潜孔钻头结构参数与井底流场关系研究

在勘探钻井过程中，QF-Ⅱ型潜孔钻头井底流场分布不合理，存在排屑能力差，对井壁冲蚀破坏严重等缺点，制约了该潜孔钻头在现场的应用。为此，以QF-Ⅱ型潜孔钻头为原型，充分考虑了钻头排屑槽和切削齿对井底流场的影响，建立了与实际相接近的潜孔钻头井底流场物理模型。在计算流体力学软件Fluent中将CAD模型转换为相应的CFD井底流场模型，运用k-ε两方程模型，对钻头喷嘴不同位置、不同直径、不同倾角时的井底流场进行了数值模拟研究。这些结构参数直接影响井底流场分布及流体的排屑能力，在研究中把这些参数作为钻头结构优化设计的重点，找到了钻头喷嘴不同结构参数条件下对井底流场的影响机理，为合理进行潜孔钻头的结构设计及水力设计提供了依据和校验方法。     

潜孔钻头排屑槽布置方式对井底流ε场影响的研究

在勘探钻井过程中，现场应用的潜孔钻头存在排屑能力差、井壁冲蚀破坏严重的问题，这与钻头井底流场分布有着密切关系，而钻头排屑槽的布置方式又对井底流场的分布及流体的排屑能力起着重要作用。本文充分考虑了钻头排屑槽的布置方式对井底流场的影响，建立了与实际相接近的潜孔钻头井底流场物理模型，在计算流体力学软件Fluent中将CAD模型转换为相应的CFD井底流场模型，运用k-ε两方程模型，对钻头排屑槽布置方式对井底流场的影响进行了数值模拟研究，找到了钻头排屑槽布置方式对井底流场的影响机理，为设计排屑能力强、对井壁冲蚀破坏小的新型潜孔钻头提供了理论依据。     

潜孔钻头井底流场数值模拟研究

以QF—Ⅱ型潜孔钻头为原型,充分考虑排屑槽和切削齿对井底流场的影响,建立了与实际相接近的潜孔钻头井底流场模型,采用计算流体力学软件Fluent对钻头井底流场进行了数值模拟研究。分析认为,该潜孔钻头导致井底流场分布不合理的原因在于喷嘴安放位置太靠近钻头边缘。随后对喷嘴位置向钻头中心靠拢后的改型钻头进行了井底流场分析,认为喷嘴位置向钻头中心靠拢,有助于提高井底流场的清岩能力,减小井底流场对井壁的冲蚀破坏程度,为合理进行潜孔钻头的结构设计提供了理论依据。     

潜孔钻头排屑槽布置方式对井底流场影响的研究

在勘探钻井过程中,现场应用的潜孔钻头存在排屑能力差、井壁冲蚀破坏严重的问题,这与钻头井底沈场分布有着密切关系,而钻头排屑槽的布置方式又对井底流场的分布及流体的排屑能力起着重要作用.本文充分考虑了钻头排屑槽的布置方式对井底流场的影响,建立了与实际相接近的潜孔钻头井底流场物理模型,在计算流体力学软件Fluent中将CAD模型转换为相应的CFD井底流场模型,运用k-ε两方程模型,对钻头排屑槽布置方式对井底流场的影响进行了数值模拟研究,找到了钻头排屑槽布置方式对井底流场的影响机理,为设计排屑能力强、对井壁冲蚀破坏小的新型潜孔钻头提供了理论依据.     

PDC钻头刀翼优化设计研究

Φ76三翼PDC钻头在钻井试验中,钻进速率有了明显的提高,但也有堵塞喷嘴、排屑不畅等情况发生,影响了钻井效率的提高。基于PDC钻头理论和计算流体力学原理,对钻头刀翼形状进行优化,设计出新钻头,并运用Fluent软件进行井底流场模拟分析,得到刀翼形状对井底清洗的影响规律。提升了钻头的井底清洗返屑能力,提高了Φ76三翼PDC钻头的性能。     

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钻头静态及旋转流场数值模拟比较研究

为区别PDC钻头在静止时和不同转速时井底流场的异同,文章运用计算流体动力学方法对PDC钻头分别进行了三维井底静态和旋转流场的数值模拟。分析了静态和旋转流场中井底流速及刀翼表面流速的变化情况,并计算了井底各区域的流体湍动能和流速以及刀翼切屑齿表面的平均流速。分析和计算结果表明,井底流场的数值模拟结果随着转速的变化,对井底和切屑齿的流场分布和变化有一定影响,并且对内锥、冠部、肩部及保径部位的影响趋势各不相同,有必要在PDC钻头水力结构的优化设计中采用旋转流场模拟方法进行研究。     

苏北盆地戴南组和阜宁组地层取心关键技术

针对苏北盆地戴南组和阜宁组泥岩地层取心钻进中存在的回次取心进尺少、岩心收获率低和取心机械钻速低等技术难点,在分析戴南组和阜宁组泥岩地层特点的基础上,研制了相应的PDC取心钻头,并优选了取心筒、优化了取心水力参数,形成了适用于苏北盆地泥岩地层的取心关键技术。PDC取心钻头以“G系列”齿为主切削齿,同时配合大喷嘴加内规径流道和优化的排屑槽斜面,既能降低岩屑与切削齿表面的摩擦力、改善岩屑运移状态和提高机械钻速,又具有效清洗切削齿、使岩心顺利进入内筒和提高岩心收获率的作用。该取心关键技术在48口井的戴南组和阜宁组地层进行了现场应用,岩心收获率平均大于98.0%,最高机械钻速达到24.80 m/h。苏北盆地泥岩地层取心关键技术解决了戴南组和阜宁组地层取心技术难点,具有较好的推广应用前景。      

