PDC齿切削砾岩的细观损伤模拟

砾岩一般具有孔隙结构复杂、非均匀性严重等特点,PDC钻头钻进砾岩地层时破岩效率普遍较低,室内试验很难有效地研究PDC齿的破岩过程。为此,采用离散元软件PFC2D建立了PDC齿切削砾岩的数值模型,研究不同切削深度、前倾角及岩石非均质度情况下,砾岩的破碎形式和过程,引入破岩比功评价了砾岩切削过程中的破岩效率。研究结果表明:一定范围内增加切削深度,砾岩内部剪切裂纹更快萌生且剪切裂纹占比显著增加,主裂纹沿自由面方向和切削方向绕砾扩展;提高砾岩非均质度,岩石逐渐由塑性破坏转变为脆性破坏,非均质度过高会增加砾岩的整体强度,且使作用在PDC齿上的冲击破坏频率增加,不利于破岩;当PDC齿以1 mm切削深度、5°前倾角切削砾岩时,可获得最高的破岩效率。所得结论可为PDC齿设计及切削参数选择提供理论支持。

高压水射流辅助锥形PDC齿破碎花岗岩试验研究

深部地层岩石硬度高、研磨性强、可钻性差,地质条件复杂、施工难度大,高压水射流辅助钻井可有效延长钻头寿命,提高钻进效率。采用室内试验与理论分析相结合的方法,开展了高压水射流辅助锥形PDC齿破碎花岗岩试验,分析了高压水射流辅助锥形PDC齿和常规PDC齿破碎花岗岩特性,揭示了射流压力、喷射距离、喷嘴直径及喷射角度等因素对锥形PDC齿破岩效果的影响规律。研究结果表明:在高压水射流辅助破岩条件下,锥形PDC齿与常规PDC齿的破岩比能分别降低了17.36%与19.63%;射流压力越大,射流辅助锥形PDC齿破岩效果越好;在研究条件下,喷距范围为5~10 mm可使水射流辅助锥形PDC齿破岩效果最佳;当喷嘴直径为2 mm时,切削力离散系数最小;喷射角度为30°时,锥形PDC齿切削力与破岩比能达到最小值;喷射角度为20°时,切削力离散系数最小,切削力最稳定。研究结果可为适用于深部硬岩钻井的锥形PDC钻头水力结构设计与优化提供理论支撑。

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。

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。

PDC钻头数字化选型技术及软件开发

钻井过程中产生大量与地层、钻头相关的工程数据,利用大数据分析技术优选钻头能用于指导钻头的选型、设计和使用,可使钻头的选用从依赖厂家和经验,转向依据科学的结构特征分析和大数据优选。通过开展PDC钻头结构特征数字化方法研究,建立基于统计数据分析的钻头结构特征推荐与选型技术,形成以数据提取与效能分析、钻头结构特征数字化,以及钻头结构特征重构选型3项内容为核心的基本步骤和分析策略,在此基础上建立了一套PDC钻头数字化选型技术和配套软件。较常规钻头进尺与钻速对比分析选型方法,该技术重点考虑了结构特征对钻头使用效能的影响,体现了实钻工程数据对钻头选型的指导作用。应用该技术与软件开展了准噶尔盆地某区块PDC钻头选型,并进行实钻验证。应用结果表明,选用的钻头钻进中钻速和进尺显著提升,缩短了钻井周期。研究技术与成果有利于提升钻井服务技术水平,可为油气田数字化、智能化发展奠定基础。

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。

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。

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。

五宝场硬塑性地层斧形曲面PDC齿破岩性能研究

为解决川东油气钻井中五宝场沙溪庙组硬塑性地层PDC钻头磨损严重、起下钻频繁的问题,开展了斧形曲面PDC齿在硬塑性地层破岩性能的研究。首先采用X射线衍射试验与三轴力学试验分别获取该地层岩石性质和力学参数,然后采用有限元仿真与试验相结合的方法开展斧形曲面PDC齿破岩性能研究。研究结果表明:斧形曲面PDC齿主要以剪切、挤压、犁切共同作用破岩;相较于常规PDC齿,斧形曲面PDC齿有更强的吃入岩石的能力和稳定性,能有效减小钻头异常振动,提高钻头寿命,并在不同磨损高度(0~3 mm)时,破岩比功降低2.2%~8.2%;根据试验得到斧形曲面齿较常规齿破岩性能提高了11.39%,且试验与仿真平均切削力误差仅为7.46%,验证了仿真模型的正确性。本研究表明斧形曲面PDC齿在硬塑性地层对提高破岩性能具有重要意义。

