Design principle for parameters and interferences of tungsten carbide insert interface on roller bits

The lifetime of roll-bits with inserted tooth will be obviously decreased while drilling in strata and the tungsten carbide can be integrally separated from the roll-cone,which will need more trip out time to replace the roller bit.This study provides an entire analysis on stress as well as strength for teeth and tooth holes in loaded conditions.Qualities of tooth drop from matrix within roller bit.The optimized interferences of teeth inserted into the bit can be reasonably obtained by the critical interference derived from some relevant influence factors on the tooth-fixing quality of roller bits.

凸棱非平面聚晶金刚石齿的破岩机理及在含砾地层中的应用

为提高聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在含砾、软硬交错等不均质地层中的抗冲击性能,开展了凸棱非平面PDC齿的研究。通过仿真和室内实验对比分析了凸棱非平面齿与常规平面齿的破岩机理。与平面齿相比,凸棱非平面齿与岩石的接触应力分布更均匀,切削破岩过程中的载荷波动幅度明显更小,切削稳定性更高。凸棱齿特殊的非平面结构改变了切削齿与岩石的互作用方式,在不均质地层得到成功应用。

井底流固耦合环境下PDC钻头切削齿冷却仿真实验

PDC钻头已成为开发深部资源的主体钻头,但在钻井过程中产生的热损伤是影响钻进效率及钻头寿命的重要因素之一。该文针对PDC钻头切削齿热损伤问题,开展基于不同影响因素的井底流固耦合环境下切削齿冷却仿真实验。建立了PDC钻头井底冷却流固耦合模型,结合实际钻井工况制定了数值仿真方案,根据仿真实验结果分析了井底流固耦合环境中不同影响因素下钻头切削齿的温度变化规律,并通过正交试验对钻头冷却效果与各影响因素间的敏感性进行了评价。切削齿冷却敏感因素从大到小依次为:钻井液排量>钻井机械参数、钻井液温度>地层温度。研究成果为探索井底工况下钻头破岩过程中切削齿热损伤问题和优化PDC钻头设计提供了理论依据。

龙凤山气田火山岩地层个性化PDC钻头设计与应用

长岭断陷龙凤山气田主力储层主要分布在火山岩发育的营城组和火石岭组。储层岩石石英含量高、研磨性强,导致机械钻速低、单只钻头进尺短,大幅增加了起下钻换钻头等非生产时间,严重制约钻井提速。本文通过开展岩石力学实验研究,利用测井资料建立并修正岩石力学剖面,开展了异型PDC齿研发和钻头切削结构设计优化,研发出一种适合该区块火山岩地层的6刀翼异形齿PDC钻头,现场应用3井次,较其他普通PDC钻头平均进尺提高42.2%,平均机械钻速提高36%,提速降本效果显著。

脊形PDC齿的机械性能和破岩效果

以地层特性为依据有针对性地选择PDC异形齿,可以降低其失效的概率并提高其机械钻速和进尺。为了综合对比脊形PDC齿的机械性能和破岩效果,对165斧形、135斧形、三刃3种脊形PDC齿的耐磨性能和抗冲击性能进行测试,随后选择花岗岩进行3个吃入深度的单齿切削试验和不同压力下的全尺寸钻头模拟钻进试验,并与普通圆形齿的结果进行对比。结果表明:3种脊形PDC齿的耐磨性能均优于圆形齿的;165斧形齿与三刃齿的抗冲击性能优于圆形齿的,而135斧形齿的冲击点缺少材料支撑,其抗冲击性能较差。在相同吃入深度下,脊形齿的切向力与法向力均低于圆形齿的相应力,且脊角越小切削力越小。135斧形齿的机械钻速最快且适合高钻压;与165斧形齿比较,三刃齿在≤20.0 kN的低钻压下机械钻速较快,在>20.0 kN的高钻压下机械钻速较慢;圆形齿的机械钻速最慢,所适合的钻压也较低。同时,当脊形齿的脊角变化时,其冲击点的材料支撑也发生改变,进而影响其抗冲击性能;且脊角变化会改变前方岩石内部的应力集中,进而改变其破岩效果。

圆柱形PDC切削齿磨损对钻井工艺规程的影响

聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)钻头因其较高的耐磨性与钻井时效,在油气和地热的深部钻井中得到了广泛应用。PDC切削齿性能与切削齿磨损程度相关,直接影响钻头的寿命和钻进效率,所以研究切削齿的磨损对钻井工艺规程至关重要。针对切削齿在磨损阶段与岩石接触区域形状复杂、面积计算困难的问题,通过使用平面斜截复合片所在圆柱面的方法,推导出接触区域为部分椭圆,得到了接触面积与磨损高度、后倾角的函数表达式,分析了磨损高度、后倾角的变化对接触比压、片内剪应力的影响。结果表明:切削齿与岩石的接触面积受复合片磨损高度、后倾角大小的影响,磨损高度越大,后倾角越小,接触面积及面积变化率越大;相同载荷下的接触比压和片内剪应力随接触面积增大而越小。因此应根据复合片的磨损状态选择合适的钻井工艺参数,以维持PDC钻头的破岩效率。

