适合吐哈油田西山窑地层的PDC钻头提速研究

吐哈油田西山窑地层具有高硬度、研磨性强等特点。该地层采用过多种PDC钻头,但机械钻速提高不甚明显,为此,研究分析了PDC切削齿磨损对机械钻速的影响,提出了以加强PDC钻头的耐磨性为目标来提高机械钻速的设计观点,对PDC钻头的冠部形状、切削齿尺寸、切削齿排布、切削齿工作角等进行优化设计,设计的钻头在吐哈核3井进行了钻井试验。结果表明：设计的新钻头机械钻速与使用过的两种PDC钻头相比分别提高了29%和92.5%,且钻头钻时60 min以上时,有轻微磨损,仍可继续使用。     

PDC钻头磨损过程中的应力分析

为了更加准确地计算PDC钻头在钻进过程中所受的力,需要模拟钻头使用一段时间后的磨损情况.运用空间几何和数值计算理论,对PDC钻头的结构和受力重新进行分析.描述了PDC钻头在不同磨损情况下应力改变情况,推导出了PDC钻头磨损时受力方程.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、切削齿的相互作用的影响,提出了磨损过程中切削齿的切削面积、切削体积、切削弧弧长等切削参数与磨损程度的关系的数值计算方法,为精确估算PDC钻头的工作时间提供了一种更为科学的手段.     

砾岩层PDC切削齿优选试验

为了在砾岩层中获得更好的钻进效果,需要对砾岩层用PDC钻头切削齿的齿形和后倾角进行优选。对普通平面齿、锥形齿和斧形齿在砾岩岩样中进行单齿破岩试验,再对优选出的斧形齿进行仿真分析,优选斧形齿的最佳齿面角度,再与普通平面齿进行切削模拟,验证试验结果。结果表明：斧形齿在砾岩层中切削效率最高,受力最稳定;齿面角度为140°的斧形齿在砾岩中钻进效果更好,当其配合30°后倾角时,切削效率最高。     

煤矿井下随钻测量定向钻进用PDC钻头的研制

煤矿井下随钻测量定向钻进需要设计高品质的PDC钻头。本论文从PDC钻头的结构参数到PDC切削齿的选型均进行了较深入的分析研究;同时研制了96 mm胎体式定向钻进用PDC钻头,并进行了现场试验,共钻进1个主孔和4个分支孔,平均钻进时效为4.12 m/h,累计进尺达1 001.6 m。试验结果表明,该钻头造斜效果好,使用寿命长,完全能满足使用要求。     

基于热性能分析的PDC切削齿选型试验研究

为提高PDC切削齿选型的可靠性,从热性能角度出发,分别对不同厂家的PDC切削齿进行常温激光拉曼、高温激光拉曼及热重等分析,并结合其高温磨耗比测试,分析PDC切削齿的残余应力、石墨化转变、热稳定性以及高温耐磨性等,综合评价不同厂家的PDC切削齿性能;同时,制作?94 mm四翼弧角PDC钻头并进行现场钻进试验.结果表明:现...     

石油天然气钻采用PDC切削齿的最新发展

本文介绍了近年来PDC钻头的设计理念和PDC切削齿的最新技术动向,PDC切削齿的若干关键技术,以及国际上最新采用的测试技术。通过提高金刚石含量,加强D-D键结合,优化界面几何形状,减少内应力,精细控制各种原辅材料的质量,最终提高PDC切削齿的综合性能。文中介绍了PDC超声波逐行扫描探伤技术,最新的重负荷检测耐磨性能,以及耐热性和抗冲击性的检测技术。最后还对石油钻井市场现状进行了介绍。     

基于火山岩地层钻井岩心资料的PDC钻头设计改进

PDC钻头在钻进火山岩地层过程中,技术性能常得不到充分发挥,针对火山岩地层岩心资料,从复合片、切削齿受力、齿型、切削齿的角度等方面设计和改进了PDC钻头。研究分析了剖面形状、布齿、切削齿工作角等设计对PDC钻头性能的影响。提出了以加强钻头的稳定性、耐磨性和提高钻速为目标的设计观点。研制的新型钻头采用抛物线形剖面,中密度布齿,切削齿后倾角在10°-15°范围内变化。结果表明：与牙轮钻头相比,PDC钻头钻速提高了约20％,每米钻井成本降低了27％。     

合金铸铁气缸套切削性能的试验研究

采用水冷冲天炉熔炼和电炉保温的双联熔炼工艺,光谱快速分析实时监控铁液化学成分,金相显微组织分析等手段,研究铸铁气缸套的切削性能。结果表明,加入Cr(0.25%)、Mo(0.40%)和Cu(0.3%)等合金元素,提高了增碳率,细化了气缸套组织;金属模离心铸造气缸套时铸件重量与水冷时间应相适宜,限制了组织中D、E型石墨的形成;含钡孕育剂能够获得分布均匀,形态细长的A型石墨。所使用的原辅材料、铸造工艺、合金元素等是造成气缸套加工性能差异很大的主要因素。     

PVD氮化钛涂层刀具切削性能的试验研究

采用电弧离子镀涂层工艺,制备了TiN涂层高速钢钻头和TiN涂层硬质合金铣刀,检测了TiN涂层的膜层性能,并进行了有TiN涂层和无涂层刀具的切削对比试验。结果表明,有TiN涂层的高速钢钻头使用寿命是无涂层钻头的5～7倍,有TiN涂层硬质合金铣刀的使用寿命是无涂层铣刀的3～11倍。     

