牙轮钻头的发展历史与展望

综观牙轮钻头在各个时期的发展情况可知,牙轮钻头齿和轴承的不断改进,使钻头的使用寿命、单只进尺和钻速不断提高。实践表明,硬质合金镶齿、密封润滑、滑动轴承和高速喷射组合的“四合一”钻头,在目前的牙轮钻头中占主导地位。作者指出:今后牙轮钻头研究工作的重点是提高钻头的钻速。为此,应优化牙轮齿形和布齿方案,挖掘水力系统的潜力,改进轴承结构和提高钻头零件的机械设计技术。     

钻头钻进方向预测研究

在分析了影响钻头钻进方向的各种因素和提出钻头钻进特征矩阵的物理量后，建立了钻头在各向异性地层中钻进方向的预测模型。模型把钻进方向与所用钻头、钻井条件、井眼状态和所钻地层联系在一起，可以在任何钻井情况下预测一定底部钻具组合的方位漂移和造斜／降斜趋势。     

牙轮-PDC复合钻头井底流场CFD模拟研究

牙轮-PDC复合钻头是对硬地层采用碾压与刮切相结合破岩的一种新型钻头,随着其结构形式及破岩方法的改变,需要对其井底流场进行研究并提出新的水力结构设计。运用计算流体动力学理论,采用标准κ-ε模型以及封闭N-S湍流方程对某型复合钻头的井底流场进行了数值模拟计算,并分析了井底压力及流速、PDC刀翼齿面和牙轮体表面流速。研究结果表明,复合钻头设计原型的水力结构存在一定缺陷,可通过合理设计钻头体中心位置结构、调整中心喷嘴射流角度以及调整2个边喷嘴的设计来加以改进。     

牙轮钻头试验研究的新进展

西南石油学院钻头研究室进行了一种新的实验研究工作。他们测定了钻头在各种条件下工作时牙轮的瞬时角速度。实验曲线表明这个参数的变化是随机性的,但也有一定的规律。实验指出,牙轮的瞬时角速度同平均角速度差别很大。即使在单齿圈与平井底接触情况下两者之间的差别有时可达20～40％。这意味着过去所谓“纯滚动钻头”的牙齿实际上对井底有相当大的滑动,而且滑动的方向也在改变。该室的研究人员把钻头的纵向振动和     

抽吸式微取心PDC钻头的研究与应用

常规PDC钻头切削产生的粉状或片状岩屑颗粒不便于地质录井,对此提出了一种新型抽吸式微取心PDC钻头。该抽吸式微取心PDC钻头取消了常规PDC钻头心部的主切削齿,设置特殊的水力结构,使钻头心部在钻进过程中形成一定直径的竖直岩心并适时折断,通过负压抽吸作用将断的微岩心从钻头体内部流道带离井底。结合破岩仿真与液固两相流理论,研究了在岩心、岩屑与钻井液混合流动的流场中,射流喷嘴直径的大小对取心通道中抽吸效果的影响规律。数值模拟结果表明,对于拟定条件下钻头直径为215.9 mm的微取心PDC钻头,当射流喷嘴直径为8 mm时,从排心孔排出的岩心、岩屑和钻井液的质量较高,其负压腔的抽吸效果较好。室内及现场试验表明:采集的岩心以柱状为主,岩心完整性和采集率高;在磨溪111井位嘉陵江组二段3亚段至长兴组上部地层,获总进尺805.65 m,平均机械钻速为4.57 m/h,最高机械钻速可达7.4 m/h;该钻头在嘉陵江组二段3亚段至飞仙关组一段(总进尺742 m)的机械钻速比该区块同层位的其他常规PDC钻头高出了50%以上。     

