硬地层同轨道锥形齿PDC钻头研究与应用

中深部硬地层含砂砾岩,硬度大、研磨性高、机械钻速慢、冲击力大,常规PDC钻头易磨损、进尺少、机械钻速低,综合效益差。为了突破PDC钻头的局限性,提高其在硬地层中的适用性,对锥形PDC齿的切削破岩机理和规律进行数值模拟,通过与PDC复合片进行对比研究,揭示锥形齿破岩规律,并设计研制了一种同轨布齿锥形齿PDC钻头。同轨道锥形齿PDC钻头以复合片作为主切削齿,锥形PDC齿作为二级切削齿,在复合片和锥形齿的共同作用下,钻头具有犁削和切削的双重破岩效果,使得钻头在中深部硬地层中的抗冲击性能和破岩效率大大提高。现场应用结果表明,与牙轮钻头相比,该钻头机械钻速提高了104.2%,单只钻头进尺提高了89.2%;与常规PDC钻头相比,机械钻速提高了104.4%,单只钻头进尺提高了184.8%。

锥形齿球面齿轮传动的研究

本文研究了机嚣人柔性关节锥形齿球面齿轮传动的原理,并对凸齿和凹齿的齿形作了分析计算。

截锥形齿坯渐开线四齿差行星减速器齿轮承载能力的计算

在截锥形齿坯渐开线少齿差行星减速器内啮合传动中,与直齿圆柱齿轮少齿差行星减速器相比,除了都存在齿廓变形使得多对齿同时啮合外,前者由于截锥形可以减小啮合角,便可以降低载荷、提高传动能力。而与此同时,截锥形却产生了齿面和棱线啮合的情况,从而导致应力集中,降低了传动能力。通过有限元对比计算表明,正负相抵并与后者相比,截锥形齿坯渐开线少齿差行星减速器降低了传动能力。

锥形齿旋冲及扭冲的破岩过程与破岩效率分析

为了解锥形齿在旋转冲击和扭转冲击载荷作用下的破岩过程和破岩效率,采用数值模拟和试验数据验证的方法,研究了2种破岩方式下不同冲击幅值和冲击频率对应的岩石内部应力变化、岩石损伤特征、岩石破碎体积和破碎深度、破岩比功。数值模拟分析结果表明,锥形齿在旋转冲击和扭转冲击破岩过程中均表现为切削齿侵入岩石、岩石损伤贯通裂纹萌生、岩石损伤贯通裂纹扩展、裂缝贯通岩屑崩落4个阶段,拉应力是引起岩石内部到表面贯通裂缝产生的主要原因,压剪应力是岩石内部出现损伤和形成微裂纹的主要原因。随着冲击幅值和冲击频率增大,旋转冲击和扭转冲击破岩方式下,锥形齿破碎岩石的体积都会增大,但当冲击幅值和冲击频率增加到一定值时,岩石破碎体积的增加趋势趋于平缓;锥形齿旋转冲击破岩方式下的最大破碎体积高于扭转冲击破岩方式。常规切削、旋转冲击和扭转冲击3种破岩方式下,锥形齿常规切削的破岩比功最大,不同冲击幅值和冲击频率条件下,锥形齿扭转冲击破岩方式下的破岩比功普遍比旋转冲击破岩方式低。

锥形齿PDC钻头台架试验研究

设计并加工锥形齿PDC钻头、锥形PDC齿与常规PDC齿混合的复合式钻头、常规PDC齿钻头,在不同性质的岩样上进行台架试验研究,分析锥形齿PDC钻头钻进硬地层的破岩效果以及钻压、转速等钻进参数对其钻进性能的影响规律,并与常规PDC钻头的破岩效果进行对比。结果表明:锥形齿PDC钻头具有钻进硬岩能力,机械钻速随钻压和转速的增加而增大;锥形PDC齿与常规PDC齿混合的复合式钻头在硬岩中可获得较高的破岩效率,机械钻速可提高90.6%。

