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。

三棱形PDC齿破岩特性数值模拟研究

常规PDC钻头在研磨性地层中面临磨损严重、吃入困难、机械钻速低等问题。三棱形PDC齿较常规平面PDC齿具有更好的破岩效果,但是关于三棱形PDC齿的布齿参数、齿形参数的优选缺乏依据。为此,通过有限元仿真分析软件建立了破岩仿真模型,开展了三棱形PDC齿破岩机理研究,剖析了在垂向压入和刮切破岩时三棱形PDC齿的力学特性和破岩规律。研究结果表明:垂直压入破岩时,在相同压力作用下,三棱形PDC齿吃入岩石的深度大于常规平面PDC齿,当前倾角γ<15°时,三棱形PDC齿的破岩效果优于常规平面PDC齿;刮切破岩时,三棱形PDC齿的最优前倾角为10°,最优脊面倾角为3°,最优侧转角为2°。现场试验结果表明,在研磨性地层中三棱形PDC齿比常规平面PDC齿表现出更好的耐磨性和耐冲击性,三棱形齿PDC钻头的机械钻速达到常规平面齿PDC钻头的2.37倍。研究结果可为高研磨性地层的PDC钻头优选提供指导和参考。

Hydraulic modeling and optimization of jet mill bit considering the characteristics of depressurization and cuttings cleaning

A jet mill bit(JMB)is proposed to increase the drilling efficiency and safety of horizontal wells,which has the hydraulic characteristics of depressurization and cuttings cleaning.This paper fills the gap in the hydraulic study of the JMB by focusing on the hydraulic modeling and optimization of the JMB and considering these two hydraulic characteristics.First,the hydraulic depressurization model and the hydraulic cuttings cleaning model of the JMB are developed respectively.In the models,the pressure ratio and efficiency are chosen as the evaluation parameters of the depressurization capacity of the JMB,and the jet hydraulic power and jet impact force are chosen as the evaluation parameters of cuttings cleaning capacity of the JMB.Second,based on the hydraulic models,the effects of model parameters[friction loss coefficient,target inclination angle,rate of penetration(ROP),flow ratio,and well depth]on the hydraulic performance of the JMB are investigated.The results show that an increase in the friction loss coefficient and target inclination angle cause a significant reduction in the hydraulic depressurization capacity,and the effect of ROP is negligible.The flow ratio is positively related to the hydraulic cuttings cleaning capacity,and the well depth determines the maximum hydraulic cuttings cleaning capacity.Finally,by combining the hydraulic depressurization model and hydraulic cuttings cleaning model,an optimization method of JMB hydraulics is proposed to simultaneously maximize the jet depressurization capacity and the cuttings cleaning capacity.According to the drilling parameters given,the optimal values of the drilling fluid flow rate,backward nozzle diameter,forward nozzle diameter,and throat diameter can be determined.Moreover,a case study is conducted to verify the effectiveness of the optimization method.

PDC混合布齿钻头破碎非均质花岗岩数值模拟

非常规油气资源所处地层复杂,开采难度大,钻井过程中钻遇地层密实度高,对钻头性能提出了更高要求。普通PDC钻头主要依靠切削齿剪切破碎岩石,攻击性弱,不仅导致钻头寿命和破岩效率严重下降,而且增加了钻井成本。为探究混合布齿PDC钻头的破岩机理和效果,提升PDC钻头破岩效率和寿命,建立了非均质花岗岩模型,使用有限元方法对比了斧形、三棱形和圆形PDC齿混合布齿的破岩效果,优选了最佳布齿方案,并使用响应面法优化了齿间距,对前后排齿不同高度差情况下的钻头破岩效果及规律进行了分析,最后结合钻头的现场应用对比分析了混合布齿、斧形齿和三棱形齿PDC钻头的破岩过程。研究结果表明:①斧形齿攻击性强,有利于吃入岩石,适用于刀翼前排,而三棱形齿更稳定,适用于刀翼后排;②混合布齿最佳方案为前排斧形齿,后排三棱形齿与斧形齿交替布置,后排齿距离前排齿的最佳横向距离为10.0 mm、10.1 mm,最佳纵向距离均为7.0 mm;③前排齿破岩后能释放岩石内应力,便于后排齿的破岩,但产生的应力区域有限,建议前后排齿高度差不超过1 mm;④围压条件下按照最佳方案布齿的PDC钻头相较于单斧形齿和三棱形齿的PDC钻头,钻井进尺分别提升了21.4%和44.1%。结论认为,混合布齿钻头兼具高破岩效率和稳定性,在深部和难钻地层具有较好的钻进效果,具有良好的现场推广应用价值。

