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。

新型单水口PDC钻头在铀矿地质钻探中的适用性研究

北方地区铀矿地质钻探施工地层大多为砂泥岩,在钻进过程中,冲洗液固相含量较高、孔底净化困难,严重降低钻探施工进尺效率以及成孔质量。为了提高铀矿地质钻探的效率,改善孔底净化条件,设计和研制一种新型3翼单水口PDC(Polycrystalline Diamond Compac,聚晶金刚石复合片)钻头,通过数值模拟验证该钻头在结构与材料方面的可靠性;通过流体场模拟验证该钻头水路结构设计的合理性;通过现场4个钻孔试验,并与传统4翼多水口PDC钻头钻探指标进行对比,验证该钻头在实钻中能够更快在泥岩地层钻进,提高机械钻速约20%,且能预防较为严重的烧钻事故。新型3翼单水口PDC钻头在铀矿地质钻探中具有较强的适用性和推广应用价值。

基于热应力PDC钻头胎体断裂失效分析及试验研究

聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在陇东致密油井作业时出现胎体裂纹和刀翼断裂的问题,严重影响了整个钻头的使用寿命和钻井时效。针对此问题,通过理化性能试验,分析PDC钻头胎体化学成分、力学性能、硬度和金相组织,采用电子显微镜扫描和能谱分析,对PDC钻头裂纹断面的物质进行定量。基于热-弹塑性理论,建立PDC钻头胎体热应力模型,探究预热温度和银钎焊温度对PDC钻头胎体的影响,提出了PDC钻头制造工艺改进措施,开展了现场试验。结果表明:热应力是引起PDC钻头开裂的根源,残余应力和组织应力共同作用是PDC钻头开裂的直接原因;PDC钻头胎体残余应力主要集中在刀翼根部和水眼部位,以1、4号刀翼和3、5号水眼最为显著;PDC钻头胎体与复合片钎焊温度过高会产生较大残余应力,钎焊温度在700℃、胎体预热温度在380℃为宜;改进预热温度和钎焊温度后的PDC钻头施工并未有断裂异常,可以安全作业。

基于正交切削理论的PDC钻头切削齿动态破岩温度分布

在油气钻探过程中,PDC钻头的动态破岩行为表现出高度的非线性特性,这一过程涉及复杂的位移场与温度场的耦合问题。在切削过程中,由摩擦产生的热量在切削齿上积聚,导致切削系统的温度显著上升。过高的温度会加速切削齿的磨损,甚至可能导致切削齿失效,从而对钻井效率产生负面影响并增加钻井成本。为了预测和分析PDC钻头切削齿破岩过程中的温度分布规律,并揭示其动态破岩特性,基于正交切削理论和岩石弹塑性力学,构建三维耦合位移场-温度场模型,用以模拟PDC钻头切削齿在破岩过程中的非线性动力学行为,分析不同切削参数和结构参数下切削力的大小和温度分布规律。研究结果表明:切削齿的高温区位于切削刃附近的椭圆区域内,且角度在以切削刃为中心的90°~230°范围内;最佳的切削深度为0.001 m,前倾角优选为7.5°。此类参数设定可降低切削齿的磨损,同时避免高温失效,从而最小化切削力和最高温度。本文所提方法为研究PDC钻头整体结构设计和切削齿热损伤提供了理论依据和分析方法,使设计出的PDC钻头对复杂地层具有更好的适应性。

关于PDC钻头设计的分析研究

钻探工程中使用钻头的类型很多。近年来,金刚石复合片(PDC)钻头得到了广泛的利用,取得了很好的技术经济效果。但是,对于PDC钻头设计的研究工作不够充分,需要进一步加强,以便取得更好的技术经济效果和更好地推广使用。俄罗斯钻探工作者在这方面做了很多研发工作,获得多项发明专利,取得了较好的成果。以其中3个专利为切入点进行分析研究,包括切削型双节翼片式钻头、稳定型钻头、PDC螺旋状排列钻头。这些成果有较好的使用价值和推广前景,建议我国对此进行研究和试验。

