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.

滚轮式PDC钻头工作机理的试验研究

针对页岩气钻采中定向钻进的PDC钻头扭矩波动大、冲击振动大、工具面不稳定等问题,笔者提出一种刀翼上设置有双侧支撑的滚轮新结构钻头,通过滚轮单元破岩实验以及全钻头钻进破岩实验来开展新型钻头减扭、缓冲机理研究,主要研究6种滚轮轮廓形状、4种滚轮的吃入深度、6种滚轮径向位置、7种PDC齿相对高度等因素对新型钻头扭矩、钻压的影响规律。结果表明:6种轮廓滚轮的等效摩擦系数均低于PDC齿,且为PDC齿的18.65%~43.73%,得出滚轮减扭能力高于PDC齿;6种不同径向位置的滚轮缓冲能力均强于PDC齿,为PDC齿的1.59~9.17倍,滚轮式PDC钻头的扭矩为常规PDC钻头的71.72%~98.33%;随着滚轮与PDC齿相对高度的减小,钻头扭矩逐渐减小,滚轮钻压的占比也逐渐增加,钻头减扭能力、缓冲能力均增加,为适用于页岩气钻采的新型钻头产品设计与研制提供理论支撑。

受力分析在牙轮钻头失效分析中的应用

文章将物理学中的受力分析应用于KX84系列牙轮钻头的牙爪大跑道的失效分析。首先,文中基于“压力-压强”转换,根据轴压确定了牙轮钻头系统所承受的压力。其次,根据“切向力-法向力”分解,对牙轮钻头所受的压力进行受力分解,确定了牙爪大跑道所承受的压应力。最后,对切应力进行分析,确定了裂纹萌生的范围。结合相关数据发现,KX84-250牙轮钻头和KX84-310牙轮钻头裂纹萌生深度分别为0.7 mm(计算结果为0.45 mm~0.78 mm)和0.85 mm(计算结果为0.57 mm~0.98 mm),计算结果与实际观察结果相符。文中给出的案例对物理教学和失效分析都有促进作用。

反井钻机扩孔钻头多元化实时联动系统研究

针对反井钻机扩孔钻进对扩孔钻头工作状况监控系统数据传递不及时、缺乏动作预测及故障报警等问题,设计了一种反井钻机扩孔钻头工作状态数字孪生实时监控系统。该系统由空中模块、云空间模块、物理实体、虚拟空间模块和数字孪生体组成,形成一套应用于空-云-地-孔智能监测大直径反井钻机扩孔钻头工作面精细定位和智能监控系统。在软硬不均的交互地层中,考虑到钻进参数变化范围大且施工参数变化快的特点,利用物联感知设备并通过多源数据融合,在统一坐标系基础上建立了一套虚实交互的智能监控系统,并提出了模拟近似预测模型,以提高反井钻机扩孔工作面监控系统的实时性、准确性和完整性。

KX84系列牙轮钻头牙爪大跑道的失效分析

KX84系列牙轮钻头工作一段时间后,因牙爪大跑道失效而报废。通过赫兹应力分析、显微硬度测试、剖面金相观察和断口分析,对牙轮钻头牙爪大跑道的失效形式进行分析,并对裂纹萌生的深度进行预测。结果表明:牙爪大跑道失效形式为接触疲劳。当轴压低于6.895 MPa时,45°切应力τzy45°与最大水平切应力τ_(0max)低于疲劳极限σ_(-1),疲劳裂纹不会萌生;当轴压超过6.895 MPa,疲劳裂纹开始萌生;当轴压达到13.79 MPa时,可以利用接触面半宽b对裂纹深度进行预测。KX84-250和KX84-310牙轮钻头的牙爪大跑道裂纹预测深度为0.27、0.34 mm,实际深度为0.28、0.38 mm。为了提高牙轮钻头的钻孔深度,牙轮钻头在安装时注意避免极端情况的出现,同时控制轴压,避免疲劳裂纹的萌生。

适合多夹层地层PDC钻头设计及应用

PDC钻头在钻井破岩中所占的比例越来越大 ,但在软硬交错的多夹层地层钻进时效果却不理想 ,常常发生先期损失。针对胜利油田多夹层地层特点进行了 PDC钻头的优化设计 ,开创了钻头切削结构设计新方法 ,改进了钻头的水力结构设计 ,采用了多种稳定性结构设计方法。根据该设计制造的一种新型复合式 PDC钻头在多夹层地层中取得了较好的应用效果。与牙轮钻头相比 ,使用新型复合 PDC钻头机械钻速高 ,进尺多 ,井身质量好 ,对加快油田勘探开发速度。