东海深部高研磨地层冲击钻井PDC齿优选研究

东海盆地深部地层机械钻速(ROP)低、PDC钻头钻齿易磨损、单个钻头进尺数少的问题日益突出。为此,开展了岩石可钻性、硬度与塑性系数、强度、研磨性及组分检测试验,明确了导致该区域深部地层低ROP的主控因素,并对ROP变化规律进行了验证;设计了冲击载荷作用下PDC钻头异形齿破岩试验装置,开展了单齿破岩试验,利用3D扫描技术量化了三棱齿、斧形齿在不同冲击速度下的侵彻深度和破岩体积,计算了冲击破岩过程中的能量吸收效率以及破岩比功,对PDC钻头异形齿进行了优选;同时结合优选结果开展了现场试验。研究结果表明:岩石的高研磨性和高强度是东海盆地低ROP的主控因素,当冲锤冲击速度小于7.1 m/s时,三棱齿侵彻深度和破岩体积更大,提速效果较为明显;当冲锤冲击速度大于7.1 m/s时,斧形齿的破岩比功要小于三棱齿,且能量吸收效率更优,在高研磨地层作用下磨损较小,能更好地延长PDC钻头的寿命;现场试验也验证了该结论。研究成果可为东海盆地深部地层冲击钻井参数的确定以及PDC钻头钻齿的优选提供有效参考。

煤矿用PDC钻头的常见失效形式分析及合理选型

目前以聚晶金刚石复合片(PDC)为切削齿的钻头是煤矿钻孔施工的主要碎岩工具。矿用PDC钻头质量的好坏及应用情况会直接制约煤矿井下钻探施工进度,影响矿井瓦斯抽采、水害防治、隐蔽地质探查等工作。矿用PDC钻头存在种类繁多、产品质量差异性大的问题,PDC钻头的应用及选型也缺乏系统的规范和正确的引导。对矿用PDC钻头在煤矿钻孔施工过程中PDC切削齿和钻头体等失效形式进行了系统归纳和原因分析,并从矿用PDC钻头优化设计、合理选型、使用注意事项等方面提出了合理意见,为提高矿用PDC钻头的应用效果提供参考。

基于响应面法的仿生PDC钻头水力结构优化设计

合理的钻头水力结构能避免泥包现象发生,提升钻井效率。为完善仿生PDC钻头的水力结构,基于κ-ε湍流模型和离散相模型对4种不同水力结构方案进行数值计算,确定了最佳方案为喷嘴和辅助喷嘴结合。为确定该方案下最佳结构参数,使用响应面法建立了以喷嘴直径x_(1),辅助喷嘴直径x_(2)、喷嘴距钻头中心径向距离x_(3)为设计变量,采样点最大速度D和采样点平均速度E为目标函数的数学模型,基于回归分析对钻头水力结构进行优化设计,求出最佳参数为喷嘴直径16.36 mm,辅助喷嘴直径8 mm,喷嘴距钻头中心径向距离63.85 mm,并对该参数下的水力结构性能进行了数值计算。结果表明:优化后的钻头水力结构不仅减少了流体井底速度波动次数,且明显提升了整体速度,解决了原有的涡流现象,增强了钻井液携岩性能,减小了粒子浓度。

水射流辅助PDC刀具切割岩石的力学分析

通过对水射流辅助PDC刀具切割破碎岩石的力学分析,定量地确定出水射流对机械刀具受力的作用。试验研究表明,水射流辅助刀具切割岩石时刀具受力随切割深度的增加而线性增加;水射流布置在刀具底部后方,并偏离刀具铅垂中性面适当位置辅助刀具破岩时,刀具受力可减少30%～50%,并且刀具力的减少率几乎不受切割深度变化的影响。

射流冲击器配合PDC钻头在超深井中的应用

射流冲击器配合PDC钻头在超深井中应用可有效提高机械钻速。在简要介绍旋冲钻井破岩机理和射流冲击器的工作原理与性能特点之后,对应用于新疆塔河工区的YSC-178射流冲击器的技术参数进行了优化,选择冲击器活塞行程15 mm,冲锤质量45 kg,分流孔直径13 mm,确定冲击功193～268 J,冲击频率6～19 Hz,压耗1～3 MPa。最后对YSC-178射流冲击器在S116-3井的应用情况进行了详细分析,指出该型射流冲击器与PDC钻头配合进行超深井钻井提速是可行的,应用井例的机械钻速较邻井显著提高。

