PDC钻头的轨迹方程及切削参数计算方法

准确计算PDC钻头切削齿的切削面积、切削体积和切削弧弧长等切削参数,对PDC钻头的优化设计和性能分析等都具有十分重要的意义。运用空间几何和数值计算理论,对PDC钻头的轨迹方程和切削参数的计算方法进行了研究。建立了描述PDC钻头在井底的几何位置及运动轨迹的坐标系统,给出了PDC钻头的运动轨迹方程和切削齿在井底的切痕曲线方程。综合考虑了钻头冠部形状、切削齿的布置、切削齿的工作角、切削齿的形状及尺寸、切削齿的相互作用及切削齿的先后次序等因素的影响,提出了切削齿的切削面积、切削体积、切削弧弧长等切削参数的数值计算     

PDC钻头切削齿工作区域及切削量的分析理论和计算方法

在钻头沿井筒中心线作无偏心匀速旋转钻进运动的纯塑性切削假设条件下,定义了切削区域和切削截面的基本概念,建立了分析、计算PDC齿切削岩石过程中的齿刃切削区域、齿面切削区域以及切削截面的数学理论,并在此基础上介绍了用数值分析手段求取各齿切削刃弧长、切削面积、切削体积等切削量参数及其它相关参数的具体途径。该分析方法为准确分析和计算PDC钻头的切削工作载荷创造了基本条件,对提高钻头设计技术尤其是布布齿设计技术的科学性具有重要意义。     

PDC钻头等切削体积布齿优化设计

在PDC钻头切削齿几何描述的基础上,考虑到钻头旋转钻进时因切削齿周向角不同,即切削次序不同而造成的相互覆盖,建立了切削体积的计算方法和利用线性规划进行PDC钻头等切削体积布齿优化设计的方法,并编制了计算机程序。程序设计的实例结果表明,该方法能较大幅度地提高切削体积均匀度。该方法的提出使得PDC钻头优化设计更加系统化、参数化、自动化。     

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。     

复合钻井模式下PDC钻头钻进仿真研究

PDC钻头在井底的受力将影响到PDC钻头钻进效率及切削齿的磨损,尤其是在复合钻井模式下,切削齿与岩石互作用更加复杂。鉴于此,提出一种新的基于三维建模理论的复合钻井模式下PDC钻头钻进仿真方法,目的在于通过仿真结果对复合钻井用PDC钻头的切削参数进行评价。该仿真方法首先是建立复合钻井模式下PDC钻头预钻井底模型,PDC钻头按照设定钻进模式运动,将切削齿作为刀具对岩石进行虚拟切削,仿真过程中建立各切削齿的切削带模型,通过切削带计算各切削齿的接触弧长、接触面积和切削体积。理想工况与复合钻井模式下仿真结果对比表明,新的复合钻井模式下PDC钻头钻进仿真方法能够满足复合钻井模式下对切削参数的定量化评价需求,具有较好的仿真精度以及可视化效果。     

PDC钻头的布齿及性能预测

以PDC钻头的切削齿工作参数计算程序为基础,对PDC钻头的等体积破岩的布齿方法进行了研究,同时讨论了PDC钻头侧向载荷的计算方法、切削齿位置参数对破岩体积的影响。此外,还对PDC钻头的钻进特性曲线,以及采用不同设计方案时的钻头性能进行了预测。     

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切削齿受力的试验研究

为找出影响PDC切削齿受力的因素及一般规律,利用PDC切削齿对多种岩样进行切削试验,通过模拟实际钻井中不同的切削断面形状、重叠切削状态及磨损状态,研究了切削面积、接触弧长、岩石抗钻强度、切削齿磨损高度等因素对PDC切削齿受力的影响规律。结果表明,在切削面积相同的情况下,切削齿受力随接触弧长、岩石可钻性极值、切削齿磨损高度分别呈线性、幂函数和指数函数趋势增长。基于试验结果,并结合后倾角的变化规律,引入弧长系数、磨损高度系数,建立了PDC切削齿受力模型,这为PDC钻头设计及合理使用、复合材料合成工艺等提供了参考依据。     

基于UG/OPEN的PDC钻头切削参数仿真方法

采用仿真方法进行PDC钻头切削参数的量化是钻头个性化设计的重要技术手段。为提高PDC钻头钻进仿真的效率及精度,并与钻头三维设计系统实现无缝连接,在PDC钻头切削参数理论及切削量计算方法的基础上,利用UG软件的布尔运算功能进行了二次开发,基于UG/OPEN快速获取切削量的原理建立了PDC钻头井底模型,将钻头的切削过程等效为几何结构的布尔减运算,通过数值运算获取切削体积、接触面积、切削力等参数。研究结果表明,切削参数仿真结果与既有数值方法仿真结果的变化趋势相同,并且具有更高的精度和仿真效率。基于UG/OPEN的PDC钻头切削参数仿真方法为切削参数获取提供了一种新的方法,可以为个性化PDC钻头的快速设计提供参考。      