锥形齿齿形参数及间距优化试验研究

镶齿滚刀已被广泛应用于多种开挖机械,如隧道掘进机、反井钻机、采掘机等。镶齿滚刀上合金齿的齿形参数以及齿间距、排间距的优化研究,对于提高机械掘进效率、降低施工成本有重要意义。设计并制作了不同齿形参数的锥齿,搭建了侵入试验平台,应用不同锥齿对北山花岗岩大块岩样(300 mm×300 mm×200 mm)进行了单齿侵入试验及齿间相互作用侵入试验。针对试验的北山花岗岩,试验结果表明,锥顶角为60°、锥顶半径为5.5 mm是其最优齿形参数。而齿间距和排间距分别在35 mm和40 mm左右为最优布齿参数。本研究可为开挖北山花岗岩地层的机械设备的刀具设计提供参考。

新型抗扭转冲击结构锥形齿PDC钻头的研发与应用

川东地区二叠系长兴组含硅质及燧石结核,可钻性极差,属区域性提速瓶颈地层,近年来优选了多个国内外厂家的PDC钻头开展钻井提速试验,平均机械钻速仅为1. 5 m/h,单只进尺不足120 m。文章根据二叠系长兴组地层的岩石力学分析结果,运用硬夹层的切削结构设计、抗涡动布齿设计、力平衡设计、水力结构设计等技术,研发了一种以抗扭转冲击结构为主体的锥形切削齿PDC钻头,现场试验证明该钻头对二叠系长兴组难钻地层适应性强,平均单只钻头进尺和平均机械钻速同比国产钻头、进口PDC钻头均有大幅提高,提速效果显著,为该区难钻地层提速提供了一种新的技术手段。

锥形齿PDC钻头研制与应用

哈萨克希望、扎那诺尔油田石炭系地层抗压强度高、均质性差、软硬交错易导致常规PDC钻头崩齿早期失效,钻井速度慢、钻头寿命短等问题,通过开展锥形齿结构与室内切削效率评价,优选出最佳锥形齿结构与平面复合片多级击碎线混合布齿,同时优化水力结构,成功开发出81/2KS1652DRY钻头,在扎那诺尔区块26#井下二叠统P1s-a-石炭系KT1使用,单趟进尺1157m,平均机速5.71m/h,一趟钻完成81/2水平段得到客户高度认可,在哈萨克希望、扎那诺尔油田广泛推广使用。

锥形齿与平面齿切削碳酸盐岩特征对比分析

目前对锥形PDC齿切削碳酸盐岩特性的研究较少。为此,针对碳酸盐岩开展了锥形齿和平面齿单齿切削试验,比较了2种切削齿切削产生的切削槽表面宏观与局部微观形貌特征、破岩与内部裂纹扩展过程以及岩屑分布特征等方面的差异,分析了2种切削齿的破碎模式。分析结果表明:在切削槽底部,平面齿以塑性破坏为主,锥形齿产生局部塑性破碎;2种齿的齿下裂纹均向前方以一定角度发育,平面齿齿下裂纹之间存在连通融合,而锥形齿齿下裂纹尖端形态保持较好;2种切削齿的岩屑产物均以大块片状为主,锥形齿切削产生的大于4.2 mm岩屑的质量分数大于平面齿;锥形齿切削碳酸盐岩的破岩比能比平面齿低25%。所得结论可为探究平面齿与锥形齿破碎碳酸盐岩特征与机理提供参考。

