异形齿切削破碎页岩的试验与数值模拟研究

针对PDC钻头在页岩气钻井中破岩效率低和寿命短的问题,开展异形齿切削破碎页岩机理研究。选用凹面齿、斧形齿、三棱齿等典型异形齿开展切削页岩过程、切削载荷的试验研究,利用数值模拟分析异形齿切削过程中岩石的损伤特性。试验结果表明:切削齿切削页岩过程中,出现了镜面和“卷屑”等硬塑性特征;凹面齿切削载荷和破岩比功小于其他齿型;平面齿和三棱齿随着前倾角的增加,切削载荷呈增大趋势;凹面齿和斧形齿对前倾角的变化不敏感,且凹面齿在前倾角为10°时破岩效果最好;在相同条件下,4种齿型中凹面齿形成的岩屑最大,利于破岩效率的提高。模拟结果表明:切削过程中凹面齿以“铲削”的方式破碎岩石,三棱齿和斧形齿的棱脊对岩石产生明显的挤压效果;三棱齿沿着棱脊将岩屑一分为二向两侧排出,而斧形齿在块体岩屑的中间部分形成了明显的塑性变形。研究结果可为页岩气钻井提速增效提供基础支撑。

适用于深层硬塑性泥岩的异形齿PDC钻头设计

随着油气勘探开发向深层、深水、非常规领域发展,钻遇地层越来越复杂,其中深部泥岩地层在钻进过程中表现出极强的硬塑性特征,导致切削齿难以吃入地层、钻头机械钻速缓慢。针对硬塑性泥岩地层提速难题,开展了聚晶金刚石复合片钻头(PDC)切削齿模拟破岩试验,对比分析了多种异形齿的破岩效果。研究结果表明,弯刀齿的破岩效率最佳且兼具一定的耐用性,在胜利罗家油田硬塑性泥岩地层实现机械钻速最高提升116.4%;斧形齿和弯刀齿交错布齿钻头设计适用于砂泥互层等深部复杂地层,在准噶尔盆地永进油田实现机械钻速最高提升215.7%。讨论了硬塑性泥岩地层潜在的提速措施,建议采用“尖锐突破,平面推进,小齿密刮”的钻头设计原则,以实现高效破岩钻进。研究成果为硬塑性泥岩地层PDC钻头优化设计提供了参考。

异形齿廓齿轮成形滚刀铲磨装置的设计

本文对异形齿廓仪表齿轮成形滚刀铲磨装置的运动原理。结构进行了分析介绍,简述了控制机构各凸轮曲线的计算。

异形齿PDC钻头在大港油田的现场应用

为了提高钻井速度,降低钻井作业成本,减少换钻头起下钻次数,急需解决常规PDC钻头在馆陶组地层钻井适用性差的难题。大港油田馆陶组的埋藏深度一般在1000～2000m之间,层厚为100～400m之间,其中,纯砾石层厚度达几米甚至几十米。馆陶组上、中部一般为泥岩、砂岩、含砾砂岩互层,下部为杂色砾岩,馆陶组底砾岩可钻性差,往往限制了PDC钻头的使用,PDC钻头钻遇颗粒较粗的砂砾或底砾岩就会造成复合片崩损而导致钻头报废,通常采用牙轮钻头钻穿馆陶组地层后,起钻再下入PDC钻头进行馆陶组下部井段施工,严重制约了钻井速度。针对这种情况,通过反复设计和改进,异形齿PDC钻头克服了以往PDC钻头钻馆陶组地层先期损坏现象,能一次性钻穿馆陶组地层,通过现场试验6口井,富含砾石的馆陶组地层钻穿率达到了100%,取得了良好的经济效益和社会效益。

异形PDC齿混合切削破碎花岗岩特性研究

针对常规齿PDC钻头在硬地层钻进中出现的磨损大,崩齿、碎齿严重等问题,各种异形齿被广泛用于钻头设计。为探究和优化单一齿形及混合齿形PDC钻头的布齿间距,提高PDC齿在花岗岩地层的破岩效率,进行了相同形状PDC齿组合切削破岩室内试验和平面PDC齿与异形齿混合布齿数值仿真实验。研究结果表明:在切削花岗岩且切深为1.0 mm时,平面齿组合的最优布齿间距为10 mm,斧形齿为12 mm,锥形齿为3 mm,三平面齿为11 mm。混合布齿组合中,“平面齿+斧形齿”的最优布齿间距为6 mm,“平面齿+锥形齿”为8 mm,“平面齿+三平面齿”为9 mm。在不同的组合中,包含三平面齿的组合其破岩比功最低,破岩效率最高。研究结果对单一齿形钻头以及混合齿钻头的齿形选择和布齿间距优化具有重要的参考作用。

