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。     

钻井用PDC切削齿的发展

1972年，钻井工业界首次从国外引进PDC产品，而现在，PDC钻头已占到钻头市场总份额的45％。这主要是过去十年间PDC产品和钻头制造工艺技术持续发展的结果。目前，各类PDC产品已经能够为钻头制造商和钻井作业单位提供灵活、耐用和性价比高的选择。PDC产品对固定切削齿钻头市场的成长、钻井效率的提高和钻井成本的大幅降低都做出了很大贡献。     

PDC钻头异形切削齿研究进展

为满足不同硬度、强研磨性及非均质地层岩石的需要,提高钻井效率,国外一些公司在PDC钻头常规圆柱状切削齿的基础上持续创新,研发了一系列创新型几何设计的新型PDC钻头异形切削齿。介绍了脊形切削齿、楔(V)形切削齿、凿形切削齿和其他异形齿的结构和性能。个性化异形切削齿是未来发展的主要方向,深入开展常规圆柱状切削齿和各种异形切削齿混合式个性化PDC钻头的研发,对钻头的切削结构进行优化,合理布置各种切削齿,充分发挥各自的优势,以解决深部地层可钻性差导致的机械钻速慢、钻井效率低的难题。     

新型PDC钻头切削齿的发展

PDC钻头切削刃与钨-钴合金基体的磨损情况和较大接触应力、冲击载荷及较高的摩擦面温度引起的加速磨损，是导致PDC钻头钻遇硬的研磨性地层时磨损失效的主要原因。国外已研制出双刃齿、预倒角边缘加强齿、复合结构齿、覆盖硬质合金保护层切削齿及楔形齿等，使PDC钻头的工作性能和适应的地层范围都有了较大的进步。国内应加强破岩和磨损机理、材料及制造工艺、处理技术和切副齿的形状、结构设计等方面的研究，开发自锐性好、比较坚韧的、更耐冲击的、耐磨性更高的、受温度影响小的切削齿，进一步拓宽PDC钻头适用的地层范围。     

双刃切削齿提高了PDC钻头的性能

ＰＤＣ切削齿的发展极大地提高了ＰＤＣ钻头的性能,促进了其开发。钻井业也在诸如ＰＤＣ钻头的震动,地层的可钻性,钻头的选择,钻头适应能力及钻头的受限因素等方面取得进一步的进展。在ＰＤＣ钻头的发展和性能方面,ＰＤＣ切削齿具有最大的影响。切削元件除了能提高钻头的工作性能外,还能够优化对ＰＤＣ钻头改进有益的其他因素。     

PDC钻头切削齿受力模拟实验装置研究

针对原有PDC钻头单齿受力实验装置的不足,研究设计了PDC钻头切削齿受力模拟实验装置。设计的实验装置可以模拟PDC钻头三齿组合状态下的切削齿受力;通过调节装置可以模拟PDC钻头不同冠部形状、布齿密度、复合片大小等几何参数;设计的三轴测力传感器可以测量相互垂直且相互不受影响的3个力(轴向力、侧向力、切削力)。实验装置灵敏度高,整体性能可靠,获得的实验数据准确有效,对PDC钻头参数优化设计具有十分重要的意义。     

PDC钻头单齿重叠切削特性试验研究

为了更加深入的研究PDC齿切削已受损岩石的破岩规律,利用室内PDC单齿破岩试验的方法,对常规PDC齿和锥形PDC齿进行单齿重叠切削岩石对比试验,研究2种齿形重叠切削岩石后的力响应与破岩比功变化规律。研究结果表明:随着重叠切削进行,常规PDC齿与锥形PDC齿受力均增加,平均增加79.75%与36.5%。常规PDC齿的破岩比功总体呈下降趋势,平均下降20.5%,下降幅度随切削深度增加而减小。锥形PDC齿的破岩比功在重叠切削中总体呈上升趋势,平均上升19.9%,上升幅度随切削深度增加而增大。试验结果可为PDC钻头的布齿结构设计提供指导。     