PDC钻头钻进岩石破碎过程及其与钻进规程参数关系的分析研究

PDC复合片钻头在地质勘探和石油天然气钻井等领域得到了广泛的应用,取得了很好的技术经济效果。但是,对于其碎岩过程及其与钻进规程参数间的关系研究不够深入,影响了技术经济指标的进一步提高。俄罗斯钻探工作者在这方面做了很多工作,取得了一定效果,值得引起我们的注意。例如,他们建议,由于岩石破碎方式是变化的,所以,尽量使岩石破碎处于体积破碎状态;如果把钻头每转进尺能耗量指标作为一个评价指标考虑进去,则评价系统会更加科学和更加全面;钻头每转进尺,不是越高越好,有一个最优值,这个最优值与钻进规程参数密切相关;提出了临界钻进规程的概念,即当轴载和转速的乘积高达一定数值时,切削具温度急剧上升、钻头磨损明显加剧,冲洗液量再大也无济于事,因此,此时应该采取措施,及时调整规程参数,避免钻进过程处于临界规程状态,以便使钻进处于正常状态,继续钻进下去。

兰陵铁矿小口径定向钻进PDC钻头设计与应用

小口径定向钻进是解决高精度控矿勘探钻进的重要技术。针对兰陵铁矿区中硬岩石薄软互层小口径定向钻进施工碎岩PDC钻头广谱适应性问题,通过对钻头的冠部形状、刀翼布置、PDC切削齿镶焊角度、钻头水力结构及钻头胎体等几个方面的优化设计,研制了Ø98 mm定向钻进PDC钻头。经过中等硬度以上非均质地层3个定向钻探孔的应用验证,PDC钻头在抗冲击破坏、耐磨性、钻头寿命等方面取得了满意的效果,达到高效碎岩、连续稳定控向钻进的目的,为小口径定向钻进PDC钻头的设计及制造提供了一个有效解决方案。

深水表层PDC钻头喷射钻井技术研究与应用

深水钻井二开表层套管入泥深度增加,地层可钻性降低,φ660.4 mm牙轮钻头钻井存在机械钻速低、牙轮钻头耐久性差等挑战,亟需设计专用PDC喷射钻头进行深水表层喷射钻井。在分析?444.5 mm PDC钻头喷射φ914.4 mm表层导管技术优势基础上,针对PDC喷射作业风险、作业难点,通过钻头选型与改进、喷射水力优化、钻具优化、井身结构优化等措施构建了深水表层PDC钻头喷射钻井技术,并在南海流花、白云、荔湾等区块6口深水井取得成功应用。应用效果表明,深水表层PDC钻头喷射钻井表层二开机械钻速较常规牙轮钻头可提升2倍,可为深水表层钻井作业提供参考。

浸渍合金对PDC钻头胎体性能的影响

PDC钻头胎体的浸润比对其力学性能和微观形貌的影响较大,为了探究浸渍合金对胎体性能的影响规律,采用Cu-Ni-Mn-Zn和Cu-Ni-Mn-Sn 2种浸渍合金制作不同高度的工作层和非工作层试块,得出不同浸渍合金下钻头胎体工作层和非工作层的浸润比及力学性能差异,同时利用扫描电镜对试块的微观形貌和元素含量进行分析。结果表明:试块的浸润比为定值;胎体钻头工作层的浸润比小于非工作层的,微观形貌上表现为工作层中浸渍合金的岛状组织大而分散,非工作层的岛状组织小而致密;对于同种类型的试块,通常浸润比越大密度越大;采用Cu-Ni-Mn-Sn得到的试块硬度均大于Cu-Ni-Mn-Zn试块的,但其抗弯强度和冲击韧性远低于Cu-Ni-Mn-Zn试块的。