钻柱—钻头—岩石系统动态行为仿真

利用单齿压入与刮切岩石实验建立了钻头与岩石互作用力学模型 ,实现了对钻头在钻井过程中工作行为的仿真计算 ;建立了基于研究钻柱—钻头—岩石系统动态行为的动力学模型 ,可以对钻井过程中钻压、扭矩、转速等参数的动态变化过程进行计算机仿真研究。从仿真结果可以看出 ,钻头在钻井过程中由于牙齿在井底的交替吃入以及井底本身的凹凸不平造成钻头在井底的纵向振动 ,其钻压的振幅一般为平均钻压的 30 %左右 ;同时 ,由于钻头在井底的刮切作用造成了钻头转速以及扭矩的变化 ,转速的变化相对来说较为平缓。该动力学模型能较好的描述钻柱—钻头—岩石系统的动态行为 。

硬岩钻进用石油钻头研究现状及发展趋势

能源与矿产的持续安全供给是经济快速增长的保证,而中硬岩层钻进一直限制着油气钻井向深部发展。针对硬岩地层钻进,地质行业主要采用金刚石钻头钻进,而油气钻井行业除按传统方法采用牙轮钻头和金刚石钻头钻进之外,也逐渐开展了PDC钻头钻进硬岩的研究。本文分别介绍了牙轮钻头、金刚石钻头和PDC钻头在油气勘探硬岩钻进中的应用研究现状。其中,牙轮钻头研究主要集中在增强轴承密封性能、改进布齿结构和提高切削齿强度三个方面,而金刚石钻头研究则集中在碎岩机理、金刚石参数和胎体性能,以及钻头结构三个方面。提出了三类钻头的研究方向和发展趋势,为硬岩钻探技术发展提供参考。

牙轮钻头纵向横向扭转振动动力学仿真研究

随着石油资源钻探难度的不断加大 ,有效地预测和控制井下钻头的运动规律 ,改善钻柱动力学性能 ,以提高钻头和钻柱的强度 ,实现对井眼轨迹的精确控制是目前钻井工业中亟待解决的关键技术难题。本文根据牙轮钻头的实际振动状态 ,分析了钻头产生各种振动的机理 ,讨论了钻头 -岩石互作用力学模型 ,用能量法建立了考虑牙轮钻头纵向、横向和扭转振动耦合非线性系统动力学分析模型 ,编制了系统动力学仿真程序 ,并结合实例对牙轮钻头系统进行了动态仿真。

三牙轮钻头滑动轴承失效分析

三牙轮钻头轴承的使用寿命直接决定了钻头的寿命。为了弄清三牙轮钻头轴承的失效形式、原因及机理,进一步提高三牙轮钻头轴承的寿命,分别对现场失效的三牙轮钻头轴承进行宏观和微观分析。结果表明,密封系统失效是轴承失效的主要原因之一。同时,轴承所受载荷过大且分布不均,温度过高导致材料表面金属强度和耐磨性降低,以及轴承与牙轮之间配合间隙过大,工作时晃动导致受力不均等原因也是造成牙轮钻头轴承的快速失效的主要原因。

随钻VSP技术研究及初步应用效果

随钻VSP技术与常规VSP技术相比,具有其自身的特点和独特的优越性,它利用钻井过程中钻头振动产生的噪声作为震源进行逆VSP测量,不干扰钻井,不占用钻井时间,对井孔无任何风险,特别是可以通过现场地震成像处理,实时预测钻头前方地层的构造细节,达到减少钻探风险为主要目的。其技术关键是如何在井场强干扰噪声背景下准确地采集和恢复弱钻头反射信号,并使之变成等效的地层脉冲响应。本文介绍了随钻VSP技术的基本原理和使用的关键技术,通过对轮古4 7井牙轮钻钻头随钻VSP资料处理成果的分析和与过井地面地震剖面的对比,表明文中所使用的采集、处理技术,可以获得与三维地面地震相当的地震成像剖面。

牙轮钻头空心滚滑复合轴承的设计

轴承是牙轮钻头的重要组成部分,它的失效直接影响着整个钻头的使用寿命。为此,分析了牙轮钻头用滑动轴承、滚动轴承及浮动套轴承的研究现状,在综合3种轴承各自优势的基础上,最终设计出了空心滚滑复合轴承和有孔浮动套滚滑轴承:①空心结构的滚滑体较实心结构的滚滑体提供了更多的贮存润滑油空间,使牙轮转动过程中滚滑体的各接触面之间的润滑性能得以改善;②空心结构增大了滚滑体的散热面积,自由流动的润滑油通过对流散热方式冷却轴承各个转动的部件。同时,建立了滚滑轴承的有限元分析模型,进行了实心和空心结构滚滑轴承的等效应力与接触应力分析。结果表明:空心滚滑复合轴承比实心结构的承载能力更强,滚滑体的应力分布也更为均匀,降低了由局部应力过大或温度过高而导致整个轴承失效的概率,有利于提高牙轮钻头的使用寿命。最后,建议空心滚子的空心度在50%～70%,滑块的空心度不宜超过60%。