高压水射流辅助锥形PDC齿破碎花岗岩试验研究

深部地层岩石硬度高、研磨性强、可钻性差,地质条件复杂、施工难度大,高压水射流辅助钻井可有效延长钻头寿命,提高钻进效率。采用室内试验与理论分析相结合的方法,开展了高压水射流辅助锥形PDC齿破碎花岗岩试验,分析了高压水射流辅助锥形PDC齿和常规PDC齿破碎花岗岩特性,揭示了射流压力、喷射距离、喷嘴直径及喷射角度等因素对锥形PDC齿破岩效果的影响规律。研究结果表明:在高压水射流辅助破岩条件下,锥形PDC齿与常规PDC齿的破岩比能分别降低了17.36%与19.63%;射流压力越大,射流辅助锥形PDC齿破岩效果越好;在研究条件下,喷距范围为5~10 mm可使水射流辅助锥形PDC齿破岩效果最佳;当喷嘴直径为2 mm时,切削力离散系数最小;喷射角度为30°时,锥形PDC齿切削力与破岩比能达到最小值;喷射角度为20°时,切削力离散系数最小,切削力最稳定。研究结果可为适用于深部硬岩钻井的锥形PDC钻头水力结构设计与优化提供理论支撑。

锥形与常规PDC齿混合布齿破岩机理研究及钻头研制

常规PDC钻头在砾岩地层中易发生崩齿和碎齿,钻头进尺短、钻速低,钻井周期长、成本高等问题突出。为了提高砾岩地层的钻进效率,本文开展了锥形PDC齿与常规PDC齿混合切削砾岩实验,探究了齿间距和齿高差等参数对切削力、破岩体积及破岩效率的影响规律,研制了Φ215.9 mm混合布齿PDC钻头,并在砾岩地层某口定向井中开展了现场试验。结果表明:随着齿间距增大,切削力和破岩体积逐渐增加,破岩效率先升高后降低,且在齿间距为18 mm时达到最大值;随着齿高差的增加,破岩体积呈线性增加,破岩效率先升高后降低,在齿高度差为0.5 mm时破岩效率最高;与邻井同井段用的牙轮钻头和常规PDC钻头相比,研制的混合布齿PDC钻头的机械钻速分别提高了37.93%和52.38%,进尺分别提高了117.45%以及86.87%。研究结果为适用于砾岩地层钻井的混合布齿PDC钻头设计提供理论依据。

弧齿线锥形齿轮啮合特性研究

为了改善误差敏感性和提高轮齿强度,采用双刀盘法将锥形齿轮加工成双凸型和双凹型。根据刀盘和被加工齿轮的啮合运动关系,推导出弧齿线锥形齿轮的齿面数学模型,根据啮合过程中两齿面的连续切触条件,建立了弧齿线锥形齿轮齿轮副的齿面接触分析模型。计算机仿真结果表明,双刀盘半径直接影响着齿轮副的接触椭圆大小和安装误差敏感性。

圆锥形凹齿球面齿轮传动

本文提出了凹齿齿形为圆锥形的球面齿轮传动原理及加工方法，并对相应凸齿齿形作了分析计算。

尖锥形后备齿PDC钻头的参数优化与现场应用

通过ABAQUS有限元仿真分析了尖锥形齿在单齿条件下的破岩过程,计算得到了齿切削力和破碎比功随齿顶角和前倾角的变化规律获得了齿顶角和前倾角的最优匹配关系,为尖锥形后备齿PDC钻头的设计提供了理论支持。在此基础上研发的的尖锥形后备齿PDC钻头在岳XX井成功开展了现场试验,结果表明该钻头在机械钻速和进尺方面均表现优异具有较高的工程应用价值。在实际应用中也发现:除齿顶角和前倾角这两个参数之外,尖锥形齿与常规PDC齿的位置关系也值得深入研究其研究结果有望进一步提高尖锥形后备齿PDC钻头的破岩效率和使用寿命。

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4252 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。

锥形PDC单齿破岩试验研究

为优化锥形PDC齿钻头的结构设计并提高其钻进硬地层的能力,通过锥形PDC切削齿在玄武岩上的破岩试验,分析了切削角、锥顶角及钻压等因素对锥形PDC切削齿破岩效率的影响规律。结果表明:锥形PDC齿适合其锥尖指向钻头轴线安装在钻头上;随着切削角增大,切削深度先增大后减小,当切削角为25°时,切削深度最深;破碎相同体积的岩石,锥顶角小的锥形PDC齿所需的水平切削力小,更易破碎岩石;切削深度与钻压呈指数关系,随着钻压增加而增大。试验结果可为锥形PDC齿钻头结构设计提供依据。