基于PFC的微波辅助PDC齿破岩数值模拟

微波辅助机械破岩是近年来提出的一种破岩新方法,为探索该方法辅助PDC钻头破碎难钻地层的可行性,本文基于离散元软件PFC的黏结颗粒模型(BPM),建立了微波加热下PDC齿与岩石互作用模型,研究了不同微波照射条件对PDC齿切削破岩的影响。结果表明:在相同微波照射时间下,照射功率较低时,切削破岩模式以PDC齿的挤压刮切作用为主,随着功率的提升,岩石内部热裂纹逐渐增多,破坏模式转变为微波诱导热裂纹所主导的脆性块状破坏为主;微波损耗功率达到3.51 kW、照射90 s后,平均切削力和破岩比功分别较常规切削时降低56.77%和73.9%,微波损耗功率越大,照射时间越长,破岩效率越高;微波照射可减小切削力的波动幅度,使切削力的变化更平缓,有助于提高PDC齿的工作寿命。

国内外PDC钻头新进展与发展趋势展望

PDC钻头近年来发展迅速。为了能够及时掌握PDC钻头的最新进展,系统梳理了国内外油气井用PDC钻头新进展,介绍了中国石油在新型钻头研发与应用方面的工作,进一步阐述了国内PDC钻头研发面临的形势与挑战,展望了油气井用PDC钻头发展新趋势。研究结果表明:在油气资源勘探向着万米深层进军的大背景下,仍然面临地层可钻性差导致钻头破岩效率低、砾石层引起钻头振动先期损坏、大尺寸井眼钻井周期长等严峻挑战,技术与材料革新型高效钻头、混合式钻头、自适应钻头等能够明显提高钻进效率延长钻头寿命;智慧钻头所能提供的丰富井下数据能够提高对于深部破岩机理、岩石物性的认知,对于进一步优化钻头结构、识别可能存在的油气储层等具有重要的意义。应积极借鉴和移植这些成果,尽早研发出适用于深部油气勘探或深地科学钻探等领域的高端耐用钻头。研究结果可为高端PDC钻头国产化、系列化工作和相关从业人员提供借鉴。

外周血PD-1、CTLA-4、T-reg、pDC与鼻咽癌患者临床特征及疗效的相关性

目的:探讨初治鼻咽癌患者治疗前外周血PD-1/CTL(%)、CTLA-4/CTL(%)、T-reg(%)、pDC与患者临床特征及即刻疗效的关系,以及以上指标在鼻咽癌患者及健康人群中的表达差异。方法:收集112例初治鼻咽癌患者治疗前临床资料及淋巴细胞亚群和树突细胞亚群数据,进行外周血PD-1/CTL(%)、CTLA-4/CTL(%)、T-reg(%)、pDC与鼻咽癌患者临床特征及即刻疗效的相关性分析,从112例鼻咽癌患者中随机选取30例患者作为病例组,年龄、性别匹配的30例同期体检健康者作为对照组,分析两组外周血PD-1/CTL(%)、CTLA-4/CTL(%)、T-reg(%)、pDC表达差异。结果:112例初治鼻咽癌患者中,年龄≥50岁组与年龄<50岁组相比,外周血PD-1/CTL(%)更高。CTLA-4/CTL(%)与T分期、N分期、TNM分期呈负相关,CTLA-4/CT(%)越高,疗效越好。T-reg(%)与N分期呈正相关,T-reg(%)与M分期存在“S”型曲线关系。pDC与N分期、TNM分期呈负相关。病例组与对照组外周血PD-1/CTL(%)、T-reg(%)差异存在统计学意义,病例组与对照组外周血CTLA-4/CTL(%)差异不存在统计学意义。结论:外周血CTLA-4/CT(%)越高,鼻咽癌T分期、N分期、TNM分期越早,外周血CTLA-4/CT(%)越高,疗效越好。外周血T-reg(%)越高,N分期越晚。当外周血T-reg(%)<20%时,鼻咽癌可能未发生远处转移,当外周血T-reg(%)为20%~50%时,外周血T-reg(%)表达越高,发生远处转移的可能越大,当外周血T-reg(%)>50%时,鼻咽癌已经远处转移的可能性大。外周血pDC越高,N分期、TNM分期越早。外周血以上指标可动态观察,有望成为预测鼻咽癌患者疗效及预后的生物标志物。

