类盘式牙轮钻头破岩机理实验研究

基于盘式钻头破岩机理和镶齿牙轮钻头牙齿材料及固齿特点,提出了针对硬地层的类盘式牙轮钻头技术构想。开展了斧形齿、楔形齿及锥形齿的单齿压入实验、齿圈破岩实验以及类盘式牙轮钻头室内钻进实验。实验结果表明,类盘式钻头的破碎坑井底周向覆盖率高于牙轮钻头,提高了破岩效率,同时避免了盘式钻头因与岩石接触区域大而造成的分压现象,提高了与岩石之间的接触应力,其侵入岩石的能力大幅度增强。因此,类盘式钻头是一种有望在硬岩钻进中比盘式钻头更有效的破岩工具。     

球形硬质合金YQ3强化物探钻头试验研究

为开发强化物探钻头表面的新型材料以及强化工艺,对球形硬质合金YQ3进行试验研究。结果表明,利用NiCrBSi低熔点合金可使球形烧结硬质合金YQ3和物探钻头用钢22SiMnNi2CrMoA实现良好的冶金结合;YQ3硬质合金强化层中过渡层组织细小,耐磨层中脆性硬质合金相上均匀分布韧性微孔结构低熔点合金,可满足物探钻头对强化层的组织要求;硬质合金强化层剪切强度高,抗冲击磨料磨损性能好,且硬质合金自锐性好,满足物探钻头的性能要求。     

盘式钻头破岩机理仿真分析

盘式钻头是一种新型齿形三牙轮钻头，其齿面制成与牙轮母线垂直的圆环形连续齿圈，改变了牙齿与岩石的作用特点及其破岩机理。利用牙轮钻头几何模型及计算机仿真技术，建立了盘式钻头与井底岩石互作用仿真模型、盘式钻头齿形几何模型及盘式齿形离散模型等，编制了盘式钻头与岩石互作用仿真分析软件。由仿真计算得到了给定结构参数的盘式钻头与给定岩石互作用后的井底模式。通过单齿圈复合破岩实验，得到了盘式钻头实际钻井时的井底模式，它与采用计算机仿真软件的仿真结果很相近，验证了仿真模型的正确性，为盘式钻头设计提供了新方法。     

金刚石强化镶齿在液力旋冲钻头中的应用

液力旋冲钻井是一项攻克硬地层的极有效的技术措施，钻头性能是影响该项技术推广应用的主要因素之一。金刚石强化齿是将单晶金刚石晶体和预结的碳化钨硬质合金颗粒按不同比例混合后，再在烧结结聚晶金刚石时在相同高温高压条件下烧结而成，由聚晶金刚石层、第一和第二复合层及烧结碳化钨基层组成，具极高的耐磨性和耐冲击性。由金刚石强化镶齿制成的旋冲钻头由钻头体、破岩齿、保径齿及喷嘴等组成，在国外的旋冲钻井中已广泛应用，钻     

盘式单牙轮钻头破岩机理试验研究

在简述盘式单牙轮钻头的结构特点和破岩机理的基础上 ,详细介绍了这种钻头在资中重二砂岩上进行台架试验的破岩过程、试验数据和动态曲线。试验结果分析表明 ,盘式单牙轮钻头钻进破岩时牙齿在接触井底过后有一个较长的滑移过程 ,运动轨迹成网状相互交叉 ,与井底接触的牙齿过渡平稳 ,从而减小钻头的振动 ,有利于提高钻头轴承和齿面的寿命。这种钻头的缺点是盘式齿在长距离滑移切削过程中磨损较快 ,在某些地层钻进时钻头性能不如普通牙轮钻头和PDC钻头。     

定钻压、定转速条件下PDC钻头单切削齿磨损规律研究

PDC钻头切削齿的耐磨性相当高，要通过大量的室内试验来找出其磨损规律来是不现实的，因此很有必要找出一种PDC钻头切削齿磨损规律的研究方法。在简要分析切削齿磨损机理的基础上，对切削齿磨损规律进行了理论分析推导，得到了切削齿切削岩石时的线磨损速度模式。定钻压、定转速条件下的单切削齿磨损速度试验结果表明，切削齿的线磨损模式是正确的。该方法是研究PDC钻头切削齿磨损规律的一个新途径。     