三门峡盆地油气调查优快钻井技术

南华北三门峡盆地古近系沉积厚度大且分布连续,暗黑色泥岩发育,通过部署钻探工程,有望实现中小盆地油气调查取得新发现。但该类油藏钻井地质环境复杂,砂泥岩互层频现,易引起钻头泥包、井壁坍塌、掉块、涌漏风险并存和难钻进等工程难点。通过钻具组合与井身结构优化、不同井段钻井液技术研究、个性化PDC异形齿钻头研发以及“低转速+中钻压+螺杆+高效PDC钻头”钻井工艺研究,有效解决了井壁稳定性和钻头选型难题,在豫峡地1井实钻中,全面钻进平均机械钻速达到5.67 m/h,实现提高机械钻速30%以上,相比设计钻井周期缩短10 d。创新形成了防泥包钻井液技术体系、长裸眼井壁保护钻井液技术体系、砂泥岩互层高效PDC异形齿钻头提速技术、“两低一高”变密度水泥浆固井技术等可推广的三门峡盆地砂泥岩互层“新优快”钻完井技术体系,可为同类地区钻井工程设计和施工提供有益借鉴。

PDC钻头等体积布齿设计的数值计算方法

PDC钻头布齿设计是否合理直接决定着PDC钻头的破岩效果及其使用寿命的长短,而等体积设计是 PDC钻头布齿设计的基本原则之一。综合考虑了钻头冠部形状、切削齿的布置、切削齿尺寸、切削齿的相互作用等因素的影响下,建立了切削齿等体积设计数学计算模型,对切削齿的工作角进行了优化设计并将其结果应用于该模型中,最后选取适当的数值计算方法进行了计算机求解。实例计算表明,该模型和求解方法具有适用性,这为PDC钻头的设计和性能模拟分析提供了一种可行方法。

钻头齿面堆焊用硬质合金耐磨性试验

为了选择更合适的钻头齿面强化材料，对多种粒度的球状烧结碳化钨和粒状铸造碳化钨堆焊层分别作了磨料磨损试验，以评价其抗磨性能。用 Ｎｉ 基合金作钎料，在高真空度下将硬质合金颗粒焊至２０ Ｎｉ４ Ｍｏ 表面。试验采用多种冲击能量，磨料介质为石英砂、水和少量悬浮剂，用天平称出磨损失重。结果表明：球状烧结碳化钨或不同类型和粒度混合的碳化钨堆焊层都比现行采用的粒状铸造碳化钨具有更好的抗冲击磨料磨损能力。用球状烧结碳化钨代替粒状铸造碳化钨作钢齿钻头齿面堆焊材料是提高齿面强化效果的有效途径。

三牙轮钻头3D运动仿真与分析

在PRO/Engineer环境下创建牙轮、牙爪以及各个牙齿的模型,使用合理的连接将其装配并约束。然后在PRO/Engineer的Mechanism模块中,对三牙轮钻头设置载荷、约束及边界条件,确定初始条件,模拟钻头运动(包括钻头转动、牙轮传动及钻头整体向下运动),测量并输出牙齿上某一点位移、速度、加速度及空间运动轨迹等数据。对比分析牙轮上各齿如背锥齿、外排齿及内排齿等所取点的各种数据,并对不同参数组合情况下输出进行了分析和对比,得到三牙轮钻头牙齿在钻进过程中各齿的运动状况,为钻头的几何设计和性能设计提供了丰富的、有用的信息,对牙齿破碎岩石的力学模型和坑的模型建立有着重要的意义。

定向钻井PDC钻头切削参数计算方法

定向钻井PDC钻头的优化设计和导向性能分析需要准确计算PDC切削齿的切削面积、切削体积和切削弧弧长等切削参数。针对弯外壳螺杆马达或推靠式旋转导向系统,运用空间解析几何理论和数值计算方法,分析了PDC钻头在井底的运动状态,建立了切削齿的运动轨迹方程和切痕曲线方程。综合考虑了钻头偏转角、钻头的复杂运动、钻头结构参数及切削齿切削的先后次序等因素的影响,建立了切削齿的切削面积、切削体积和切削弧弧长等切削参数的数值计算方法,为PDC钻头的计算机优化设计和定向钻井PDC钻头的导向性能分析提供了一种分析手段。实例计算表明,模型和方法具有实用性,可进一步推广应用。