PDC钻头水力结构优化设计研究

在PDC钻头工作过程中，钻井液对钻头体表面的冲洗、冷却和润滑是保证钻头正常工作的一个非常重要的条件。对PDC钻头而言，水力结构（主要是中心水眼和冠部水道）设计的重要性尤其突出。以前,对钻头水力系统研究只能通过实验的方法进行,研究周期长、成本高、结构调整不方便，而数值模拟的方法在几年前还不成熟，甚至静态的复杂结构流场问题基本无法解决。为此，在提出PDC钻头水力结构优化设计原则的基础上，对PDC钻头的三维流场进行了数值模拟。模拟中考虑了钻头的喷嘴布置位置、直径、数量以及切削齿对流场的影响。计算结果表明，原设计在喷嘴布置位置和喷射角度上存在不足，以此为基础进行了水力结构的优化设计。文中的研究成果成功地应用在新型钻头水力结构的设计中，研究方法为PDC钻头水力结构优化分析奠定了理论基础。     

三牙轮钻头几何学仿真与MATLAB的实现

在钻头几何学的基础上,通过MATLAB编程,建立了三牙轮钻头计算机仿真几何结构模型,获得了仿真模型的三维实体图形,模型真实地反映了钻头上各个牙齿的形状、大小和位置。结果表明,通过MATLAB编程来实现三牙轮钻头的几何仿真模型的建立,程序简单,结果可靠。这些研究成果为在MATLAB环境下进行牙齿的运动仿真和钻头与岩石互作用仿真研究提供了正确可靠的模型基础。     

牙轮钻头轮头速比理论研究及其仿真模型

牙轮钻头在破岩的过程中,影响牙轮转速的因素非常复杂。牙轮钻头的轮头速比研究对岩石破碎机理研究和钻头设计都有重要的指导意义。牙轮钻头轮头速比模型是钻头-岩石互作用仿真中最重要的基础模型之一。总结了国内外以基于正交试验结果回归、力矩平衡、最小功原理等为代表的几种牙轮钻头轮头速比模型建模理论,对比分析了这些理论的优点及存在的问题。在分析影响轮头速比的几何结构、钻井参数的基础上,提出了基于转动定律的轮头速比仿真模型。该模型综合考虑了影响轮头速比的主要因素,避免了计算牙齿受力、能客观真实地反映轮头速比的数值大小及变化规律,为进一步优化牙轮钻头钻进仿真模型奠定了基础。     

川西须家河深层岩石力学性质及可钻性研究

川西须家河深层岩性致密,石英含量高,研磨性强,硬度高,可钻性差,钻井机械钻速普遍很低,严重制约了川西地区深层油气勘探开发事业的发展。文章通过大量的室内试验研究,获得了岩石抗压强度、研磨性、硬度等岩石力学性质和可钻性参数,并通过对岩石的可钻性级值与测井资料之间的相关性分析,拟合出适用于这一层位的PDC钻头可钻性分析预测函数。并通过对岩石力学性质剖面曲线的分析研究,总结出了川西须家河深部地层对PDC钻头工作性能的几点要求,为深入开展PDC钻头个性化设计提供了重要的理论依据和指导思想。     

基于CFD-DEM耦合的水平井PDC钻头水力结构研究

钻采深层页岩气的水平井段多为泥岩、页岩等黏性地层,为提高钻井效率和减少钻头泥包的发生,必须保证井底岩屑被快速运移,这对PDC （polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片）钻头的水力结构提出了要求。为此,基于CFD-DEM （computational fluid dynamics-discrete element method,计算流体动力学-离散单元法）耦合方法,对水平井PDC钻头井底流场进行数值模拟分析,并以岩屑滞留量和岩屑运移比作为评价指标,对直径为152.4 mm的五刀翼PDC钻头的流道形状、喷嘴数量、喷嘴排布方式及喷嘴直径等水力结构参数进行分析。最后,对水力结构改进后的PDC钻头进行现场应用。数值模拟结果表明：流道形状为抛物线型的PDC钻头具有更好的携岩性能;在总喷射面积相同的情况下,PDC钻头应采用较少数量的喷嘴;喷嘴等径排布的PDC钻头的携岩性能优于非等径排布的;在一定范围内,适量减小PDC钻头喷嘴直径有利于岩屑运移。现场应用结果表明,在同区块、同地层的多个水平井段钻进时,水力结构改进后PDC钻头的钻井效率更高。研究结果可为PDC钻头结构优化提供参考。