PDC钻头等体积布齿设计的数值计算方法

PDC钻头布齿设计是否合理直接决定着PDC钻头的破岩效果及其使用寿命的长短,而等体积设计是 PDC钻头布齿设计的基本原则之一。综合考虑了钻头冠部形状、切削齿的布置、切削齿尺寸、切削齿的相互作用等因素的影响下,建立了切削齿等体积设计数学计算模型,对切削齿的工作角进行了优化设计并将其结果应用于该模型中,最后选取适当的数值计算方法进行了计算机求解。实例计算表明,该模型和求解方法具有适用性,这为PDC钻头的设计和性能模拟分析提供了一种可行方法。

PDC钻头的优选方法

应用室内岩石可钻性实验结果，确定了松辽盆地南部某区块应用 Ｐ Ｄ Ｃ 钻头和牙轮钻头钻进两种岩石可钻性级值的关系，给出了该区块 Ｐ Ｄ Ｃ 钻头和牙轮钻头各自所适用地层层段，建立了应用声波时差测井资料确定 Ｐ Ｄ Ｃ 钻头钻进时的岩石可钻性级值模型，应用该模型进行 Ｐ Ｄ Ｃ 钻头优选． 结果表明：应用声波时差计算的岩石可钻性级值的相关性因数为０ ．８５ ，可以满足工程需要． 当可钻性级值超过６ 级时，应换牙轮钻头钻进．

PDC钻头力学模型的试验研究

利用PDC切削齿在不同性质的岩样上进行切削试验,研究了切削参数(切削面积和接触弧长)、后倾角、岩石可钻性等主要因素对PDC切削齿受力的影响规律,建立了PDC切削齿综合力学模型。并在受力分析的基础上,建立了PDC钻头受力计算模型。实例计算表明,计算结果与实钻参数有较好的一致性。这为PDC钻头优化设计和性能模拟提供了理论依据。

PDC钻头的“低转速—高钻压”钻井参数模式及应用

分析PDC钻头的特性及其机械钻速与钻压和转速间的关系 ,认为钻压和转速有最佳参数组合 ;选择的使用参数 ,既要有利于保护钻头又要提高机械钻速 ,且在其推荐参数范围内。在钻头清洗和冷却充分的情况下 ,PDC钻头的工作参数范围应该是一个连续区间 ,并且 ,随着转速的增大 ,允许施加的最大钻压变小。PDC钻头的钻井参数模式除“高转速 -低钻压”模式外 ,还有“低转速 -高钻压”和“中转速 -中钻压”模式。“低转速 -高钻压”模式主要适用于钻进中硬到硬地层。在毛坝 1井中 ,成功应用了PDC钻头的“低转速 -高钻压”钻井参数模式 。

聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的失效分析

对PDC钻井钻头的失效形式进行了分析 ,并对每种失效形式的形成机理进行了研究 .结果表明 ,PDC钻头切削齿的微断屑、宏观破裂及剥离失效形式是造成PDC钻头早期失效的主要形式和原因 .预防PDC钻头的早期失效 ,应从设计。

定向随钻扩孔PDC钻头优化设计及应用

油气井定向随钻扩孔钻井技术主要用于优化井身结构、提高固井质量及预防复杂地层缩颈卡钻等事故的发生,适用于该钻井技术的破岩工具为扩孔钻头。根据塔河油田深井定向随钻扩孔钻井的实际需要,开展了新型钻头的研发。通过对PDC(polycrystalline diamond compacts,聚晶金刚石)钻头扩孔结构、冠部形状、布齿结构等方面进行优化设计,开发出CK306B型定向随钻扩孔PDC钻头,其中钻头扩孔结构采用二级扩孔设计方案,钻头领眼段的冠部采用"微凸冠顶"结构,钻头的布齿结构根据自平衡原理设置,并对新型随钻扩孔PDC钻头进行稳定性和水力特性的仿真分析。该型钻头在塔河油田深井定向随钻扩孔钻井工程的实际应用中取得良好的使用效果:扩孔井径大于170mm的设计扩孔井径要求,造斜率达到9.9°/30m;扩孔钻头平均进尺达到93m,机械钻速为1.24m/h,分别比国外同类钻头提高50%和4%。研究结果表明:新型定向随钻扩孔钻头在深井条件下钻进是可行的,能够满足井眼轨迹控制和定向扩孔的要求,且将钻头的不平衡系数控制在0.05以内,能提高钻头的稳定性,减少钻头异常失效现象,从而延长钻头的使用寿命。

