三牙轮钻头数字化钻进仿真评价系统开发及应用

钻头数字化钻进仿真是一种将钻头-岩石互作用仿真理论与钻头性能评价及结构优化相结合的实用化技术,开发钻头钻进仿真软件的主要目的是为钻头设计及性能分析提供技术手段。在已完成的三牙轮钻头仿真模型研究基础上,重点解决了数据输入、模型数值算法实现、仿真结果可视化等问题,利用MATLAB完成了软件开发。开发的软件能够模拟钻头几何结构,分析理想状态下钻齿的运动特性,模拟钻头在直井、水平井和定向井不同工况下的钻进过程,并对钻头破岩过程中的相关物理参数进行分析评价。利用该软件对某型号三牙轮钻头进行了台架试验及布齿结构参数优化设计,仿真结果具有直观及定量化的特点,表明利用该软件对钻头进行优化设计方便、快捷且可靠性高。      

基于MATLAB的PDC钻头布齿软件设计

PDC钻头结构形式变化多样,设计灵活性大,对地层变化的敏感性强,合理的布齿设计是保证PDC钻头工作性能的关键,目前采用的图解调整法设计PDC钻头存在着效率低、欠灵活、有误差等缺点。本文在研究PDC钻头布齿设计理论和方法的基础上,开发了PDC钻头布齿设计软件。该软件用MATLAB语言编写,具备强大的数据处理和图形绘制功能,具有布齿设计速度快、精度高、可操作性强、使用方便等优点。     

Halliburton公司的能量平衡牙轮钻头

Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ公司的能量平衡系列牙轮钻头采用了动态平衡、牙轮定位和防钻头齿痕设计等 3项专利技术。通过专用软件优化设计牙轮钻头来提高钻井性能 ,减小牙轮钻头齿及齿面与岩层接触时的振动。平衡技术是用来提高聚晶金刚石复合片 (ＰＤＣ)钻头的可靠性和工作性能的 ,这项技术使 3个牙轮具有接近平衡的工况 ,即每个牙轮切削的岩层量相近 ,施加在每个牙轮上的力近似相等。钻头通过一个牙轮定位系统优化定位牙轮来提高钻井速度 ,减少钻头齿及齿面的损坏。安全的ＤＢＳ计算机钻井模拟系统可确定牙轮切削岩层的方向 ,操作者可通过牙…     

钻头密封材料研究探讨

从钻头密封的发展历史以及现在国内外钻井对钻头密封的要求来看，钻头密封材料的研究已成为现代和将来钻头密封研究的主要领域，为了开发适应现代钻井要求的钻头密封，必须在密封材料研究的基础上结合密封结构进行设计。本文对钻头密封材料研究的现状进行了探讨，并讨论了在现有密封材料研究技术的基础上开发充满前途的二种钻头密封：硬质合金密封与双重复合密封。     

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针对复杂地层的钻井工艺提出了一种有效的新方法，即反循环气体钻井技术，开发了反循环钻头新产品，该产品能有效地提高钻头破岩效率和流场排屑能力。用现代先进的CAD实体设计软件Pro/E把常规Φ311.1 mm钻头巧妙地改造为反循环钻头，在设计中最重要的参数是反循环钻头挡板(skirts)形状、结构尺寸以及反循环钻头中心孔眼流道形状和其结构尺寸参数，这些参数直接影响井底流场分布及其流体的排屑能力。在研究中把这些参数做为重点进行结构优化设计。用计算流体动力学软件PHOENICS将CAD模型转换为CFD模型，对所设计的反循环钻头进行井底流场的计算机仿真模拟研究，优化出反循环钻头结构参数和流体入口参数，最终优化结果用Pro/E参数化软件开发出了反循环钻头结构参数，并在成都总机厂试制了2只反循环钻头新产品。本研究成果对于复杂地层油气井开采具有重大的意义和应用价值，同时可在国内复杂地层钻井技术中推广应用。     

