砾石层异型齿PDC钻头的设计及现场试验

塔里木盆地库车山前盐上砾石层发育,砾石含量高、粒径大、抗压强度高,地层可钻性差,钻速慢,井下复杂多。为此,文章针对山前盐上大段砾石层进行了地层砾石层特征和钻头失效模式分析,并在此基础上进行了PDC钻头的异型齿结构设计、优化布齿及冠部形状等设计,形成抗冲击、强攻击性的异型齿PDC钻头设计方案,从而提高了PDC钻头的抗冲击、抗涡动及破岩效率,有效扩大钻头在砾石层中的适用范围。钻头在山前高含砾地层进行了现场试验,取得了优异的应用效果,单只钻头平均进尺达到530 m,平均机械钻速达到4.28 m/h,同比邻井在该地层钻井效果最好的10只PDC钻头的单只钻头进尺提高了42%,平均机械钻速提高了52%,成功解决了塔里木盆地库车山前盐上砾石层钻井的低机械钻速及短进尺的问题。

定向双齿结构对PDC钻头破岩效率及侧向力的影响

针对钻头在软硬夹层中钻进时,由于PDC钻头破岩效率低以及侧向力激增引发钻柱横向振动和涡动,导致钻头过早失效的问题,设计了一种具有定向双齿结构的PDC钻头,并通过双齿切削有限元模拟,研究了不同布齿参数的定向双齿结构对破岩效率和局部侧向力平衡的影响。结果表明:定向双齿结构能够有效提高破岩效率,双齿间距对机械比功的影响较小,相比单齿切削机械比功减小约5.60%~6.50%;双齿夹角能够显著影响机械比功,当双齿夹角为160°时,相比单齿切削,机械比功减小约96.36%~113.82%;相同侧转角情况下,双齿夹角布齿的侧向力比单齿切削减小约33.40%~74.20%,能够有效提高钻头在过渡地层和定向钻井时的局部侧向力平衡,从而提高钻头整体力平衡效果。该研究可为PDC钻头布齿优化设计提供参考和依据。

岩石切削损伤后PDC齿破岩规律探讨

研究岩石切削损伤后PDC齿的破岩规律可以为PDC钻头的设计以及布齿提供依据。从PDC钻头齿的实际工作特点出发,考虑了受损岩石中残余应力以及裂隙对PDC齿切削破岩的影响,研究了岩石切削损伤后PDC齿的破岩机理。同时基于ABAQUS软件开发了PDC齿切削岩石损伤前、后的有限元仿真程序,通过对比岩石损伤前后的切削比功得知,PDC齿切削破碎单位体积受损岩石所消耗的功比破碎单位体积未受损岩石的功小26.9%。这说明在PDC齿一次切削加卸载作用后,在形成的切削表面附近产生了残余应力及裂纹,使下一次切削的破岩效率提高。

PDC钻头布齿参数分析系统开发及应用

针对聚晶金刚石复合片(PDC)钻头切削齿布齿参数难以直接测量的问题,开发了1套布齿参数分析系统。该系统结合三坐标测量机测量数据与PDC钻头几何结构特性,建立了布齿法相角、侧倾角等分析计算模型,重点解决了测量数据输入、模型算法实现、数据可视化等问题,利用Matlab完成了软件开发。该系统软件能够实现PDC钻头几何结构模拟、钻头布齿参数分析,计算PDC钻头加工误差并根据误差结果对钻头质量进行分析评价。在完成某型号PDC钻头切削齿空间位置测量后对其布齿参数分析以及加工误差计算的结果表明,该系统在PDC钻头布齿参数分析等方面计算便捷且可靠性高,具有一定推广应用价值。

