Design principle for parameters and interferences of tungsten carbide insert interface on roller bits

The lifetime of roll-bits with inserted tooth will be obviously decreased while drilling in strata and the tungsten carbide can be integrally separated from the roll-cone,which will need more trip out time to replace the roller bit.This study provides an entire analysis on stress as well as strength for teeth and tooth holes in loaded conditions.Qualities of tooth drop from matrix within roller bit.The optimized interferences of teeth inserted into the bit can be reasonably obtained by the critical interference derived from some relevant influence factors on the tooth-fixing quality of roller bits.

滚轮式PDC钻头工作机理的试验研究

针对页岩气钻采中定向钻进的PDC钻头扭矩波动大、冲击振动大、工具面不稳定等问题,笔者提出一种刀翼上设置有双侧支撑的滚轮新结构钻头,通过滚轮单元破岩实验以及全钻头钻进破岩实验来开展新型钻头减扭、缓冲机理研究,主要研究6种滚轮轮廓形状、4种滚轮的吃入深度、6种滚轮径向位置、7种PDC齿相对高度等因素对新型钻头扭矩、钻压的影响规律。结果表明:6种轮廓滚轮的等效摩擦系数均低于PDC齿,且为PDC齿的18.65%~43.73%,得出滚轮减扭能力高于PDC齿;6种不同径向位置的滚轮缓冲能力均强于PDC齿,为PDC齿的1.59~9.17倍,滚轮式PDC钻头的扭矩为常规PDC钻头的71.72%~98.33%;随着滚轮与PDC齿相对高度的减小,钻头扭矩逐渐减小,滚轮钻压的占比也逐渐增加,钻头减扭能力、缓冲能力均增加,为适用于页岩气钻采的新型钻头产品设计与研制提供理论支撑。

受力分析在牙轮钻头失效分析中的应用

文章将物理学中的受力分析应用于KX84系列牙轮钻头的牙爪大跑道的失效分析。首先,文中基于“压力-压强”转换,根据轴压确定了牙轮钻头系统所承受的压力。其次,根据“切向力-法向力”分解,对牙轮钻头所受的压力进行受力分解,确定了牙爪大跑道所承受的压应力。最后,对切应力进行分析,确定了裂纹萌生的范围。结合相关数据发现,KX84-250牙轮钻头和KX84-310牙轮钻头裂纹萌生深度分别为0.7 mm(计算结果为0.45 mm~0.78 mm)和0.85 mm(计算结果为0.57 mm~0.98 mm),计算结果与实际观察结果相符。文中给出的案例对物理教学和失效分析都有促进作用。

KX84系列牙轮钻头牙爪大跑道的失效分析

KX84系列牙轮钻头工作一段时间后,因牙爪大跑道失效而报废。通过赫兹应力分析、显微硬度测试、剖面金相观察和断口分析,对牙轮钻头牙爪大跑道的失效形式进行分析,并对裂纹萌生的深度进行预测。结果表明:牙爪大跑道失效形式为接触疲劳。当轴压低于6.895 MPa时,45°切应力τzy45°与最大水平切应力τ_(0max)低于疲劳极限σ_(-1),疲劳裂纹不会萌生;当轴压超过6.895 MPa,疲劳裂纹开始萌生;当轴压达到13.79 MPa时,可以利用接触面半宽b对裂纹深度进行预测。KX84-250和KX84-310牙轮钻头的牙爪大跑道裂纹预测深度为0.27、0.34 mm,实际深度为0.28、0.38 mm。为了提高牙轮钻头的钻孔深度,牙轮钻头在安装时注意避免极端情况的出现,同时控制轴压,避免疲劳裂纹的萌生。

适合多夹层地层PDC钻头设计及应用

PDC钻头在钻井破岩中所占的比例越来越大 ,但在软硬交错的多夹层地层钻进时效果却不理想 ,常常发生先期损失。针对胜利油田多夹层地层特点进行了 PDC钻头的优化设计 ,开创了钻头切削结构设计新方法 ,改进了钻头的水力结构设计 ,采用了多种稳定性结构设计方法。根据该设计制造的一种新型复合式 PDC钻头在多夹层地层中取得了较好的应用效果。与牙轮钻头相比 ,使用新型复合 PDC钻头机械钻速高 ,进尺多 ,井身质量好 ,对加快油田勘探开发速度。

钻柱—钻头—岩石系统动态行为仿真

利用单齿压入与刮切岩石实验建立了钻头与岩石互作用力学模型 ,实现了对钻头在钻井过程中工作行为的仿真计算 ;建立了基于研究钻柱—钻头—岩石系统动态行为的动力学模型 ,可以对钻井过程中钻压、扭矩、转速等参数的动态变化过程进行计算机仿真研究。从仿真结果可以看出 ,钻头在钻井过程中由于牙齿在井底的交替吃入以及井底本身的凹凸不平造成钻头在井底的纵向振动 ,其钻压的振幅一般为平均钻压的 30 %左右 ;同时 ,由于钻头在井底的刮切作用造成了钻头转速以及扭矩的变化 ,转速的变化相对来说较为平缓。该动力学模型能较好的描述钻柱—钻头—岩石系统的动态行为 。