异形PDC切削齿破碎塑性泥岩热固耦合数值模拟研究

中国南海莺琼盆地存在大量高温高压塑性泥岩地层,面临PDC钻齿难以吃入岩层、钻井速度慢的难题,开展该岩层破岩机理研究对于提高钻井速度有重要意义。本文通过离散单元法建立了由平行粘结颗粒组成的岩样二维、三维热固耦合数值模型,并标定了模型细观参数,开展了不同温度下圆柱形齿、楔形齿、屋脊齿和尖圆齿切削塑性泥岩的数值模拟研究。研究结果表明:随着楔形齿侵入时间增加,泥岩损伤区域增大,且径向裂纹向下扩展一定范围后停止扩展,岩石表现为塑性破碎;温度升高对楔形齿侵入岩石产生的径向裂纹和侧向裂纹扩展具有抑制作用;高温环境下,尖圆齿破岩效果明显好于屋脊齿和圆柱齿。现场应用结果表明,相同工况下尖圆齿PDC钻头机械钻速明显高于邻井圆柱齿PDC钻头,与数值模拟结果一致。本文研究成果可为南海高温高压储层破岩提速钻头优化提供理论依据。

异形齿盘毂热锻成形工艺数值模拟与优化设计

针对带有异形齿法兰的盘毂零件提出了热冷复合成形工艺。结合正交试验设计方法和有限元模拟技术对新工艺中热锻成形过程进行分析和工艺参数优化设计,以降低盘毂热锻成形峰值载荷、降低终锻件最大损伤值、减少模具磨损为评价指标,研究了坯料始锻温度、热锻件连皮厚度、下盲孔高度、挤压速度和润滑系数对热锻成形效果的影响,并获得了优化的工艺参数组合,即坯料始锻温度为1100℃、连皮厚度16.0 mm、下盲孔高度10.0 mm、挤压速度250 mm·s-1、摩擦系数0.2。经生产试验验证,优化后的盘毂热锻成形工艺能够为后续的冷精整工艺提供质量合格的锻件。

异形齿离合器盘毂冷挤压工艺优化分析与实验研究

针对某带有异形齿法兰离合器盘毂的结构特点提出冷挤压成形工艺。结合有限元分析与正交试验设计方法,以异形齿盘毂冷挤压成形峰值载荷、齿形充填情况以及最大损伤值为目标函数进行正交实验设计,并采用有限元模拟软件分析其凹模入模半锥角、凹模过渡圆角半径、坯料直径、摩擦系数和挤压速度对盘毂冷挤压成形性的影响。分析结果表明:凹模入模半锥角、凹模过渡圆角半径、坯料直径对盘毂冷挤压成形性具有显著影响,并得到最佳工艺参数组合为:入模半锥角40°、凹模过渡圆角半径3 mm和坯料直径Φ53.5 mm。工艺试验结果表明,采用优化后的盘毂冷挤压工艺可以生产出质量合格的产品。

高研磨性地层异形加长齿PDC钻头研发及应用

低渗气藏典型高研磨性地层具有埋藏深、岩石致密、砂泥岩互换频繁、研磨性强、可钻性差、石英含量高的特点,常规PDC钻头在此类地层破岩效果不佳,钻头进尺和钻头寿命得不到有效保障。为此,从钻头齿形设计、布齿结构、复合片加工、钻头制造、检测等一系列关键技术出发,设计并制造了一种新型PDC钻头——异形加长齿PDC钻头,并开展了室内模拟实验和现场入井试验。通过现场应用表明,该新型钻头能突破高研磨、强非均质性地层PDC钻头的应用禁区,在行程进尺和机械钻速方面,与国外优质钻头性能相当,实现了针对高研磨性地层PDC钻头的国产化研发,具有较高的推广应用前景。