赛克瑞特DBS公司的新型密封系统及PDC切削齿

赛克瑞特(Security)DBS公司在其高性能的“能量平衡”(Energy Balanced^TM)系列牙轮钻头上应用了新型轴承密封系统，以提高钻头的稳定性。同时该公司还在其FM3000^TM系列固定切削结构钻头上采用了先进的Z3^TM PDC切削齿技术，以提高钻头的耐磨性及抗冲击性。这两种系列钻头的设计均应用了“用户界面”(Customer Interface-DatCI^TM)软件程序，采用用户的第一手资料及先进的优化工具来实现特定应用设计的性能最大化。     

空气反循环钻头设计与数值分析

空气反循环钻头是针对反循环空气钻井技术而开发的一种新型钻头。在常规三牙轮钻头的基础上,应用引射原理对反循环钻头进行结构设计。应用Fluent流体分析软件对2种反循环喷射钻头模型的周围及内部流场进行数值模拟。研究结果表明:在气体流量为50m3/min的条件下,2种不同腔体结构的反循环钻头可以清洗井底岩屑,并使岩屑顺利上返至地表;含有侧水眼的反循环钻头更有利于岩屑快速上返。为设计不同结构参数的反循环钻头提供理论依据。     

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应用工程经济理论从技术和经济角度对塔河油田PDC钻头的应用情况作出评价，认为在目前技术条件下，钻头型号技术评价的考察目标选择应建立在钻头与地层完全匹配的前提下。经济评价采用的每米成本法具有良好的可操作性。从两方面分析表明，PDC钻头的技术性能具有牙轮钻头无法比拟的优越性，并具有机械钻速高、起下钻时间少、能够降低钻井成本等优点。利用数据对比分析，作出了塔河油田PDC钻头的选型评价。认为FS系列PDC钻头为加快塔河油田的勘探开发作出了巨大贡献，但目前的PDC钻头选型设计还具有进一步优化的空间。PDC钻头的使用增大了防斜打直的难度。合理的钻具组合和参数配置能够解决防斜打直的技术难题，但PDC钻头的应用对录井的影响却不易消除，有必要发展新的录井技术与之匹配。     

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。      

钻头设计——改进性能的关键

通过对钻头的材料选择，机械设计，水力设计等项指标认真细致的对比分析，介绍了新型钻头表面强化材料的开发以及新型钻头机械和水力结构设计的特点，指出了钻头设计是改进性能关键。     

我国钻头业面临的挑战和可能的对策

对比分析了国产牙轮钻头与美国牙轮钻头在平均寿命、机械钻速等方面的差距。指出我国钻头业应从加大研究钻头用新材料的资金投入、完善钻头使用记录的机制和技术规范，全面掌握具肋国际先进水平的钻头设计技术、实施ＣＩＭＳ和并行工程先进几个方面来缩短与国外的技术水平差距；要淘汰落后设备、减少产能；成立跨公司的行业组织；科研、开发、生产、使用等单位应建立符合市场经济规律的合作机制，以便创造良性的竞争环境，促进钻头技     

国外钻头技术新进展

分析了美国Hughes Christensen公司、Reed-Hycalog公司、Smith钻头技术公司、Varel国际公司以及国外其它钻头制造商的新型钻头产品和技术。对这些钻头的结构特点、性能特点、试验及现场应用情况分别做了描述或说明,同时对新钻头产品的设计软件和设计方法做了简要介绍。建议国内钻头制造企业加大技术开发力度,不断推出拥有自主知识产权的更新换代产品。     

PDC钻头优化设计与CAD系统软件开发

主要介绍ＰＤＣ钻头优化设计与ＣＡＤ系统软件内容、原理和特点。该软件是在ＰＤＣ钻头几何学、运动学、切削力学和岩石破碎学的基础上，运用ＣＡＤ、优化设计和计算机仿真等现代设计方法，自行开发的一套设计软件。它由几何结构设计、工作性能模拟和ＣＡＤ绘制设计图三部分组成，实现ＰＤＣ钻一过程的电算化。使用表明，该软件原理新颖、速度愉、精度高、操作方便，能够大幅度提高ＰＤＣ钻头的设计效率和设计质量。     