三牙轮钻头滑动轴承失效分析

三牙轮钻头轴承的使用寿命直接决定了钻头的寿命。为了弄清三牙轮钻头轴承的失效形式、原因及机理,进一步提高三牙轮钻头轴承的寿命,分别对现场失效的三牙轮钻头轴承进行宏观和微观分析。结果表明,密封系统失效是轴承失效的主要原因之一。同时,轴承所受载荷过大且分布不均,温度过高导致材料表面金属强度和耐磨性降低,以及轴承与牙轮之间配合间隙过大,工作时晃动导致受力不均等原因也是造成牙轮钻头轴承的快速失效的主要原因。

硬岩钻进用石油钻头研究现状及发展趋势

能源与矿产的持续安全供给是经济快速增长的保证,而中硬岩层钻进一直限制着油气钻井向深部发展。针对硬岩地层钻进,地质行业主要采用金刚石钻头钻进,而油气钻井行业除按传统方法采用牙轮钻头和金刚石钻头钻进之外,也逐渐开展了PDC钻头钻进硬岩的研究。本文分别介绍了牙轮钻头、金刚石钻头和PDC钻头在油气勘探硬岩钻进中的应用研究现状。其中,牙轮钻头研究主要集中在增强轴承密封性能、改进布齿结构和提高切削齿强度三个方面,而金刚石钻头研究则集中在碎岩机理、金刚石参数和胎体性能,以及钻头结构三个方面。提出了三类钻头的研究方向和发展趋势,为硬岩钻探技术发展提供参考。

高速牙轮钻头轴承表面强化技术实验研究

针对目前牙轮钻头因轴承耐磨性差、寿命短而不能适应高速钻井需要的问题,应用表面工程技术和摩擦学的相关理论,开展了牙轮钻头滑动轴承表面强化工艺和材料的系列实验研究,并测试其性能。进行了组织结构分析和耐磨性、耐冲击性能等实验研究。几种方法的对比实验表明:采用等离子堆焊DH-60粉末后轴承表面涂层致密、孔隙率低、组织结构致密、缺陷少、涂层与基体材料的结合强度高,并且磨损量较小,磨损后试样基本无裂纹等缺陷,耐磨性提高30%左右,可以有效提高牙轮钻头轴承的使用寿命。

牙轮钻头纵向横向扭转振动动力学仿真研究

随着石油资源钻探难度的不断加大 ,有效地预测和控制井下钻头的运动规律 ,改善钻柱动力学性能 ,以提高钻头和钻柱的强度 ,实现对井眼轨迹的精确控制是目前钻井工业中亟待解决的关键技术难题。本文根据牙轮钻头的实际振动状态 ,分析了钻头产生各种振动的机理 ,讨论了钻头 -岩石互作用力学模型 ,用能量法建立了考虑牙轮钻头纵向、横向和扭转振动耦合非线性系统动力学分析模型 ,编制了系统动力学仿真程序 ,并结合实例对牙轮钻头系统进行了动态仿真。

九自由度牙轮钻头动力学模型研究

根据牙轮钻头动态和受力互为因果关系的特点,分别建立了钻头体和牙轮的动力学模型,并建立了9个自由度的牙轮钻头动力学模型。新建的牙轮钻头与岩石相互作用模型中考虑了扭矩、弯矩、横向力的平衡以及这些因素对钻头破岩过程的影响,并在此基础上建立了轮速比计算模型、牙轮钻头位移模型和岩石破碎仿真模型。通过仿真计算,得到了两种工况下牙轮钻头的位移和轮速比,模拟了破岩过程,为研究钻头与岩石相互作用机理提供了理论依据。

预警—牙轮防脱落技术的发展方向

提高牙轮钻头防止牙轮脱落的能力 ,可以显著减小牙轮脱落事故的发生率 ,因而对降低钻井成本以及提高钻头使用效率具有重要意义。综述了国内外牙轮锁紧技术的发展历史和现状 ,简要介绍了几种典型锁紧结构 (钢球结构、卡簧结构、螺纹环结构以及R槽钢球憋卡预警结构等 )的工作原理和技术特点。指出牙轮脱落的预警是牙轮防脱落技术的发展方向。分析了牙轮脱落预警的技术关键、难点以及已有预警技术的优缺点。提出了一种以扭矩显著增加、钻速显著降低为预警信号的新的牙轮脱落预警技术 ,并对该技术的预警机理以及研究情况作了简要的分析和阐述。试验证明 ,该技术能准确监测轴承的磨损状态 ,在磨损量达到警戒限值时能可靠地自行启动 。