煤矿瓦斯抽放孔跟管钻进用偏心PDC钻头的研制

为解决松软突出煤层钻进难、成孔难这一问题,我们研制了一种偏心跟管PDC钻头,并研究了施工过程中的参数对钻进效率和钻头寿命的影响。结果显示:PDC偏心钻头能够比较快速的破碎岩石,适用于煤系地层的瓦斯抽采孔钻进。但对于松软煤层钻进过程,其需要较大的水路以充分冷却钻头及排除岩粉。对现场施工的研究表明,合理的切削角和侧转角,以及相应的空间参数,能够保证PDC钻头快速破碎岩石,并提高钻头寿命。     

3D打印金刚石复合片及其钻头的研究进展

PDC钻头已成为油气勘探领域的首选钻头类型,日益提升的PDC钻头性能要求特别是钻进效率要求给钻头制造带来较大挑战。钻头工作面结构改进是PDC钻头实现高效破岩的关键,但这给PDC钻头制造带来难题。3D打印技术是一种新型的快速成形技术,具有制造任意复杂形状结构、个性化定制和创意设计的优点,将3D打印工艺应用于PDC及其钻头的生产是未来发展的必然趋势。本文中介绍了目前用于制备PDC及其钻头的3D打印技术的基本原理,包括光固化成形技术（SLA）、熔融沉积技术（FDM）、激光选区烧结（SLS）、激光选区熔化技术（SLM）和喷墨粘粉式（3DP）等;总结了现有3D打印技术在PDC及其钻头制造方面的研究进展,并对未来3D打印PDC钻头的发展进行了展望。     

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。     

基于激光熔覆再制造PDC钻头的机器人仿真分析

为了降低PDC钻头维修成本以及钻井周期,基于激光熔覆再制造技术,提出用机器人实现对钻头的再制造. 基于逆向工程,对PDC钻头进行数据采集,再对获取的钻头点云数据进行数据处理、三维重构,构造出与实体PDC钻头相同的三维模型. 利用软件Geomagic布尔运算得出工件缺损部位,在软件NX1899中利用等距平面族Γ与钻头修复部位相交,实现对曲面零件的路径规划. 对机器人末端焊枪修复PDC钻头轨迹进行仿真模拟,利用软件PQart模拟工作环境中工件相对于机器人的位置,实现对机器人的轨迹优化. 调整机器人末端焊枪位姿,提高修复后PDC钻头的表面性能. 验证了所述方法的可行性,为激光熔覆再制造技术修复复杂曲面提供了参考.     

提高胎体式PDC钻头保径性能的研究

为了改善胎体式复合片钻头所存在的保径结构设计方案无地层针对性、保径效果不稳定等问题,本文设计了8只以4种方式进行保径的PDC钻头,对钻头保径性能进行了现场实验,结合实验结果,对混目金刚石提高钻头保径效果的机理进行了分析.实验结果表明,采用浓度15％的20/25目粗颗粒金刚石和10％的50/60目细颗粒金刚石作保径材料的...     

PDC石油钻头钎缝强度的研究

简述了深井钻探PDC钻头的复杂受力状态,根据钻头损坏形式解析了PDC失效原因,分析了影响PDC钎缝的耦合性因素,针对苛刻的工况条件开展了提高PDC钎缝强度和延长钻头寿命的研究。采用扩大固溶体区域、弥散强化等钎焊材料性能优化技术提高了钎缝的强度和耐磨性;通过前置处理、温度场平衡和后续处理技术,调控钎焊工艺获得了原位生成强化的钎缝。比较了几种钎焊材料和钎焊工艺制造的深井PDC石油钻头的失效特点,工程应用效果证明:强化型钎料可以满足复杂工况下PDC的苛刻要求,钎焊材料和配套的钎焊工艺延缓了PDC的损坏,强化的钎缝在PDC正常磨损报废后仍然完整有效。     

X射线衍射测试PDC表面残余应力的实验研究

作者采用DIMAX2500型X射线衍射仪,通过对入射光狭缝尺寸进行调整,使X射线的照射光斑尺寸缩小为1.5×5 mm,从而实现了对PDC表面沿径向的四个不同位置的应力测量.测量采用sin2ψ法,不但测出了PDC表面不同位置的残余应力,还由此得到了PDC表面应力沿径向的分布规律,而且这一测试结果与通过有限元分析计算出的应力分布趋势基本吻合.作者还对测试值与有限元分析计算值出现偏差的原因从测试方法、有限元分析参数取值及样品表面加工方式等几方面进行了分析讨论.     

硬地层定向PDC钻头个性化设计与应用

为了扩大PDC钻头在坚硬地层钻进方面的使用范围,通过对钻头冠部轮廓形状、切削结构、切削齿工作角度、钻头水力结构、稳定特性影响因素等方面的研究和优化设计,针对长岭凹陷青山口组及拳头组地层,个性化设计了311BTS115E6型定向PDC钻头。试验表明:新型号钻头在硬地层定向段机械钻速高,平均机速达到3.2m/h,与临井相同井段钻头相比,钻速提高了200%。且该钻头滑动过程中造斜率高、工具面稳定,具有极高的推广价值。