非平面PDC切削齿破岩有限元仿真及试验

为了指导PDC钻头设计,对三棱形和斧形PDC切削齿、常规平面PDC切削齿的破岩性能进行了研究。利用有限元软件建立了PDC切削齿直线切削岩石和垂直压入岩石的三维有限元模型,模拟了相同布齿角度下、不同形状PDC切削齿垂直压入岩石和不同切削深度直线切削均质岩石及非均质岩石的过程,发现不同形状PDC切削齿的破岩过程存在明显差异。与常规平面PDC切削齿相比,三棱形PDC切削齿更易压入地层形成破碎坑;三棱形和斧形PDC切削齿破碎均质砂岩时所需的切削力较小,岩石产生的预破碎区域更大,破碎非均质岩石时的切向力波动幅度小,更易破碎岩石。根据模拟结果,设计研制了三棱形切削齿PDC钻头,并在钻进混合花岗岩地层时获得较好的效果。研究结果表明,有限元模拟可为PDC钻头设计提供参考。      

锥形PDC齿和常规PDC齿混合切削破岩试验研究

混合布齿PDC钻头在油田现场取得了较好的提速和进尺效果,但其设计过多依赖于设计者的经验,缺乏理论依据和室内试验数据支撑。为了优选锥形PDC齿与常规PDC齿混合布齿参数,进一步提高混合布齿PDC钻头在硬岩地层中的钻进性能,针对花岗岩地层设计并开展了锥形齿和常规齿混合切削试验,探究了同轨道切削顺序、切削齿高差和异轨道锥形齿间距、切削齿高差对破岩效果的影响规律。研究结果表明：对于同轨道混合切削,采用先锥形齿后常规齿的切削顺序可以使锥形齿和常规齿的破岩效率都达到最佳,获得最佳的整体破岩效果;对于异轨道混合切削,随着锥形齿间距的增加,切削力和破岩比能先减小后增大,而破岩体积先增大后减小;当锥形齿间距为18 mm时,切削力和破岩比能同时达到最小值,分别为4 252 N和108 MPa,最优锥形齿间距为18 mm。所得结论可为适用于硬岩地层钻进的混合布齿PDC钻头设计提供指导。     

硬地层PDC钻头切削齿尺寸及后倾角优化设计

PDC钻头是目前石油钻井中使用较为广泛的一种破岩工具,但其在硬地层中的使用效果不佳,钻进效率低,使用寿命短。PDC钻头的切削齿尺寸、后倾角等是影响其钻进性能的重要参数,通过室内微钻头试验,综合考虑硬地层PDC钻头布齿设计中切削齿的重叠和覆盖情况,以相同钻压下微钻头在岩样表面旋转一周的切削深度作为评价其破岩效率的指标,分析了切削齿尺寸、后倾角等对硬地层PDC钻头破岩效率的影响。结果表明:在钻进可钻性超过Ⅵ级的硬地层时,.切削齿尺寸越大,其破岩效率越低;钻进可钻性为Ⅵ—Ⅶ级的硬地层时,13.44 mm.切削齿的破岩效率最高,其最佳后倾角为15°。      

基于PRO/ENGINEER的PDC钻头三维参数化布齿设计

介绍了在PRO/ENGINEER中利用自定义特征功能实现PDC钻头三维参数化布齿设计的方法。详述了利用PDC钻头布齿设计参数表完成布齿结构三维实体模型的过程。理论计算结果表明,利用这种参数化建模方法完成的PDC钻头三维布齿模型是精确、可靠的。该方法为大幅度提高PDC钻头布齿设计的效率,提高PDC钻头新产品开发工作的综合效率提供了一种有效的途径。     

斧形PDC齿破岩规律数值模拟研究

斧形PDC齿具有独特的齿形,在破岩实验中表现出更好的破岩性能。但斧形PDC齿破岩规律和工作参数及齿形的优选方法不明确。因此,利用ABAQUS软件建立了斧形PDC齿切削岩石的三维有限元模型,通过有限元数值模拟方法分析后倾角、斧刃角对斧形PDC齿破岩效果的影响。结果表明:后倾角为15 °时,斧形PDC齿破岩效率最高;在后倾角相同的情况下,斧刃角越小,切向裂纹越易于向岩石内部发展,最优斧刃角为110 °。根据模拟结果,优化了斧形PDC齿钻头外形参数,并在现场试验中获得较好的效果。该研究结果可为斧形PDC齿钻头优化设计提供重要依据。     