PDC钻头切削齿工作参数的计算原理及程序

介绍一种以单齿试验数据为基础的设计PDC钻头各切削齿工作参数的原理和方法。运用该原理编制的计算机程序可以计算各切削齿的切削面积、切削体积、切削速度、切削力和切削功率等。     

PDC钻头在复杂运动条件下钻进过程仿真

在钻井中，钻头设计的优劣以及钻头的选型对提高钻井速度和降低钻井成本都起着非常重要的作用，而切削齿的切削力是评价钻头设计以及钻头选型是否合理的重要依据。因此，有必要对钻头在复杂工作条件下的受力进行分析、预测。文章利用计算机数字仿真技术，计算PDC钻头在复杂运动条件下的切削量，来预测切削齿可能的磨损区域。该仿真系统突破了传统的理论分析方法对钻头运动条件的限制和对钻头切削结构方案的限制，其分析结果的科学性和可信度具有显著提高。     

硬地层PDC钻头切削齿尺寸及后倾角优化设计

PDC钻头是目前石油钻井中使用较为广泛的一种破岩工具,但其在硬地层中的使用效果不佳,钻进效率低,使用寿命短。PDC钻头的切削齿尺寸、后倾角等是影响其钻进性能的重要参数,通过室内微钻头试验,综合考虑硬地层PDC钻头布齿设计中切削齿的重叠和覆盖情况,以相同钻压下微钻头在岩样表面旋转一周的切削深度作为评价其破岩效率的指标,分析了切削齿尺寸、后倾角等对硬地层PDC钻头破岩效率的影响。结果表明:在钻进可钻性超过Ⅵ级的硬地层时,.切削齿尺寸越大,其破岩效率越低;钻进可钻性为Ⅵ—Ⅶ级的硬地层时,13.44 mm.切削齿的破岩效率最高,其最佳后倾角为15°。      

新型PDC钻头设计

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,常常发生先期损坏。针对胜利油田多夹层地层特点进行了PDC钻头的优化设计,突破了PDC钻头单一切削元件模式。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,复合PDC钻头机械钻速高、寿命长、进尺多等特点,对加快油田勘探开发速度、降低钻井成本有积极的意义。     

PDC钻头切削齿受力模拟实验装置研究

针对原有PDC钻头单齿受力实验装置的不足,研究设计了PDC钻头切削齿受力模拟实验装置。设计的实验装置可以模拟PDC钻头三齿组合状态下的切削齿受力;通过调节装置可以模拟PDC钻头不同冠部形状、布齿密度、复合片大小等几何参数;设计的三轴测力传感器可以测量相互垂直且相互不受影响的3个力(轴向力、侧向力、切削力)。实验装置灵敏度高,整体性能可靠,获得的实验数据准确有效,对PDC钻头参数优化设计具有十分重要的意义。     

新型PDC钻头设计与现场试验

为充分发挥PDC钻头在软到中硬地层钻进时钻速高、寿命长的特点,同时减少大尺寸PDC钻头钻进扭矩大的不足,进行了PDC钻头新型结构研究,以提高深井大尺寸井眼钻井速度。针对深井开孔尺寸较大的特点,对PDC钻头几何结构和切削结构进行了分析研究,提出了新型切削结构理论——钻扩型切削结构,该结构特点可降低PDC钻头的破碎功,改变切削力的分布,从而达到提高钻速、减小扭矩的目的。根据该理论设计、制造出的PDC钻头,在上部地层的大尺寸井眼钻进中取得了较好的应用效果,扩大了PDC钻头的应用范围。现场试验结果证明,新型切削结构设计降低了钻进大尺寸井眼的扭矩,合理地分配了破碎能量,提高了钻头稳定性和钻柱的抗振性,降低了钻头回旋趋势,从而达到较高的机械钻速和较好的定向控制。     

PDC钻头性能的二维模拟

介绍了PDC钻头性能模拟的试验基础及原理。所编制的模拟软件可为PDC钻头的设计方案提供模拟结果和性能评价依据，其主要功能为：1．计算切削齿的各种参数，如切削力、切削体积、切削功率；2．计算切削齿的磨损体积、磨损高度；3．计算钻头不平衡力的大小和方向；4．模拟钻头的钻进特性曲线；5．模拟切痕断面形状及井底剖面形状；6．预测钻头的工作指标。应用该软件对一只使用过的PDC钻头性能进行模拟，分析了主要模拟结果，并将该钻头各切削齿研磨面积的实测结果与模拟结果作了对比，两者的分布规律基本吻合。     

川东北海相地层PDC钻头优化设计及应用

针对川东北地区海相地层钻井速度慢、周期长等问题,采用室内试验、统计分析与理论研究相结合的方法,对海相地层抗钻特性进行分析,对高效破岩工具进行了优化设计,优选出适合海相地层PDC钻头的切削齿尺寸和后倾角。从剖面形状设计、布齿设计、力平衡设计和水力设计等方面对PDC钻头进行优化设计,研制出适合川东北海相地层高效钻进的个性化PDC钻头。现场应用结果表明,研制的P613MRR型PDC钻头能够大幅度提高机械钻速和钻头进尺,降低钻井成本,为海相地层的高效开发提供有力保障。