PDC钻头切削齿工作区域及切削量的分析理论和计算方法

在钻头沿井筒中心线作无偏心匀速旋转钻进运动的纯塑性切削假设条件下,定义了切削区域和切削截面的基本概念,建立了分析、计算PDC齿切削岩石过程中的齿刃切削区域、齿面切削区域以及切削截面的数学理论,并在此基础上介绍了用数值分析手段求取各齿切削刃弧长、切削面积、切削体积等切削量参数及其它相关参数的具体途径。该分析方法为准确分析和计算PDC钻头的切削工作载荷创造了基本条件,对提高钻头设计技术尤其是布齿设计技术的科学性具有重要意义。

钻头牙齿过盈配合计算机仿真模拟实验研究

用弹塑性接触有限元法 ,建立了牙齿与牙轮体孔眼过盈配合的有限元力学模型 ,用ANSYS5 51软件对该力学模型进行了计算机仿真模拟 ,模拟并分析了牙齿压入孔眼的全过程 ,并根据孔眼的过盈量值 ,计算出了不同时刻需要在牙齿上施加的动态载荷。详细分析了孔眼壁附近的等效应力随牙齿压入深度的变化关系。当过盈量为 0 0 1 0、 0 0 2 0、 0 0 80和 0 1 0 0mm时 ,将牙齿全部压入孔眼内需要的压力分别为 1 2 4、 2 3 7、 46 1和 49 5kN ;当过盈量大于 0 0 35mm时 ,牙轮体内孔壁附近开始出现塑性变形 ,变形主要发生在孔眼根部 ;当过盈量超过 0 1 0 0mm时 ,牙齿不能全部压入。设计牙齿时必须把牙齿根部设计成有倒角的形式。

单牙轮钻头布齿方案的综合评价

在给出单牙轮钻头对井底的切削均匀性和覆盖率定义的基础上，以切削均匀性和覆盖率为衡量单牙轮钻头切削效果的依据，探讨了不同布齿方案的优劣。为此建立了综合评价不同布齿方案的欧氏距离评价原则，并按这一原则对直径为２１６ｍｍ、共设置３０枚楔形齿的单牙轮钻头的四种不同布齿方案作了综合评价。按所作的分析和综合评价结果可得出如下结论：（１）单牙轮钻头对井底的切削均匀性和覆盖率是检验牙齿分布设计是否合理的两个重要指标；（２）可用欧氏距离评价原则对牙齿分布进行优化设计；（３）圈状螺旋布齿方案显著优于两种困状辐射布齿方案，也优于螺旋状布齿方案。

楔形钻齿作用下岩石破碎及微观劣化过程

从理论分析和数值模拟两方面研究楔形钻齿侵入岩石过程中径向裂纹和侧向裂纹的扩展情况。首先根据Marshall的试验研究,分析考虑钻井液压力、侧压作用下岩石在楔形钻齿侵入过程中径向裂纹与侧向裂纹的极限长度公式和最佳齿间距公式,讨论钻井液压力、侧压和齿间距对裂纹扩展的影响;然后利用离散单元方法(PFC2D)研究楔形钻齿侵入过程中岩石的失效以及裂纹扩展情况。研究表明:随着侧压增大,临界侵入深度变大;钻齿下方的损伤区域变小,并且损伤区域变得相对比较平坦,不再凸入岩石内部;钻井液压力增大对径向裂纹的扩展以及损伤区域的扩大有促进作用,径向裂纹长度以及损伤区域随钻井液压力的增大而增大,但损伤区域随着钻井液压力的增大越来越凸入岩石内部;钻井液压力对侧向裂纹的萌生和扩展有抑制作用;合理的齿间距可以产生侧向裂纹重叠区,促进岩石的破碎,提高破岩效率;理论分析结果和数值仿真结果较一致。

深井/超深井开窗钻头切削齿切削力学分析

针对深井/超深井套管开窗侧钻的特殊性问题中所研究设计的双作用强侧切开窗钻头的结构特点,基于金属切削理论、开窗钻头与布齿规律,建立了开窗钻头切削齿切削力学模型,推导出开窗钻头的几何学方程,完成了切削齿切削力学模型的求解;最后使用本文研制的双作用强侧切开窗钻头进行套管开窗实验,对切削齿切削力学计算模型、仿真结果进行验证。结果表明:在开窗钻头切入套管的初始阶段,仿真计算得到的主切削力比实验所得数据略大,在中间阶段略小,到后期又略大;仿真计算结果能够准确地反映主切削力的变化规律,基本能满足工程应用的要求。本文研究结果为开窗钻头切削力的分析计算提供了理论依据,为深井/超深井套管开窗钻头的设计及切削力学研究提供参考。

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、处理技术和切削齿的形状、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。

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。

牙轮钻头牙齿外形的计算机描述

根据牙轮钻头牙齿的形状特点及结构参数，利用空间解析几何方法，建立了能在计算机上详细描述牙齿形状特点及尺寸大小的数学模型，实现了楔形齿、勺形齿、偏顶勺形齿等钻头牙齿外形的计算机描述。这种模型是牙轮钻头工作行为的计算机仿真研究及钻头与岩石互作用仿真研究的基础模型之一。