牙轮钻头空心圆柱滚子接触状况的有限元数值模拟

以牙轮钻头滚动轴承为研究对象,对常规直母线圆柱滚子与内圈滚道的接触状况进行三维有限元数值模拟。在验证模型正确性和算法可靠性的基础上,对不同载荷和空心度下直母线空心圆柱滚子的接触状况进行有限元分析。计算结果表明,合理空心度的滚子可以降低轴承的等效应力,从而提高轴承的疲劳寿命;合理空心度的选取往往与轴承系统的材料参数、几何结构尺寸参数以及所受的外载荷等因素有关,但采用合理的空心度仍然无法消除滚子轴向端部几何边界突变处的奇异性。研究结果发现,空心滚子的最大法向接触应力和最大等效应力相对于轴向初始接触对称中心线发生了一定程度的偏移;在相同空心度下,等效应力与载荷并非正比关系。此项研究为通用空心滚子轴承在牙轮钻头中的承载性能预测和结构优化设计以及今后的推广应用提供理论参考。

牙轮钻头单牙轮的破岩仿真研究

牙轮钻头在井底破碎岩石过程中受顶部钻压、自身动载荷以及井底接触岩石的随机冲击碰撞作用,存在牙齿与岩石交替压入、刮切和滚动的运动状态,受力情况相当复杂。基于岩石弹塑性本构关系和等效塑性应变的岩石破坏准则,考虑井底围压以及钻头与岩石互作用随机接触碰撞,采用有限单元法建立了牙轮钻头与井底岩石互作用下系统非线性动力学模型。探讨了牙轮钻头在破碎井底岩石过程中的运动规律及力学性能,对岩石破碎坑的形成过程进行了仿真,为有效预测和控制井眼轨迹的形成,实态工况下整体钻柱系统耦合非线性动力学研究提供了理论依据。

牙轮钻头滚动轴承的失效分析及延寿措施

本文分析了牙轮钻头滚动轴承的失效形式,从改进系统结构设计、采用新型结构、新型材料和表面强化措施以及提高轴承系统的加工质量等方面阐述了提高该类轴承寿命的措施。

高速牙轮钻头轴承表面强化技术实验研究

针对目前牙轮钻头因轴承耐磨性差、寿命短而不能适应高速钻井需要的问题,应用表面工程技术和摩擦学的相关理论,开展了牙轮钻头滑动轴承表面强化工艺和材料的系列实验研究,并测试其性能。进行了组织结构分析和耐磨性、耐冲击性能等实验研究。几种方法的对比实验表明:采用等离子堆焊DH-60粉末后轴承表面涂层致密、孔隙率低、组织结构致密、缺陷少、涂层与基体材料的结合强度高,并且磨损量较小,磨损后试样基本无裂纹等缺陷,耐磨性提高30%左右,可以有效提高牙轮钻头轴承的使用寿命。

胜利油田中深井优快钻井技术

对胜利油田中深井钻井作业的特点及难点进行了初步分析,并从应用PDC钻头及合理使用牙轮钻头、简化定向井施工程序、优选钻井液体系、采取必要的井眼保护措施等方面给出了优快钻井技术方案。现场应用表明,中深井钻井速度逐年提高,至2002年,已达到18.81m/h,从而缩短了钻井周期,降低了钻井成本,值得进一步推广应用。

九自由度牙轮钻头动力学模型研究

根据牙轮钻头动态和受力互为因果关系的特点,分别建立了钻头体和牙轮的动力学模型,并建立了9个自由度的牙轮钻头动力学模型。新建的牙轮钻头与岩石相互作用模型中考虑了扭矩、弯矩、横向力的平衡以及这些因素对钻头破岩过程的影响,并在此基础上建立了轮速比计算模型、牙轮钻头位移模型和岩石破碎仿真模型。通过仿真计算,得到了两种工况下牙轮钻头的位移和轮速比,模拟了破岩过程,为研究钻头与岩石相互作用机理提供了理论依据。

预警—牙轮防脱落技术的发展方向

提高牙轮钻头防止牙轮脱落的能力 ,可以显著减小牙轮脱落事故的发生率 ,因而对降低钻井成本以及提高钻头使用效率具有重要意义。综述了国内外牙轮锁紧技术的发展历史和现状 ,简要介绍了几种典型锁紧结构 (钢球结构、卡簧结构、螺纹环结构以及R槽钢球憋卡预警结构等 )的工作原理和技术特点。指出牙轮脱落的预警是牙轮防脱落技术的发展方向。分析了牙轮脱落预警的技术关键、难点以及已有预警技术的优缺点。提出了一种以扭矩显著增加、钻速显著降低为预警信号的新的牙轮脱落预警技术 ,并对该技术的预警机理以及研究情况作了简要的分析和阐述。试验证明 ,该技术能准确监测轴承的磨损状态 ,在磨损量达到警戒限值时能可靠地自行启动 。