能减少钻井成本的软地层钻头

现代三牙轮硬质合金镶嵌齿钻头在硬地层和中硬地层里使用很有效。但由于其固有的设计上的限制,在软地层或粘性地层中钻进时不大理想。一种新型的两牙轮钻头(具有硬质合金镶嵌齿、密封滑动轴承和加长水眼)已经设计出来供在软地层钻进时使用以降低钻井成本。该种两牙轮钻头的有效的水眼系统,强有力的切削齿和长寿命的轴承已在实验室试验和现场使用中显示出优越性。这种钻头对于解决在软地层中钻井的问题具有重要意义。     

新型金刚石孕镶块的研究

针对软硬交错、研磨性高的地层设计了一种新型人造金刚石混合孕镶块。这种新型孕镶块以人造单晶金刚石和热稳定聚晶金刚石为耐磨切削材料， 以硬质合金复合材料做胎体， 通过热压烧结工艺烧结而成。为降低硬质合金材料的烧结温度， 减少金刚石的热损伤， 在胎体材料中添加了微量Ｐ元素， 通过微量Ｐ元素的活化作用， 使硬质合金材料的烧结成型温度适当降低， 并具备所需要的机械性能。试验表明， 用新型孕镶块制造的新型孕镶块阶梯钻头的机械钻速比一般钻头提高５６ ％ ～７３ ％ ， 进尺也有较大提高。     

硬质合金套镶聚晶人造金刚石刮刀钻头

<正> 近几年来,大庆油田使用的刮刀钻头,是用高度耐磨的聚晶人造金刚石作为切削刃、采用预包碳化钨粉的松装浸渍烧结工艺制成的。与普通硬质合金钻头相比,这种钻头进尺多、钻速快、寿命长。但因镶入金刚石的刮刀片基体材质太软,在钻进中易于磨损,致使金刚石出刃而被压碎,造成钻头金刚石耗量大、效果差。为了解决这个问题,我们试制了用硬质合金套镶聚晶人造金刚石的刮刀钻头,取得了良好效果。     

牙轮钻头损坏分析及应对措施

大庆油田徐家围子地区深部地层岩石可钻性差、研磨性强、硬度高，在纵向上砂泥岩互层且存在砾石层，钻井难度大，严重地影响钻头和钻具使用寿命；统计分析表明，该地区牙轮钻头损坏的主要表现为齿磨、掉齿、断齿、牙轮卡死和外径磨损等。据此提出了一系列应对措施：大力改进了硬质合金齿材料，开发新齿形的硬质合金齿；采用复合齿与稀土齿混装以增加抗研磨和冲击能力；改进相应配套钻井措施等。     

复合齿形牙轮钻头及其破岩机理研究

针对现有牙轮（钢齿、镶齿）钻头已难以对一些复杂地层进行有效钻进这一现状，根据对牙轮钻头破岩机理的新认识，研制了一种新型复合齿形牙轮钻头。该新型钻头是一种具有新型齿面结构的牙轮钻头，其牙轮上的牙齿由齿形齿和盘式齿复合而构成，并且各牙轮上齿形齿和盘式齿的布置方式可根据硬地层等复杂地层的特性和钻井要求进行调整。两种齿对岩石的破碎作用将会互相影响，使得破碎岩石更加容易。为此，概述了国内外在复合齿形牙轮钻头方面所做的研究工作，并详细分析了这种新型钻头的结构特点和破岩机理，指出要研制出具有良好性能的复合齿形牙轮钻头，主要应从破岩机理、布齿方法与齿面结构、齿面强化工艺、钻头整体性能台架试验及复合齿形牙轮钻头结构设计等方面进行深入研究。     

几何因素对牙轮钻头传动比的影响

在模拟钻井工况下，对由三排齿圈组成的实验牙轮，采用正交实验方法研究齿圈位置、各圈齿数和牙轮移轴距等诸因素对牙轮钻头传动比i值（牙轮转速／钻头转速）的影响。经分析得出：无齿（实际上相当于齿数为无穷大的极限情况）牙轮钻头的传动比是牙轮钻头传动比的最大值。随着牙轮各齿圈齿数的减少，i值下降，其中最外圈齿数影响最大，第二圈次之，第三圈齿数影响很小。当钻头基值和牙轮外形一定时，随着主锥上的齿圈向副锥上的齿圈靠近，i值下降；随着移轴距增大，i值增加。     