锥形PDC齿犁切破岩受力试验研究

鉴于锥形PDC齿的相关理论与技术研究尚处于起步阶段,国内还未见相关研究报道的现状,设计了锥形PDC齿,通过单齿破岩试验分析了锥顶直径、切削角、吃入深度和岩石硬度等主要参数对锥形PDC齿受力的影响,同时将锥形PDC齿受力与常规PDC齿进行了对比。分析结果表明,在相同的吃入深度下,锥形PDC齿所受的轴向力和切向力均随锥顶直径的增大而增大,说明锥形齿越尖锐,吃入岩石的能力越强;在钻进花岗岩、大理岩和石灰岩时,切削角为15°时的轴向力最小,吃入岩石能力最强;在吃入深度相同的情况下,锥形PDC齿所受轴向力和切向力都小于常规PDC齿,锥形PDC齿的破岩方式为犁切破岩。研究成果对研制高效破碎硬地层的新型PDC钻头具有一定的指导意义。

冲击载荷作用下锥形截齿磨损的试验和数值模拟研究

通过试验和离散元数值模拟方法,研究锥形截齿的耐磨性能及其磨损特征对截割载荷的影响。在单齿旋转截割试验台上,以砂岩为试验对象,采用3种不同齿尖材料的锥形截齿进行岩石截割试验,并结合试验后齿尖的磨损面形状建立磨损截齿模型,利用PFC^(3D)进行岩石截割的数值模拟研究。统计结果表明:在截割载荷各分量中,法向力显著高于切向力和侧向力;硬质合金截齿、合金钢截齿及有耐磨涂层的合金钢截齿的质量损失依次为0.07%,0.28%和0.22%,硬质合金耐磨性优势突出,堆焊耐磨涂层对截齿有一定的保护作用;齿尖磨损区域的扩展,使截齿连续过载,加剧磨损;通过离散元方法获得的截割载荷与试验方法测定结果接近。在相同截割条件下,对硬质合金和合金钢齿尖耐磨性能的研究,为截齿的寿命估计提供必要参考。

锥形PDC齿耐磨性能试验研究

犁削型PDC钻头采用异于常规PDC复合片的锥形PDC齿作为切削单元,具备钻进硬地层的能力。利用VTL机床对锥形齿进行了磨损试验,研究了不同切削角和不同齿形对锥形PDC齿耐磨性能的影响,优选出耐磨性能好的齿形及切削角,并与常规PDC齿的耐磨性能进行对比。研究结果表明,当锥顶角一定时,随着正切削角由5°增大到21°,锥形PDC齿的耐磨性能呈现由弱变强,再由强变弱的趋势,正切削角在12°~17°时锥形PDC齿的耐磨性能最好;当正切削角一定时,在锥顶角由68°增大到75°的过程中,锥形PDC齿的耐磨性能下降。为提高锥形PDC齿的耐磨性能,应设计适合锥形PDC齿的具有较大合成腔室的顶压机,同时对钻头水力参数进行优化。

锥形PDC齿破岩机理仿真研究

锥形PDC齿作为一种新型破岩方式,其相关理论在国内研究还处于起步阶段。采用Drucker-Prager准则,以等效塑性应变作为破坏准则,建立了基于ABAQUS的锥形PDC齿切削岩石有限元分析模型。通过数值仿真、理论分析阐述了锥形PDC齿切向上以剪切破坏为主、侧向方向以挤压拉伸断裂破坏为主的破岩机理,以及"相邻"效应,并且数值仿真分析了切削深度、切削角度对锥形PDC齿破岩效率的影响规律,优选出最优切削角度20°。研究结果对锥形PDC齿为基础的新型PDC钻头的设计提供了依据。