异形PDC齿切削破碎非均质花岗岩机理研究

为了进一步明晰难钻地层(如花岗岩地层)中异形PDC齿的破岩机理,采用有限元建立了含不同矿物组分的细观非均质花岗岩模型,同时还建立了10种常见的异形PDC齿在不同围压条件下的切削破岩模型,并对其破岩机理进行了分析。研究结果表明:鞍形齿和双曲面齿的破岩效率最高,其原因为这两种齿形能在实现移除区的脆性破碎的同时减少影响区的纵向破碎;围压对钻齿的破岩效率和攻击性有抑制作用,其原因为围压的增加使得移除区以塑性破碎为主,且锥形齿的破岩效率对围压变化最敏感,而围压的增加对双曲面齿和鞍形齿的破岩效率抑制作用最不显著;研究的10种PDC齿形被分为曲面齿、平面齿和凸刃齿3类,且这3类齿的应力集中状态依次增大。研究结果可为钻齿的选择、钻头的设计优化以及钻井参数的优选提供依据。

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。

凿岩机异形内齿套筒的冷挤压成形

对凿岩机异形内齿套筒的冷挤压整体成形进行了试验研究。结果表明：用径向挤压代替反挤压内齿，能降低挤压力、利于提高模具使用寿命、产品质量，能满足设计要求。

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。

川西须家河深层PDC钻头新技术研究与应用

川西须家河组深层岩石抗压强度高,研磨性强,常规PDC钻头在这一层位机械钻速很低,是制约这一地区致密低渗砂岩气藏高效开发一个非常重要的瓶颈性难题。提出了一种"异形加长齿"PDC钻头设计新技术和通过数字化钻进仿真技术来对钻头进行横向力平衡设计的新方法。事实证明,切削结构设计理念和设计技术的创新能够使PDC钻头对复杂难钻地层的适应性得到显著改善,必将成为未来世界PDC钻头设计技术的重要发展方向。

异形PDC加强齿结构优化设计及有限元分析

针对PDC切削齿的机械磨损、崩裂、聚晶金刚石层剥离的失效形式,提出采用"异形(即非平面)结构设计的PDC加强齿",以提高其使用寿命。通过有限元分析PDC切削齿和"非平面结构设计的异形PDC加强齿"受力情况,结果表明:牙齿工作时的内应力分布及大小得到改善,异形结构进一步增强牙齿聚晶金刚石复合层与硬质合金基体的啮合力,可显著提高牙齿的抗剪破坏能力。特别对牙轮钻头的运动学特征及破岩特点的适应性探索和对今后相关学科研究有着重要的参考价值。

吉木萨尔页岩油J10026_H水平井优快钻井技术

吉木萨尔页岩油水平井施工中面临PDC钻头破岩效率低、井壁失稳、螺杆钻进托压严重、扭矩与摩阻大等技术难题,严重影响施工进度。为此,进行了异形齿PDC钻头研制、高性能无土相水基钻井液技术、高效大功率螺杆优选、水力参数设计等技术研究,形成适合该井的水平井优快钻井技术。现场应用提速效果显著,J10026_H井水平段螺杆钻具单趟进尺1 756 m,平均机速11.3 m/h,三开钻井工期35.02天,连创区块多项技术指标,J10026_H水平井优快钻井技术为吉木萨尔页岩油高效开发提供了技术支撑。

渤海某油田PDC钻头改进研究及应用

为保卫我国能源供给安全,中海油提出了“七年行动计划”,并将勘探开发的重点放在了中深部地层,其地层可钻性差,钻头磨损严重,面临着较大增速压力。面对以上难题,制定了针对性的钻头改进方案,优选并应用了新型的异形齿人造聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact,简称PDC)钻头,取得了良好效果,对今后渤海油田中深部地层勘探作业具有一定的借鉴意义。

PDC钻头研究现状与发展趋势

经过50多年的高速发展,聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)钻头的设计制造技术日臻成熟,现已成为全球油气钻探工程不可或缺的核心破岩工具。当前,中国油气勘探开发正加快向纵深发展,岩石致密难钻已成为深层超深层钻井工程面临的最大挑战之一,对长寿命高效破岩PDC钻头的依赖程度日益上升。但是,国内外PDC钻头技术的发展速度已经趋缓,似乎进入了“瓶颈”阶段,尚未出现颠覆性技术创新。国内外现有钻头产品还无法满足万米深地的钻进需求,亟需研发高效破岩新材料新技术。文章重点梳理了PDC钻头设计制造关键技术的研究现状,归纳了国产钻头存在的短板问题,分析了未来发展趋势,并提出了相应建议。