单齿圈牙轮钻头轮体速比的计算机仿真

为进行整个牙轮钻头轮体速比的仿真研究，先研究了单齿圈牙轮钻头轮体速比仿真。借助钻头几何学、运动学和已建立的岩石与牙齿互作用力学模型，在一定假设的基础上建立了牙齿运动和受力、牙轮扭矩、牙轮角速度和角加速度等的仿真模型。用计算机程序模拟单齿圈牙轮钻头在给定岩石中的钻进过程，得到了单齿圈牙轮转速与钻头体转速的比值（轮体速比）的变化规律。接着用软件试验探索岩石、钻压、移轴距对单齿圈牙轮钻头轮体速比的影响。仿真软件试验结果与台架实物试验结果的比较证明，这种仿真方法是可行的。     

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介绍了一种新型齿形结构的牙轮钻头———盘式钻头的结构特点、破岩机理以及国外（特别是前苏联）在盘式钻头方面所做的工作，包括破岩机理方面的研究、实验室和现场试验工作及其在生产实际中的使用情况。对盘式钻头的研究现状及其在目前生产中推广应用所存在的问题作了简要介绍。并对开展盘式钻头进一步研究的可行性和具体研究方向作了详细阐述。同时对开展盘式钻头研究的重要意义及盘式钻头将在我国石油勘探开发中的作用及应用前景作了阐述。     

钻头破岩过程的计算机仿真模型──井底破碎坑的数学模型

根据用三牙轮钻头一个主齿圈和一个特殊齿圈进行破岩实验的结果，对井底大量单次或多次破碎坑的数据作了处理，进而建立了破碎坑尺寸大小与齿面结构参数、钻井参数、岩石性质之间的数学模型，为实现牙轮钻头与岩石工作用过程的计算机仿真提供了有实用价值的参考资料。同时简要介绍了一种测量破碎坑尺寸的新方法－－光测法。     

旋风状井底模型的新型钻头运动特性

针对现有钻头心部破岩效率不高的情况,提出一种旋风状井底模型的新型钻头（旋切钻头）。通过研究旋切钻头的运动行为,分析钻头自转坐标系与公转坐标系,建立切削齿位置方程与速度方程,确定切削齿与岩石的接触段,得到接触段上的速度分布结果。根据算例计算与分析发现旋切钻头破岩过程大圈齿过中心,利用冲击与切削综合作用进行破岩,从井底为接触起点,井壁为接触终点,切削齿破岩行为具有从下往上、从里往外“刨”的效果。研究结论对于提高钻头心部破岩效率,进行切削齿破岩机理研究具有参考意义。     

新型高速牙轮钻头滑动轴承的试验研究

为了研制出能与动力钻具相匹配的牙轮钻头，作者从钻头轴承的材料选择入手，对硬质合金滑动轴承进行了分析，认为硬质合金的磨损抗力高，可应用于井下工具。在此基础上，进行了全尺寸牙轮钻头硬质合金滑动轴承的室内试验研究，结果表明：使用硬质合金滑动轴承可使牙轮钻头转速提高到２００～４００ｒ／ｍｉｎ。     

制造误差对三牙轮钻头齿圈啮合的影响

三牙轮钻头主要零件形状复杂,影响钻头直径及牙轮齿圈啮合误差的因素较多。用概率法对有关的主要误差影响因素在三维空间中进行叠加,推导了叠加计算公式。实例的验算结果表明,这种计算方法更符合实际。     

双流道PDC钻头超高压系统的设计

为了充分有效地利用井底水力能量,使水射流与切削齿联合作用破碎岩石,提高破岩效率,设计了超高压双流道PDC钻头。在不改变普通PDC钻头基本设计原理和方法的基础上,进行了该钻头超高压系统关键部件的设计包括高压合金管和定心夹具的材料和尺寸的设计;喷嘴结构和参数的设计,以及超高压流道的计算和设计。室内模拟试验表明(1)超高压喷嘴安装在钻头刀翼上能辅助PDC切削齿破岩;(2)定心夹具解决了高压合金管上部与增压器高压合金管的同心扶正和高压合金管在钻头中的固定问题,同时钻井液也能顺利下行到钻头。