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。

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。

基于改进YOLOv7的PDC钻头复合片检测

复合片是PDC钻头的核心切削单元,复合片自动检测技术是复合片自动修复技术的基础.本文提出了一种基于改进YOLOv7的PDC钻头复合片检测方法,在YOLOv7的基础上,用深度可分离卷积替换了常规卷积,减少了参数量和运算成本;引入了SimAM注意力机制,不需要额外的参数便可以从神经元中推导出3D注意力权重,而且还能提高卷积神经网络的表达能力;用SPPFCSPC替换了SPPCSPC,在保证感受野不变的同时获得了速度的提升;采用K-means++算法聚类先验框,使用启发式算法定位出缺损的复合片.实验结果表明,本文算法较原YOLOv7模型mAP提高了2.75%,参数量减少了约80%,推理速度提高了9.12 f/s,且较其他算法也有较大优势,可实现复合片检测的工业应用.

无镉钎料对PDC切削齿力学性能和微观形貌的影响

【目的】PDC钻头不仅是地质保障装备的重要组成部分,更是推动煤炭行业技术进步和效率提升的关键工具。针对目前PDC钻头采用含镉银钎料进行钎焊,而镉是污染性毒性元素,提出采用无镉环保钎料钎焊PDC钻头的新思路。【方法】从钎料与母材的润湿机制出发,采用高银含Sn、含Mn、Ni和只含Ni的Ag-Cu-Zn系钎料对PDC切削齿和钢进行火焰钎焊。分析了不同钎料的剪切强度和PDC切削齿的焊后性能。对熔化温度最高的钎料焊前和焊后PDC切削齿进行微观形貌、元素含量和拉曼光谱分析,探究钎焊温度是否会对PDC切削齿造成热损伤。在此基础上,分析了钎缝界面组织形貌、元素扩散情况、焊后断面特征和物相组成,阐述了无镉Ag-Cu-Zn系钎料钎缝形成机理。同时测量并计算了钎料与两侧界面的润湿角和化学亲和力参数,综合评价钎缝性能。【结果和结论】研究表明:(1)4种无镉Ag-Cu-Zn系钎料均能满足PDC切削齿钎焊强度要求,其中含Mn、Ni的Ag-Cu-Zn系钎料可获得322.989MPa的强度值。(2)含Sn的Ag-Cu-Zn钎料钎缝形成机理是界面处元素的微扩散;而含Mn、Ni或只含Ni的Ag-Cu-Zn钎料钎缝形成机理是在界面处形成扩散层,增加了界面处的键合力。(3)含3%Sn、含Mn、Ni和只含Ni的Ag-Cu-Zn系钎料为延性断口;含5%Sn的Ag-Cu-Zn系钎料为脆-韧混合断口。(4)Mn能降低两侧界面处富Cu相与母材的张力,而Ni只能降低钢界面处富Cu相的张力。因此,含Mn、Ni的无镉Ag-Cu-Zn系钎料强度最高。研究结果为环保型无镉钎料在PDC钻头钎焊方面的工程应用提供了理论和试验支撑,有力推动了PDC钻头的钎焊技术向更加环保、新型的方向转型升级。

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。

锯形PDC齿破岩与温度特性数值模拟研究

目前关于PDC仿生齿的研究多集中在波浪齿形上,鲜有与锯形齿破岩特性相关研究的报道。鉴于此,基于弹塑性力学与Drucker-Prager岩石失效准则,建立锯形PDC齿与花岗岩相互作用的有限元模型,对锯形PDC齿的破岩以及破岩温度特性展开研究。研究结果表明:相比普通PDC齿,锯形PDC齿在破岩过程中所产生切削力峰值和均值更小,且该切削力均值减小约12.7%,机械比能减少约19%;后倾角增大情况下,锯形齿的机械比能和切削力均先减小后增大,最佳后倾角为10°时,锯形齿的机械比能和切削力最小,切削深度增加情况下,存在临界切削深度1.5 mm,超过1.5 mm后,切削力与机械比能呈现跳跃式增加,锯形齿在模拟范围内,最佳设计方案为3个锯齿。所得结论对钻头布齿和优化设计具有指导意义。