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章在调研长庆油田地层岩性和现场实验的基础上，对长庆区块钻井用φ22．2mmPDC钻头进行布齿设计，其中包括钻头冠部结构、出刃高度、布齿密度、径向和周向切削齿布置等，并采用Matlab等数学软件对径向布齿数据进行分析和切削齿有效齿宽切削面积图形显现。φ222.2mmPDC钻头在长庆油田进行实验，达到预期的钻井技术指标。与邻井牙轮钻头相比较，φ222．2mmFMPDC钻头的钻井优势和经济效益显。     

齿柱式PDC钻头的孔间防碰研究

通过对现有齿柱式ＰＤＣ钻头上轴孔的排列情况进行分析，提出了孔间不碰条件，推导了防碰计算公式，为ＰＤＣ钻头计算机辅助设计提供了理论依据。     

适合大港滨海区块硬地层的PDC钻头优化设计

大港油田滨海区块下部地层为含砂质泥质结构,岩石由泥质和砂质等组成,地层硬度高、研磨性强,单只PDC钻头进尺少、机械钻速低,制约了该地层的勘探开发进程。鉴于此,对PDC钻头的冠部轮廓、刀翼、布齿和水力性能等进行了优化设计,得到了适合该地层的M432215.9 mm七刀翼PDC钻头。大港油田滨海6井的现场试验结果表明,在同井段同尺寸情况下,M432215.9 mm七刀翼PDC钻头的平均进尺49.0 m,机械钻速1.540 m/h,牙轮钻头平均进尺22.5 m,机械钻速0.967 m/h;使用七刀翼PDC钻头提高了钻进速度,缩短了钻井周期。     

PDC钻头切削齿破岩温度场有限元仿真分析

基于有限元法对PDC钻头切削齿破岩过程中温度场做了研究,利用有限元软件模拟分析动态破岩,并采用温度-位移耦合显式侵彻接触算法研究破岩过程中切削齿的温度分布,建立了三维切削齿-岩石仿真模型,分析了单齿破岩过程中温度场的分布规律。分析结果表明,采用三维曲面岩石模型使仿真环境更接近PDC钻头切削齿破岩的实际工况,在切削齿施加转速边界条件的情况下,更能反映出切削过程中切削齿不同位置的温度分布情况;同一个齿的齿刃上因各点的线速度不同,温度分布也不同,齿刃切削区域上靠近钻头轴线侧的温度低于远离钻头轴线侧的温度。     

围压条件下PDC钻头不同齿形的破岩实验研究

为了解决塔里木油田泥页岩地层钻速低的难题，提高ＰＤＣ钻头的破岩效果，研究了围压及ＰＤＣ钻头齿形对破岩效果的影响规律。利用深井破岩试验装置，模拟了井深０￣５ｋｍ的压力条件，进行了ＰＤＣ单齿破岩室内试验。结果表明，切削齿形不同，其破岩效果不同，楔形齿的破碎比功最小，圆齿的破碎比功最大。此外，试验还显示出随围压的增加，破岩效率下降；增大吃入深度，可降低破碎比功。     

斧形PDC切削齿破岩机理及试验研究

斧形PDC切削齿比常规PDC齿具有更明显的破岩优势。为了分析斧形PDC齿的破岩机理,利用有限元仿真模拟与试验相结合的方法,通过斧形PDC齿与常规PDC齿破岩过程的对比与受力分析,揭示了斧形PDC齿破岩过程的力学机制。分析结果表明:斧形PDC切削齿破碎岩石时,斧刃会使其前方岩石内部形成一个剪应力集中区,岩石更易发生剪切破坏;切削齿斧刃吃入岩石后,屋脊形的斧形齿逐渐楔入岩石,从侧向上使岩石发生拉伸破坏,提高了其破岩效率;斧形齿破岩时所受轴向力和切向力小,更易吃入岩石,所受切向力及轴向力波动幅度更小,具有攻击性及稳定性强的优点,不易发生冲击损坏,在井下使用寿命更长。研究结果可以为新型PDC切削齿的研发和高效PDC钻头的设计及应用提供指导。