PDC钻头水力结构优化设计研究

在PDC钻头工作过程中,钻井液对钻头体表面的冲洗、冷却和润滑是保证钻头正常工作的一个非常重要的条件。对PDC钻头而言,水力结构(主要是中心水眼和冠部水道)设计的重要性尤其突出。以前,对钻头水力系统研究只能通过实验的方法进行,研究周期长、成本高、结构调整不方便,而数值模拟的方法在几年前还不成熟,甚至静态的复杂结构流场问题基本无法解决。为此,在提出PDC钻头水力结构优化设计原则的基础上,对PDC钻头的三维流场进行了数值模拟。模拟中考虑了钻头的喷嘴布置位置、直径、数量以及切削齿对流场的影响。计算结果表明,原设计在喷嘴布置位置和喷射角度上存在不足,以此为基础进行了水力结构的优化设计。文中的研究成果成功地应用在新型钻头水力结构的设计中,研究方法为PDC钻头水力结构优化分析奠定了理论基础。

基于机械比能与滑动摩擦系数的PDC钻头破岩效率试验

为探究机械比能理论指导下PDC钻头破岩效率的影响因素,通过简化钻头与地层相互作用模型并推导滑动摩擦系数,结合室内试验分析各因素对钻头滑动摩擦系数的影响。结果表明:钻压通过切削齿的吃入深度影响摩擦系数,当切削齿完全吃入地层所产生的摩擦系数最大;钻速过快导致的岩屑过多且无法有效移除时摩擦系数会减小;转速增加会使摩擦系数减小;不同类型的岩样其最终稳定的摩擦系数不同,但一般在0.4~0.6;钻头直径不会影响摩擦系数最终稳定值;钻进软至中硬地层时,应选取尽量大的钻压和转速,即使较大钻压和转速对于提升破岩效率并无裨益,但却会明显提升机械钻速,此时机械比能增加并不明显,说明钻头能量利用率保持在一个稳定的阶段;钻进较硬地层时,提升钻压、转速水平会明显提高机械钻速,增大机械比能,降低破岩效率,钻头机械能量利用率下降,此时钻进参数的选取就需要综合钻速、机械比能、破岩效率等因素判定。

喷嘴孔径对PDC钻头井底流场影响的研究

PDC钻头在实钻过程中井底流场非常复杂,而优化其水力学参数是提高钻头钻井能力的有效手段。根据实际钻头结构,建立了不同孔径的四喷嘴PDC钻头井底流场模型并对之进行了数值模拟,分析了流场的总体特点, 得出了在相同出口射流速度和相同流量条件下喷嘴孔径对PDC钻头井底流场的各种影响,并通过试验进行了验证,为PDC钻头的水力学设计提供了一定的指导。

硬岩地层PDC钻头不良工况原因分析与改善措施

传统PDC钻头在硬岩地层钻进时,不良工况多,钻头寿命及钻进效率非常低。为了找出硬岩地层PDC钻头不良工况发生的原因,以四川元坝地区须家河组致密砂岩为例,建立单个PDC复合片切削岩层的模型,分别对模型中复合片及微小岩块进行受力分析,发现单个复合片受力随切入岩石弧长、岩石的内摩擦角及黏聚力的增加而增加。视所有复合片破岩的临界钻压及扭矩为整个钻头受到岩石的作用力,钻头受力超出转盘的输出钻压及扭矩会导致不良工况的发生。最后,从提高PDC钻头结构使其能适应硬岩钻进,及使用PDC钻头伴侣来改善PDC钻头的切削条件两方面提出了PDC钻头不良工况的改善措施。

双级PDC钻头井底应力场分析

介绍了双级PDC钻头特征,建立了双级PDC钻头的井底应力场分析模型,给出了相关参数和边界条件以及分析方法,利用有限元方法对双级钻头井底进行三维应力场数值分析得到了井底应力场云图和曲线图,并与常规钻头井底应力场进行了对比。分析和研究认为,双级PDC钻头井底形成了径向应力小、周向应力大的二次应力场,等效应力卸载明显,且总等效应力是常规钻头的85.56%,提高机械钻速的潜力较大。