圆弧锯形仿生PDC齿的破岩机理及钻头钻进分析

为进一步提升聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond composite, PDC)钻头在深部硬地层的钻井性能,抑制黏滞滑动现象的发生,以鼹鼠爪趾为原型,在仿生相似原理和锯形齿结构基础上提出一种圆弧锯形仿生齿。基于弹塑性力学和有限元非线性动力学理论建立了切削齿、钻头破岩的仿真模型,对比锯形齿与圆弧锯形齿的破岩过程,并对比了布置两种齿形钻头的整体钻进过程。结果表明:圆弧锯形齿破碎岩石主要以犁削和铲削为主,能够将载荷集中一点,更容易达到岩石的屈服极限,同时使岩石受拉应力更容易破碎,相比锯形齿所受切削力减小15.8%,效率更高。使用圆弧锯形仿生PDC齿的钻头破岩量更大,进尺提升明显,所受扭矩更小,能有效解决钻头的黏滞滑动。研究结果对国内高性能钻头的设计具有重要参考价值。

PDC钻头钻进仿真系统数字化方法研究

PDC钻头和岩石的数字化技术是PDC钻头钻进仿真系统的关键技术之一。介绍了PDC齿、井底和井壁的数字化方法,分析、对比了PDC齿不同数字化方法的优缺点,研究了PDC齿、井底和井壁表面上各离散点坐标的计算模型,并在Matlab环境下实现了钻进仿真系统几何模型的可视化。为利用数字仿真技术研究复杂钻进条件下PDC钻头与岩石的相互作用关系奠定了基础。

实体PDC钻头流场数值模拟与实验验证

利用计算流体动力学技术对聚晶金刚石(PDC)钻头(型号为BK432)的三维湍流进行了数值模拟。模拟中考虑了钻头的切削齿和射流喷嘴对流场的影响。流场的网格划分采用局部加密的混合网格形式,保证了计算精度和运算速度。流场的三维模拟结果揭示了钻头流场存在低速区、回流区和滞流区域,为钻头水力结构优化分析奠定了理论基础。为了对数值模拟的结果进行检验,建立了PDC钻头流体测试实验台架,利用粒子成像测速技术对PDC钻头4个喷嘴的出口流场进行了测试。将测试的喷嘴轴向速度与数值模拟结果进行了对比分析,两者吻合较好。

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。

全局力平衡PDC钻头布齿优化设计

针对聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在钻井破岩过程中因受力不平衡,导致钻井倾斜、井径扩大、钻头产生横向振动和涡动,造成钻头早期失效的问题,基于已有PDC钻头切削力学知识,构建了PDC钻头弯曲力矩及全局力平衡布齿优化设计模型,并提出模型求解方法。布齿设计实例结果表明,采用全局力平衡布齿设计方法得到的布齿结构可使PDC钻头在不同进尺条件下均能保持全局力平衡状态,尤其低进尺(小于1 mm)时的力平衡状态得到极大改善,提高了PDC钻头的钻井稳定性,对于改善钻头受力、提升钻头使用寿命、提高钻井质量与效率具有重要意义。

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。

异形PDC齿切削破岩提速机理研究

在室内切削实验基础上基于有限元二次开发建立了异形齿切削及全钻头破碎非均质花岗岩的三维数值仿真模型,研究了12种形状聚晶金刚石复合片(PDC)齿切削非均质岩石过程中的切向力、法向力、岩屑、破岩比功,并研究了齿形对全尺寸钻头破岩效率的影响。研究结果表明:锥形齿的切向力最小,破岩比功最高,对应的锥形齿钻头的进尺也最小;三平面齿的法向力和切向力均为最大;破岩比功最低的齿为双曲面齿;进尺最大的全钻头齿形为更易吃入岩石的鞍形齿、双曲面齿以及斧形齿。

激光-PDC钻头联合破岩机理及特性研究

随着我国油气勘探逐步向深层、超深层和复杂难钻岩层转移,现有的机械钻头存在着破岩效率低及作业成本高等问题。因此,提出了一种新型激光-PDC钻头,以实现高效破岩和节能降耗。采用有限元方法,基于岩石HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型,建立了激光-PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头联合破岩非线性动力学模型,开展了激光-PDC钻头联合破岩仿真研究。仿真结果表明:激光的辐射作用使岩石表面受辐射区域产生了较高的温度和较大的预应力,进而在岩石表面形成了相互贯穿的损伤带,降低了岩石强度,更有利于切削齿破碎岩石;与无激光单PDC钻头相比,激光-PDC钻头在破岩过程中受到的反扭矩降低了24.8%,钻头轴向加速度波动幅度降低了10.5%,钻进位移增加了8.67 mm,钻进速度提升了112.79%。搭建了激光-机械联合破岩实验台架,进行了激光-PDC钻头联合破岩实验。实验结果表明,激光-PDC钻头联合破岩有着更好的钻进稳定性和连续性,大大提高了破岩效率。研究结果为激光-机械破岩技术的发展和应用提供了一定的理论支撑和技术支持。