定向钻井PDC钻头切削参数计算方法

定向钻井PDC钻头的优化设计和导向性能分析需要准确计算PDC切削齿的切削面积、切削体积和切削弧弧长等切削参数。针对弯外壳螺杆马达或推靠式旋转导向系统,运用空间解析几何理论和数值计算方法,分析了PDC钻头在井底的运动状态,建立了切削齿的运动轨迹方程和切痕曲线方程。综合考虑了钻头偏转角、钻头的复杂运动、钻头结构参数及切削齿切削的先后次序等因素的影响,建立了切削齿的切削面积、切削体积和切削弧弧长等切削参数的数值计算方法,为PDC钻头的计算机优化设计和定向钻井PDC钻头的导向性能分析提供了一种分析手段。实例计算表明,模型和方法具有实用性,可进一步推广应用。     

新型PDC钻头切削齿的发展

PDC钻头切削刃与钨-钴合金基体的磨损情况和较大接触应力、冲击载荷及较高的摩擦面温度引起的加速磨损，是导致PDC钻头钻遇硬的研磨性地层时磨损失效的主要原因。国外已研制出双刃齿、预倒角边缘加强齿、复合结构齿、覆盖硬质合金保护层切削齿及楔形齿等，使PDC钻头的工作性能和适应的地层范围都有了较大的进步。国内应加强破岩和磨损机理、材料及制造工艺、处理技术和切副齿的形状、结构设计等方面的研究，开发自锐性好、比较坚韧的、更耐冲击的、耐磨性更高的、受温度影响小的切削齿，进一步拓宽PDC钻头适用的地层范围。     

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。     

钻头评价新方法研究及其应用

在分析大量钻头使用资料的基础上,建立钻头效益指数模型。利用此模型对渤海油田馆陶组和东营组地层所使用的钻头进行评价,选出适合该地区的最优类型钻头。     

钻头评价新方法研究及其应用

在分析大量钻头使用资料的基础上,建立钻头效益指数模型。利用此模型对渤海油田馆陶组和东营组地层所使用的钻头进行评价,选出适合该地区的最优类型钻头。     

大庆长垣东部地区中深井钻头系列的评选

以现场试验资料为依据，分析了短翼下喷嘴刮刀钻头、ＰＤＣ钻头以及中长和加长喷嘴牙轮钻头的使用效果，并引用优先数法评选出大庆长垣东部地区中深井的最优钻头系列，为提高中深井钻井速度提供了可靠依据。     

PDC钻头钻进时扭矩影响因素研究

分析了钻压、每转进尺、切削齿磨损和岩性对ＰＤＣ钻头扭矩的影响，并用力平衡和能量守恒原理推导了ＰＤＣ钻头扭矩与这些因素的关系式。通过钻头台架试验证明ＰＤＣ钻头扭矩模式计算与试验结果相符，可用于指导井下动力钻具选用和设计。     

新型刮刀钻头的设计及现场试验研究

在理论分析的基础上，综合PDC钻头和刮刀钻头的优点，设计了一种新型的刮刀钻头，并进行了现场试验。现场试验结果表明，该钻头运转平稳，采用低钻压、高转速，钻进速度快，井眼规则通畅，有较明显的防斜作用，该种钻头的推广应用对提高钻井工程的整体效益具有十分重要的意义。     

三牙轮钻头滑动轴承浮动衬套的抗胶合试验

带浮动衬套的滑动轴承已成功应用于三牙轮钻头，因高压喷射钻井工艺的需要，钻头轴承工作条件较为恶劣，导致浮动村套产生胶合卡死牙轮。为此，对用不同材料在不同热处理状态下的浮动村套进行了抗胶合试验。结果表明，Ｈ１３钢的中温气体硫氮共渗是制造钻头轴承浮动村套较为理想的材料和处理工艺，用它代替铍青铜合金固溶时效制造浮动村套是可行的，其磨损量为铍青铜合金村套的１／３，使用中能有效地防止浮动村套胶合卡死牙轮，可延长钻头使用寿命。     

牙轮轮背保径面的设计及计算机辅助计算

从分析三牙轮钻头的磨损和抗磨损机理入手，提出了牙轮轮背全形保径面的概念。给出了采用计算机辅助计算方法得到的牙轮轮背理论曲线方程、形状坐标值、图形和两种背齿的设计方案。探讨了牙轮轮背设计与钻头基本参数、整体结构和性能的关系，以及采用轮背全形保径后热量及受力对钻头轴承的影响。     

牙轮钻头滑动轴承混合润滑时的载荷计算

牙轮钻头滑动轴承实际工作时摩擦副之间处于混合润滑状态，此时金属微凸体和油膜一起承担载荷。文中给出了计算混合润滑时油膜和微凸体承载比例的计算方法，并以８１／２ＸＨＰ滑动轴承牙轮钻头为例，分析了钻头运转参数和最小油膜厚度对轴承摩擦副间载荷分配的影响，结果表明：钻头的运转参数直接影响轴承摩擦副间的润滑状况，在一定范围内，提高转速能够改善润滑状况。混合润滑时最小油膜厚度有一个下限门槛值，若低于此门槛值，则这种载荷分配计算方法不再适用。