高空气冲旋钻井钻头牙齿使用寿命的试验研究

针对目前空气冲旋钻头在工作的过程中遇到牙齿容易出现磨损和断裂失效的问题,应用纳米复合材料的相关理论和制备技术开展了Al2O3/WC-Co纳米/微米复合材料的系列试验研究.结果表明:加入3%的纳米Al2O3并添加适量的抑制剂和稀土元素能明显改善Al2O3/WC-Co纳米/微米复合材料的组织结构,晶粒明显得到细化;耐磨性和耐冲击性能得到很大提高,较硬质合金YG8提高了7～10倍;为大幅度提高钻头破岩效率,延长钻头使用寿命提供了可能性,能较好地满足石油钻探冲旋钻井的需要.     

新型PDC钻头的防斜打快效果及评价

大庆油田海拉尔地区的地层倾角大、岩屑录井荧光级别低,亟待解决满足岩屑录井要求的防斜打直问题。为了能够在获得足够大的岩屑颗粒和提高机械钻速的基础上达到防斜打直的目的,制定了采用大切削齿B425型PDC钻头配以小钟摆钻具组合的现场试验方案。试验表明:B425钻头与牙轮钻头所破碎的岩屑颗粒基本相当,能够满足地质岩屑录井的要求;与牙轮钻头相比,B425钻头显著地提高了机械钻速,降低了钻头费用,减少了起下钻次数;单只B425的进尺可达1000m以上,相当于2~3只牙轮钻头的进尺;采用PDC钻头配以小钟摆钻具组合,可以较好地解决防斜打直问题。此外,针对试验中遇到的问题,通过改进井身结构和调整钻井参数,形成了一套适合于海拉尔地区的防斜打快技术。     

PDC钻头布齿计算方法的研究现状及发展

PDC钻头布齿计算是为了确定钻头上各个切削齿在空间中的坐标位置。针对同一优化目标不同的计算方法得出的切削齿位置差别很大,设计出的PDC钻头性能也会截然不同。以近年来国内外PDC钻头布齿设计研究的文献为基础,论述了PDC钻头3原则布齿和力平衡布齿的最新进展,提出了研究中存在的问题。经分析知,PDC钻头布齿设计的计算方法大多以经典3原则为基础,且以等体积为布齿原则进行计算的研究较多;力平衡布齿是PDC钻头稳定性设计的核心,但由于对切削载荷模型研究的限制,其结果与实际差距较大。PDC钻头布齿设计计算方法的研究仍处于对计算模型简化的阶段,随着PDC钻头个性化设计的提出,针对不同钻头性能与要求,综合考虑整个钻井因素进行布齿是今后PDC钻头设计研究的重点。     

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.     

斧形齿PDC钻头的研制及其在东海的应用

东海多口井所用PDC钻头在深部地层钻进过程中出现了机械钻速低、进尺少的情况,钻头起出后发现PDC钻头切削齿磨损严重.为此,在详细分析东海深部地层所用PDC钻头使用情况的基础上,对PDC钻头进行机械设计和水力设计.在机械设计优化时,根据设计三原则和力平衡原则,从钻头冠部轮廓、布齿设计两方面对钻头机械结构进行优化.在水力设...     

水射流对PDC钻头齿纵向清洗力的实验研究

讨论了不同水力结构及参数下水射流对模拟ＰＤＣ钻头齿纵向清洗力的影响。通过对实验数据的多元统计分析，得出了各钻头齿受纵向清洗力随水力结构及喷速变化的关系式。结果表明，清洗力随喷速的增大而增大；要提高清洗力，应使喷嘴适当靠近并以一定的方位角和较大的倾角指向所清洗的刀翼。