新型耐磨损ONYX切削具制作的PDC钻头

PDC钻头在石油天然气钻井和地质勘探钻进中得到了广泛的应用,取得了很好的技术经济效果。但是,钻进中产生的PDC切削具非正常磨损,影响了这种先进方法的机械钻速和钻头进尺的提高。俄罗斯史密斯钻头(Smith Bits)公司研发了一种钻进过程中可以沿着自身轴线回转的ONYX切削具,抑制了PDC切削具的非正常磨损,具有创新性和实用价值。НecкopoMныx B.B.教授等对镶有ONYX切削具的钻头的结构和性能参数进行了分析研究。试验表明,这种ONYX切削具的耐磨性比常规固定式PDC切削具的耐磨性好,钻头钻进效果也比较好,俄罗斯正在积极推广使用,建议中国有关专家和部门对此进行研究和试验。

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。

连续管钻井个性化PDC钻头降扭机理及试验研究

由于连续管自身管径小、柔性大等特性,在进行井下钻进时容易导致摩擦自锁和管柱屈曲,存在钻压施加困难、进尺低下等问题。为提高连续管在低钻压情况下的钻进能力,个性化设计了连续管钻井专用小尺寸PDC钻头。通过单齿切削试验、水平井钻柱微钻头破岩试验、全钻头破岩试验开展小尺寸PDC钻头的降扭机理研究,对比不同齿形对破岩效果的影响。研究结果表明:在PDC切削齿前倾角较小时,破碎相同体积的岩石,宽刃齿所受切削力平均值比常规齿小10.35%~24.56%;同机械钻速情况下,宽刃齿钻头的扭矩小于常规齿钻头,最高降扭37.64%;同转速和钻压情况下,宽刃齿钻头最高降扭28.58%,钻压越大,降扭效果越显著。个性化设计的宽刃齿PDC钻头更适用于连续管实现低钻压、低扭矩、高转速破岩。研究结果可为改善连续管钻井技术在低钻压钻进时的适应性提供新的解决思路和理论支撑。

天阳盆地高温硬岩地热钻探PDC钻头的研究应用

在天阳盆地高温地热钻探施工中,受变质岩系硬岩地层岩性和高温的影响,牙轮钻头机械钻速低、磨损严重、使用寿命短,严重影响钻探施工。对PDC钻头的应用进行了探索研究,针对地层岩性特征,对钻头体、刀翼、剖面轮廓及复合片的选择和布设等关键技术进行了探索,并在钻探实践中优化改进,研究出了一种抗冲击性能较好、适宜于变质岩系硬岩地层的PDC钻头。有效地提高了机械钻速、降低了钻井成本,为天阳盆地高温地热钻探项目的顺利实施提供了技术支撑。

Stress Analysis and Optimum Design of PDC Die for Offshore Drilling Engineering

The maximum internal tangential stress is a critical parameter for the design of the PDC （polycrystalline diamond compact） die that has been widely applied to offshore oil drilling. A new simple equation for the calculation of the stress is developed, and verified by the test data from Kingdream Corp. of China, the largest bit Company in China. An opti- mum method for the design of the PDC die is presented and demonstrated in detail, and software for the design and FEM analysis of the die is developed on the basis of the method. This software has been used in oil industry in recent years.

PDC钻头发展与应用概况

PDC钻头有多种失效形式,本文根据PDC钻头失效的部位对其进行了分类,分析了PDC钻头失效的原因。从提高PDC钻头材料品质、优化制造工艺与结构几个方面介绍了PDC钻头品质提高的途径,最后总结了提高PDC钻头工作效率的方法。