牙轮钻头轴承表面织构三种加工方法对比分析

目的研究牙轮钻头轴承上润滑减磨的有效织构加工方法,从而进一步深入牙轮钻头轴承上仿生表面织构的研究。方法开展精密雕刻、纳秒激光和飞秒激光三种加工方式在牙轮钻头轴承上加工织构的实验,观察加工织构底部形貌,从织构加工尺寸、加工精度、加工对象三个方面对比分析三种织构加工方式的优缺点。结果精密雕刻技术可获得较规则的织构三维形貌,但不适用加工熔点高的材料,且仅适用于直径大于400?m的织构。纳秒激光由于金属熔融堆积效应,织构加工质量较差。飞秒激光技术的加工质量高且不受材料限制,能获得较好的织构轮廓,合理织构直径应小于300μm。结论为织构化牙轮钻头滑动轴承的加工方法提供依据。综合织构加工尺寸范围、加工对象和加工精度,飞秒激光加工技术在牙轮钻头轴承上具有良好的应用前景,精密雕刻技术仅在织构尺寸较大时可采用。

牙轮钻头单牙轮的破岩仿真研究

牙轮钻头在井底破碎岩石过程中受顶部钻压、自身动载荷以及井底接触岩石的随机冲击碰撞作用,存在牙齿与岩石交替压入、刮切和滚动的运动状态,受力情况相当复杂。基于岩石弹塑性本构关系和等效塑性应变的岩石破坏准则,考虑井底围压以及钻头与岩石互作用随机接触碰撞,采用有限单元法建立了牙轮钻头与井底岩石互作用下系统非线性动力学模型。探讨了牙轮钻头在破碎井底岩石过程中的运动规律及力学性能,对岩石破碎坑的形成过程进行了仿真,为有效预测和控制井眼轨迹的形成,实态工况下整体钻柱系统耦合非线性动力学研究提供了理论依据。

随钻VSP技术研究及初步应用效果

随钻VSP技术与常规VSP技术相比,具有其自身的特点和独特的优越性,它利用钻井过程中钻头振动产生的噪声作为震源进行逆VSP测量,不干扰钻井,不占用钻井时间,对井孔无任何风险,特别是可以通过现场地震成像处理,实时预测钻头前方地层的构造细节,达到减少钻探风险为主要目的。其技术关键是如何在井场强干扰噪声背景下准确地采集和恢复弱钻头反射信号,并使之变成等效的地层脉冲响应。本文介绍了随钻VSP技术的基本原理和使用的关键技术,通过对轮古4 7井牙轮钻钻头随钻VSP资料处理成果的分析和与过井地面地震剖面的对比,表明文中所使用的采集、处理技术,可以获得与三维地面地震相当的地震成像剖面。

基于复杂环境多自由度牙轮钻头动力学模型建立与分析

以牙轮钻头几何学、运动学为理论基础,通过受力分析,建立了多自由度牙轮钻头动力学模型,及综合考虑扭矩、弯矩、横向力和在钻头破岩过程中多种因素耦合作用影响下的牙轮钻头与岩石互作用模型,发展了目前钻头行为力学理论;并通过仿真研究得到典型工况下牙轮钻头轨迹曲线和岩石破碎仿真计算,并模拟分析了软、硬地层岩石交替复杂环境下的井眼轨迹,为今后研究复杂钻井系统井眼轨迹预测提供新的理论依据。

胜利油田中深井优快钻井技术

对胜利油田中深井钻井作业的特点及难点进行了初步分析,并从应用PDC钻头及合理使用牙轮钻头、简化定向井施工程序、优选钻井液体系、采取必要的井眼保护措施等方面给出了优快钻井技术方案。现场应用表明,中深井钻井速度逐年提高,至2002年,已达到18.81m/h,从而缩短了钻井周期,降低了钻井成本,值得进一步推广应用。

松南地区深井钻井提速难点与对策

松辽盆地南部地区深部地层是中国石化东北油气分公司勘探开发工作的重点,但该地区深层碎屑岩、火山岩地层可钻性差,可钻性级值达到8～10级,平均机械钻速低,单只钻头进尺少,钻井周期长,超过4 000m的深井钻井周期在6个月左右。同时存在碎屑岩地层井壁易失稳、火山岩地层易发生裂逢性漏失、硬夹层较多且部分井段含有砾岩导致断钻具事故频繁、CO2污染钻井液等技术难点。针对这些技术难点,提出了优化井身结构、针对不同地层特点优选钻头、应用旋冲钻井技术等技术对策。现场实践表明,松南地区采取这些技术对策和措施后,提高了钻井速度,缩短了钻井周期,漏失得到控制。

三牙轮钻头硬质合金堆焊层微观组织分析

研究了WC -Co、铸造碳化钨硬质合金的淬火及深冷处理等热处理工艺 ,分析了WC -Co、铸造碳化钨硬质合金的金相组织 ,分析了WC -Co、铸造碳化钨硬质合金淬火和深冷处理提高性能的原因。研究了淬火和深冷处理提高性能的机理。结果证实WC -Co硬质合金金相组织为γ′和M7C3 、M6C、M2 3 C6型化合物 ,铸造碳化钨硬质合金金相组织为 η和M7C3 、M6C、M2 3 C6型化合物。淬火及深冷处理能强化粘接相 。