胜利油田东营北带砂砾岩体PDC钻头个性化设计与应用

针对胜利油田东营北带丰深1与盐227区块沙四下砂砾岩体地层岩石研磨性强、可钻性差、机械钻速低、钻头寿命短的技术难题,开展了旋流PDC钻头个性化设计与应用研究。通过室内实验,优选出了适合该地层特点的PDC切削齿类型;通过电脑模拟,优化了钻头的冠部轮廓、切削结构和切削齿后倾角设计;研制出旋转射流喷嘴,设计并试制了水力与机械联合破岩的新型PDC钻头。在丰深1-平1井的砂砾岩体地层中进行了钻井试验,与其他类型PDC钻头相比,机械钻速提高了46.8%,单只钻头进尺提高了69.6%;与牙轮钻头相比,机械钻速提高了48.1%,单只钻头进尺提高了156.5%。在盐227井工厂砂砾岩体井段推广应用也取得了明显的提速效果,机械钻速提高26%,平均单只钻头进尺提高102 m。研究成果对PDC钻头个性化设计具有一定的借鉴意义,对硬的强研磨性地层钻井提速具有推广应用价值。

全尺寸PDC钻头切削齿载荷分布规律的实验研究

根据实验应力分析原理,研究了三种剖面形状的全尺寸PDC刮刀钻头在常压下钻进红砂岩和白砂岩时,切削齿上的工作载荷.重点研究了切削齿上的轴向力、切削力、侧向力及其合力沿半径的分布规律及其与钻压和转速的关系,还分析讨论了岩石类型和钻头剖面形状对载荷分布规律的影响.结果表明,钻头形状不同,切削齿上的载荷分布亦不同;转速对切削齿上的载荷分布基本无影响.

PDC钻头布齿计算方法的研究现状及发展

PDC钻头布齿计算是为了确定钻头上各个切削齿在空间中的坐标位置。针对同一优化目标不同的计算方法得出的切削齿位置差别很大,设计出的PDC钻头性能也会截然不同。以近年来国内外PDC钻头布齿设计研究的文献为基础,论述了PDC钻头3原则布齿和力平衡布齿的最新进展,提出了研究中存在的问题。经分析知,PDC钻头布齿设计的计算方法大多以经典3原则为基础,且以等体积为布齿原则进行计算的研究较多;力平衡布齿是PDC钻头稳定性设计的核心,但由于对切削载荷模型研究的限制,其结果与实际差距较大。PDC钻头布齿设计计算方法的研究仍处于对计算模型简化的阶段,随着PDC钻头个性化设计的提出,针对不同钻头性能与要求,综合考虑整个钻井因素进行布齿是今后PDC钻头设计研究的重点。

PDC钻头切削深度与切削力之间关系的试验研究

为了改进ＰＤＣ钻头设计，在全尺寸试验的基础上，对ＰＤＣ钻头单齿切削过程进行了试验研究。结果表明：ＰＤＣ钻头切削深度与切削力之间成幂函数关系，力的变化规律反映了岩石破碎过程中的“跃进式”破碎特点。

PDC钻头布齿设计技术

合理的布齿是保证PDC钻头具有优良工作性能的关键。目前常用的PDC钻头布齿设计方法是图解调整法 ,该方法速度慢 ,设计工作烦琐 ,工作量大 ,效率低 ,欠灵活 ,而且有时会出现不必要的误差。讨论了PDC钻头布齿设计的特点 ,按切削原则设计了钻头冠部形状 ,并选择了合理的切削结构 。

锥形PDC齿的研制及室内试验评价

为了提高PDC钻头的破岩效率和钻头寿命,研制了一种与常规PDC复合片不同的锥形PDC齿。设计并加工了5种不同齿形的锥形PDC齿,在试验室进行了耐磨性、抗冲击性和破岩试验。分析了锥形PDC齿的磨损形式和冲击损坏形式,并与常规PDC切削齿的耐磨性及抗冲击性进行了对比,探讨了锥顶直径和切削角对锥形PDC齿的耐磨性和抗冲击性的影响规律;分析了锥形PDC齿的锥顶直径、切削角、切削深度等参数对锥形PDC齿受力的影响规律,并与常规PDC齿的受力进行了对比分析。试验结果表明:在相同吃入深度下,锥形PDC齿的综合受力普遍低于常规PDC齿,在硬岩中可以获得更高的破岩效率。这些室内试验数据为锥形PDC齿结构改进和新型PDC钻头设计提供了理论依据。