增强造斜易控性的新型PDC钻头工作特性

为提高特殊赋存条件下的油气井定向钻进过程钻头的造斜可控性,提出一种新型的PDC钻头设计方案。综合考虑钻头心部锥角、冠部形状、过渡圆弧半径和中心线位置等因素,研究其造斜易控特性。进行了钻头的线型轮廓设计,建立了造斜段钻头的力学分析模型,并在此基础上分析了钻头破岩过程的造斜特性;根据实验测试结果,分析轮廓设计参数对钻头破岩特性的影响。研究结果表明:心部锥角和过渡圆弧半径对PDC钻头的造斜能力及造斜曲率影响较大;心部锥角太深,使钻头偏转能力下降,进而导致其造斜曲率过大;心部锥角太浅,钻头稳斜能力显著下降,使实际稳斜阶段曲线较设计曲线偏离较大;在定向井实际钻进过程中,增强造斜易控性的新型PDC钻头能较好地解决现有常规PDC钻头偏转能力弱、造斜曲率过大的缺点。建立的分析模型综合考虑了钻头在定向钻进时的复杂工况,并对相关研究进行了修正和完善;同时,通过相关参数的调整,可将分析模型应用于其他情况下的分析研究,研究结论对定向井技术的发展及钻井工具的研制具有重要参考意义。

PDC钻头切削表面流场挟沙能力分析

针对PDC石油钻头在使用过程中产生泥包的问题,进行了岩屑的受力情况和起动条件的分析,建立了计算模型. 通过计算机数值模拟计算,可以得到井底流场的速度分布规律,为分析PDC钻头的排屑能力以及有效抑制泥包生成提供理论依据.

模块化布齿的新型PDC钻头破岩特性

针对现有PDC钻头破岩过程中比压会随着磨损增加而迅速减小的特点,设计一种比压可控的模块化PDC钻头(模块钻头)。首先进行模块钻头切削单元布置方法设计,分析和优化钻头的有效切削刃长,在此基础上建立模块钻头切削齿破岩过程的力学模型,分析切削面积、切削深度、切削齿半径、载荷之间的关系。通过对比现场试验与算例结果,验证模块钻头的破岩特性。研究结果表明:模块钻头能减小有效切削刃长,保证切削单元的钻进比压,增加切削齿的切削深度、切削面积和切削载荷,提高钻头的有效破岩体积,增加钻头的总进尺。通过模块化布齿设计布置,模块钻头可填补常规PDC钻头与孕镶钻头之间的空白。

PDC钻头复合钻进破岩机理及个性化设计探讨

在复合钻进工况下,地面和井下马达的复合驱动虽能使PDC钻头的钻速能得到显著提升,但钻头寿命也会显著缩短。通过研究定向井、水平井下部钻柱的受力变形特性,建立了复合钻进下PDC钻头的运动学模型,研究了转速比、布齿位置、下部钻柱几何状态等对切削齿切削轨迹的影响规律。在此基础上,改进了PDC钻头破岩数字仿真系统,并利用该系统研究了PDC钻头在复合钻进工况下的运动学、切削力学规律以及井底形态特点。研究结果表明:除了高转速因素以外,复合钻进钻头破岩效率增高的主要原因在于PDC钻头切削齿的不平行刮切特性,以及螺杆弯角所导致的钻头牙齿的不均衡切削状态。针对PDC钻头在复合钻井条件下的破岩机理和失效特点,探讨了复合钻进PDC钻头个性化设计的技术思想和实施方法,为复合钻进条件下PDC钻头工作性能的改进提供了理论依据和技术手段。

PDC钻头流场数值仿真与水力结构优化

针对φ311.15mm(121/4英寸)井眼采用复合钻进时存在的岩屑量大,钻头处存在重复破碎等问题,在前人研究的基础上,对某区块常用的φ311.15mmPDC钻头进行了水力结构分析与优化。通过数值模拟,得到了钻头表面速度矢量图、喷嘴中心剖面速度矢量图及刀翼表面速度矢量图,并在此基础上确定了水力结构优化方案。仿真结果表明,改进后涡心与射流区的距离增加,漩涡边界流体切入到漫流层中并附壁上返,漩涡强度减弱,漫流区厚度与速度增加,携岩能力提高,清洗与冷却能力增强。