ＰＤＣ钻头布齿设计技术

合理的布齿是保证PDC钻头具有优良工作性能的关键。目前常用的PDC钻头布齿设计方法是图解调整法，该方法速度慢，设计工作烦琐，工作量大，效率低，欠灵活，而且有时会出现不必要的误差。讨论了PDC钻头布齿设计的特点，按切削原则设计了钻头冠部形状，并选择了合理的切削结构，为PDC钻头布齿计算机辅助设计软件提供了理论支撑。     

单牙轮钻头的应用前景

单牙轮钻头的应用前景喻开安，杨世良，邓嵘（西南石油学院）现代钻井工艺对钻头的要求为加速我国油气资源的开发，特别是深部、海洋和复杂油气藏的勘探和开发，需要采用新的钻井工艺和钻井工具。除了应提高钻头性能和可靠性、延长钻头工作寿命外，新的勘探任务和钻井技术...     

成都迪普公司推出新型防泥包钢体快速钻头

成都迪普金刚石钻头有限责任公司新近推出了新型防泥包钢体快速钻头，该钻头采用迪普公司独有的超强攻击布齿设计技术、高效水力流场设计技术、精确力平衡设计计算和防泥包涂层制造技术，使其在钻进极软到中软强粘性易斜地层时，可获得高机械钻速、长进尺和高质量井眼的理想效果。该系列钻头已在我国不同地区使用并收到理想的应用效果。     

竞争和专用软件的开发促进了钻头设计的进步

世界知名钻头设计公司之间的竞争和专用软件开发促进了钻头设计的进步.Security DBS公司的Direction by Design软件可提供先进的钻头评价和工程设计来优化特殊钻井系统的定向性能;XR扩眼器利用活化/反活化系统提供了同心和同时扩径,它是唯一能把领眼或通径扩大50%的工具,井下振动最小,可靠性高;SPARTA和IBitS软件分别用于地层性能分析和优化钻头选型与设计.IDEAS是Smith国际公司的专利钻头设计和模拟软件包,能准确模拟整个钻井系统,模拟每个单独的切削齿接触地层的所有方式;DBOS On-Time是Smith公司的实时钻井优化软件,在传统软件基础上增加了新的功能.另外,本文还介绍了Hughes Christensen、Varel、 Ulterra、Tri -Max和Particle公司的新技术产品.     

牙轮钻头动力学模型的建立与仿真分析

在牙轮钻头几何学、运动学和钻头与岩石互作用静力学模型的基础上，对钻进过程进行适当简化后，建立了牙轮钻头动力学模型，主要包括钻头纵向动力学模型、钻头横向动力学模型和钻头扭转振动模型。在建立钻头动力学模型的基础上，完成了牙轮钻头动力学仿真分析软件的设计，利用该软件实现了对牙轮钻头动力学仿真分析计算，并与静力学模型的仿真计算结果进行分析对比，得出了影响钻头、钻柱动力学性能的因素除与钻头结构、牙齿结构、岩石性质和钻井参数有关外，还与钻具结构和钻具的组合形式有较大关系等结论。     

三牙轮钻头计算机辅助设计系统的研究

针对三牙轮钻头设计各阶段的特点并兼顾与CAPP／CAM集成，采取专家系统、传统CAD、基于特征的参数化设计等三种方法开发了三牙轮钻头计算机辅助设计系统。为解决三牙轮钻头的手工啮合设计效率和精度低的问题，开发了计算机辅助啮合设计程序。根据钻头牙轮的设计特点，并考虑CIMS环境的要求，提出了基于特征拼装和特征单元化相结合的参数化设计方法，用于三牙轮钻头设计非常有效。该系统作为CIMS的子项，通过技术文档管理系统实现信息集成，为CAD／CAPP／CAM的集成奠定了基础。     

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。