PDC钻头布齿软件设计

鉴于采用图解调整法设计PDC钻头存在效率低、工作量大、设计过程繁琐且有误差等不足 ,应用现代计算机技术对PDC钻头布齿设计进行了研究。在国内外对冠部形状、切削齿径向布置和周向布置设计已有研究成果基础上 ,创立了以实验结果确定齿前角和侧转角的优化设计方法 ,并以VisualC ++和VisualLisp语言编制软件实现PDC钻头的设计计算和绘图。实际应用情况表明 ,该软件布齿设计速度快 ,模块化程度高 ,精确度高 ,可操作性强 ,使用方便快捷 ,具有很好的推广前景。

长庆区块φ222.2 mmPDC钻头的布齿设计和现场应用

文章在调研长庆油田地层岩性和现场实验的基础上 ,对长庆区块钻井用 2 2 2 .2mmPDC钻头进行布齿设计 ,其中包括钻头冠部结构、出刃高度、布齿密度、径向和周向切削齿布置等 ,并采用Matlab等数学软件对径向布齿数据进行分析和切削齿有效齿宽切削面积图形显现。 2 2 2 .2mmPDC钻头在长庆油田进行实验 ,达到预期的钻井技术指标。与邻井牙轮钻头相比较 , 2 2 2 .

PDC钻头布齿方法研究

PDC钻头布齿是影响PDC钻头性能的关键, 而布齿的关键是确定各切削齿的结构角和空间位置参数, 具体的参数跟钻头的冠部轮廓曲线密不可分。依据布齿的原则, 从沿冠部轮廓曲线均匀布齿和非均匀布齿两个角度进行了讨论, 并给出相应具体的布齿方案, 具有较强的可操作性, 为PDC钻头的布齿设计提供了一定的指导和借鉴。最后对计算机辅助布齿设计进行了介绍和展望。

PDC钻头切削齿破岩仿真与试验分析

为了利用计算机仿真技术对PDC钻头切削齿的破岩效果进行分析预测，并为PDC钻头优化设计提供数据依据，建立了PDC钻头切削齿破岩仿真模型，研究前倾角和侧倾角的变化对PDC钻头切削齿破岩效果的影响规律。仿真结果与试验结果对比分析证明所建立的PDC钻头切削齿破岩仿真模型可行。分析结果表明，前倾角在15°～20°时，PDC钻头切削齿破岩效果比较好，侧倾角在5°时破岩效果最好，且齿遭破坏的概率相对较低。

新型斜控PDC钻头冠形设计与破岩机理研究

针对新型油气资源开采的复杂条件,为提高新形势下定向井造斜段井眼质量,提出一种新型斜控PDC钻头。首先根据刀翼线型轮廓设计准则,突破现有锥形心部曲线的局限,将传统锥形心部曲线变为圆弧过渡型曲线;综合考虑影响钻头造斜能力的关键因素,结合布齿参数与钻井实际工况,建立切削齿破岩过程的力学分析模型,然后在此基础上分析钻头造斜易控特性。研究结果表明:传统PDC钻头的锥形心部是制约钻头偏转的关键因素,钻头心部曲线变为圆弧轮廓后,其偏转易控特性得到较大提升。同时通过现场试验,将新型斜控PDC钻头与现有钻头的造斜段钻进性能进行对比,分析其定向钻进的破岩特性与造斜能力。研究结论对钻头破岩机理的研究及定向井技术的发展具有重要的参考价值。