PDC钻头参数化设计平台研究

随着聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)钻头个性化设计的提出与发展,传统人工探索式PDC钻头设计方法效率低、周期长、设计质量不稳定、优化调整过程复杂,难以满足PDC钻头多种类小批量的发展需求。针对人工探索式设计方法的不足与PDC钻头个性化设计高效率、高质量、易修改的市场需求,研发了基于Siemens NX(或称UG)三维设计软件的PDC钻头参数化设计平台,其功能主要包括需求分析、设计建模、性能分析、结果输出。平台设计有完整的参数化系统结构和以人机交互为核心的操作界面;分析和对比多种切削齿建模方法,采用完全参数驱动的自动布齿方案;结合传统建模方法和计算机辅助设计特性,实现了钻头体模块化设计建模。实例表明,该平台可以提高设计效率,缩短研发周期,降低劳动强度,保障设计质量,满足设计需求,对推进个性化钻头的研究和提升国内PDC钻头设计水平有积极意义。

为PDC钻头连续钻进进行钻井液性能控制

PDC钻头具有钻进时间长、机械钻速高、起下钻次数少等特点,使用PDC钻头可大大提高钻井速度。但PDC 钻头的使用效果与PDC钻头在钻进过程中短程起下钻的次数有很大关系,每次短程起下钻后机械钻速都要明显地降低。吐哈中原钻井公司通过在钻井液上做文章,围绕如何形成薄滤饼和如何减薄滤饼上下功夫,基本解决了PDC钻头起下钻阻卡问题,实现了PDC钻头连续钻进(中途不用短程起下钻),充分发挥了PDC钻头使用效果。

锚杆钻头PDC倒角对钻进效率的影响

聚晶金刚石复合片(简称为PDC)以其使用寿命长而广泛应用于锚杆钻头上,现场使用证明,PDC切削刃的形态对其在锚杆上的应用性能起决定性的作用,文章分析研究了倒角方式、倒角角度对锚杆钻头用PDC钻进效率和抗冲击韧性的影响,结果表明:在PDC聚晶层外侧倒角15°、在刃口处局部倒角25°、外侧,可大大减少复合片的崩裂,提高钻进效率。

基于不同母材的PDC钎焊强度的影响因素分析

随着聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在复杂地层的应用范围不断扩大,对PDC复合片与钻头体材料的焊接强度要求越来越高,为了探究PDC复合片和不同钻头体材料的钎焊工艺,选用2种基体材料(胎体式和钢体式PDC钻头试样,以下简称胎体试样和碳钢试样)、2种钎料,采用火焰钎焊和高频感应钎焊,研究了钎焊温度、钎料、钎焊方式对PDC复合片和不同基体材料焊接性能的影响,得出了剪切强度随温度的变化曲线。同时,采用光学显微镜对PDC的焊缝断面进行了观测。结果表明,PDC复合片与胎体试样钎焊时,为硬质合金间的钎焊,钎料与母材润湿效果好,剪切强度值较高;PDC复合片与碳钢试样钎焊时,为硬质合金和异种材料间的钎焊,为了提高剪切强度,可适当提高钎焊温度或采用Ni含量高的钎料。

胎体式PDC钻头基体制作新工艺

为降低胎体式PDC钻头的制造成本,并保证钻头的强度,利用计算机三维设计技术重新设计了PDC钻头内部钢芯的结构。分步进行了烧结刀翼小样和PDC钻头基体试验,并进行了相应的温度试验、强度试验、复合片焊接试验和现场试验,未发生基体表面破裂、碳化钨胎体脱落现象,验证了新工艺的可靠性。对比了采用新工艺和原有工艺制作215.9mm 5刀翼胎体式PDC钻头基体的成本,结果表明,采用新工艺钻头基的制作体成本降低了54%。研究表明,采用新工艺制作胎体式PDC钻头基体的成本明显降低,强度可靠,完全可以满足现场使用要求,具有推广应用价值。

智能仿生PDC钻头的破岩数值模拟

为解决普通孕镶金刚石钻头(普通钻头)破岩效率低、钻进不稳定、不耐磨以及不能根据地层选择合适形态破岩等问题,结合仿生原理和非平面结构设计了新型聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)齿和钻头底唇面,提出一种在钻头底唇面安装传感器进行岩性识别,可选择合适形态破岩的智能仿生PDC钻头(智能钻头)。利用机器学习,基于现场钻井数据对岩石性质进行分类。分析了智能钻头切削结构针对软中硬地层和硬地层具有两种工作形态,基于建立的切削模型和岩石失效准则,对智能钻头和普通钻头的破岩过程进行数值模拟对比,结果表明:机器学习的加权KNN(K-nearest neighbor)算法可很好避免样本重叠问题,可精确对岩石性质分类,其训练模型可提供给传感器进行岩性识别。破碎砂岩时,智能钻头经传感器调节将具有PDC齿的底唇面和仿生底唇面保持同一高度破岩,对比普通钻头,其破岩比能和切削力明显更小,表明其效率更高、切削更稳定;破碎花岗岩时,智能钻头经传感器调节将具有PDC齿的底唇面下放破岩,其破岩效率明显高于普通钻头,也更稳定。研究成果对石油钻井设备智能化发展有重要意义。