新型PDC钻头在南堡油田的应用

针对冀东南堡油田的地层特点,对PDC钻头的冠部、布齿密度和方法、水力结构、稳定性等进行设计,研制出新型PDC钻头——PK5363S-311钻头。在冀东南堡油田将该钻头的钻探效果与同尺寸同井段所有钻头的钻探效果做比较分析。结果表明,PK5363S-311钻头的总进尺最高,是其它同井段钻头进尺的1.58倍;且该钻头的机械钻速较高,寿命达到设计要求,具有较高的推广应用价值。

基于PRO/E的PDC钻头三维参数化布齿设计

介绍了在PRO/E中利用自定义特征功能实现PDC钻头三维参数化布齿设计的方法,详述了利用PDC钻头布齿设计参数表完成布齿结构三维实体模型的过程。理论计算结果表明,利用这种参数化建模方法完成的PDC钻头三维布齿模型是精确、可靠的。该方法为大幅度提高PDC钻头布齿设计的效率、提高PDC钻头新产品开发工作的综合效率提供了一种有效的途径。

斧形齿PDC钻头的研制及其在东海的应用

东海多口井所用PDC钻头在深部地层钻进过程中出现了机械钻速低、进尺少的情况,钻头起出后发现PDC钻头切削齿磨损严重。为此,在详细分析东海深部地层所用PDC钻头使用情况的基础上,对PDC钻头进行机械设计和水力设计。在机械设计优化时,根据设计三原则和力平衡原则,从钻头冠部轮廓、布齿设计两方面对钻头机械结构进行优化。在水力设计优化时,以ANSYS软件分析作为主要优化手段,对喷嘴和排屑槽进行优化设计。通过分析斧形齿的性能优势,以室内性能测试数据为依据,研制了斧形齿PDC钻头。东海X1井和Y8H井的应用情况表明,斧形齿PDC钻头机械钻速分别提高了15.11%和26.65%,钻头出井评价磨损轻微。因此,斧形齿PDC钻头可提高东海深部地层的钻进效率。

旋切式PDC钻头切削结构设计研究

旋切式PDC钻头能很好地适应深部高塑性地层。为了研究旋切式PDC钻头的切削性能,基于试验和仿真方法,通过旋切式PDC钻头单齿破岩试验,分析了单齿切削过程中切削深度、切削角度和切削速度对切削力的影响,并通过数值仿真对单齿破岩试验所得结果进行验证,通过仿真分析了齿间距和齿形(锥形齿和圆柱形齿)对切削力的影响。分析结果表明:锥形齿最佳切削角度为20°,切削力和轴向力会随着切削深度的增大而变大;随着齿间距的增大,两齿之间的相互作用会减弱,切削力会逐渐与单齿破岩切削力相同,切削比功的变化规律与切削力的变化规律相同;锥形齿的切削力小于圆柱形齿的切削力,在切削过程中更易破岩。所得结果对旋切式PDC钻头切削齿的设计有一定的指导意义。

巴彦河套新区异形齿PDC钻头研究与应用

为了巴彦河套新区油气资源高效开发,(1)通过测井数据、岩心实验以及实钻数据,开展了该区地层岩性可钻性分析,表明白垩系埋深较深地层以及太古界片麻岩地层可钻性差;(2)调研了该区以及外部区块难钻地层异形齿钻头实钻情况,白垩系5000 m以深地层以及太古界地层单只钻头进尺少,机械钻速低,调研的外部区块塔里木塔河南难钻地层通过使用异形齿钻头,提速效果显著;(3)对比分析了平面齿、斧形齿、多棱齿以及锥形齿破岩机理,为后续钻头优化设计提供了理论支撑;(4)开展了异形齿PDC钻头现场实验,较常规PDC钻头单只进尺以及机械钻速均取得了显著的提升,其中有21口井实现二开“一趟钻”,总进尺30000余米。总之根据地层可钻性变化,优配平面齿、斧形齿、多棱齿以及锥形齿,提高钻头与地层的配伍性,可显著提高钻井效率。