凸棱非平面聚晶金刚石齿的破岩机理及在含砾地层中的应用

为提高聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在含砾、软硬交错等不均质地层中的抗冲击性能,开展了凸棱非平面PDC齿的研究。通过仿真和室内实验对比分析了凸棱非平面齿与常规平面齿的破岩机理。与平面齿相比,凸棱非平面齿与岩石的接触应力分布更均匀,切削破岩过程中的载荷波动幅度明显更小,切削稳定性更高。凸棱齿特殊的非平面结构改变了切削齿与岩石的互作用方式,在不均质地层得到成功应用。

降低井底岩石抗钻能力的钻速提高方法研究及钻头设计

为解决深部地层岩石硬度大、研磨性强、地应力高及可钻性差导致的钻头破岩效率低、钻井速度慢的问题,在分析现有提速技术的基础上,提出了释放地层应力、降低井底岩石抗钻能力的钻井提速新思路,基于该思路设计了井底应力诱导卸荷钻头、聚能攻击卸荷井底应力钻头、差压式钻头、中心差压式钻头、诱导卸荷与磨料射流联合作用钻头、阶梯式钻头和自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头等7种新式钻头。通过室内试验、现场试验,验证了其中2种钻头的提速效果:中心差压式钻头在室内试验中提速30.01%,现场试验最高提速318.11%;诱导卸荷与磨料射流联合作用钻头在室内试验中钻进石灰岩和红砂岩时分别提速59.0%和336.0%。该方法的提出及钻头的研制,为解决深部难钻地层的提速问题提供了新途径。

美国能源部地热钻井技术研发最新部署及干热岩开发示范创新实践

与其他主要的可再生能源相比,地热能是唯一能够提供基本负载电力的能源。干热岩是指不含原生水或含少量水的高温深部岩体,可通过水力刺激改造形成增强型地热系统储层,从而提取数量可观的地热能。干热岩型地热资源的开发面临两方面主要技术挑战,一是花岗岩和玄武岩等极坚硬岩石对机械钻速的限制,二是钻井所处地层温度超过随钻测量和旋转导向等工具电子设备的运行温度上限。近年来,美国能源部资助的FORGE计划犹他州项目为测试新的钻头技术和优化钻井作业流程提供了机会,以逐步提升机械钻速并降低钻井成本。本文综述了美国能源部地热技术办公室近年发展规划中对地热钻井技术研发的部署,重点分析了犹他州项目在钻井实践过程中对基于物理限制因素重新设计的工作流程的应用,总结了美国能源部围绕地热钻井技术开展的多次规划编制以及部署实施的相关项目涉及的主要领域,以及犹他州项目在探索和实践钻井作业流程优化方面取得的认识。

JZ9-3油田馆陶组砾岩段PDC钻头优化设计

JZ9-3油田馆陶组纯砾段在100m左右,砾径不大,但研磨性极强,对PDC钻头磨损较大,砾段的平均机械钻速普遍偏低。如何优化钻头设计,提升钻头机械钻速和寿命,提高作业效率成为目前需要攻关的重点。本文通过分析JZ9-3-D5井的钻井表现和钻头磨损情况,针对性的提出了布齿、保径等方面对钻头设计的优化措施,并通过在JZ9-3-D5井再次使用,前后对比后发现,验证了优化设计后的提升效果,取得了较好的经验。

复合冲击钻井立体破岩特性模拟研究

利用ABAQUS动力学冲击模块建立PDC单齿-岩石冲击作用数值计算模型,研究切削齿在受转速、钻压、交变冲击扭矩、交变冲击力等多载荷耦合作用下的复合冲击动态破岩方式及破岩效果。研究发现:扭转冲击比旋转冲击的破岩效率提高39.28%,复合冲击比扭转冲击破岩效率提高27.79%;冲击作用时间相同,岩石表面剪切作用力S复合>S扭力>S旋冲;复合冲击侵入岩石深度的特征曲线具有阶跃式的特征。复合冲击钻井破岩机理的研究为工具的进一步优化奠定了理论基础。

磨损状况下聚晶金刚石钻头切削齿的切削参数求解

针对磨损状况下PDC钻头切削齿的切削参数预测方法尚未建立,无法很好地开展等磨损布齿设计的问题,建立了磨损齿的几何模型,并提出了求解切削参数的零点遍历法。基于MATLAB平台对零点遍历法进行编译,并对切削齿的切削弧长、切削面积和切削体积进行求解。结果表明,提出的零点遍历法能够用于磨损齿和未磨损齿的切削参数求解(误差在2%以下);结合切削齿的受力与磨损模型,能够预测PDC钻头每颗齿的磨损趋势。