合理的钻头水力结构能避免泥包现象发生,提升钻井效率。为完善仿生PDC钻头的水力结构,基于κ-ε湍流模型和离散相模型对4种不同水力结构方案进行数值计算,确定了最佳方案为喷嘴和辅助喷嘴结合。为确定该方案下最佳结构参数,使用响应面法建立了以喷嘴直径x1,辅助喷嘴直径x2、喷嘴距钻头中心径向距离x3为设计变量,采样点最大速度D和采样点平均速度E为目标函数的数学模型,基于回归分析对钻头水力结构进行优化设计,求出最佳参数为喷嘴直径16.36 mm,辅助喷嘴直径8 mm,喷嘴距钻头中心径向距离63.85 mm,并对该参数下的水力结构性能进行了数值计算。结果表明优化后的钻头水力结构不仅减少了流体井底速度波动次数,且明显提升了整体速度,解决了原有的涡流现象,增强了钻井液携岩性能,减小了粒子浓度。

在钻井过程中,鉴于PDC钻头切削齿的布局对PDC钻头的稳定性和钻井效率起着关键作用,国外研发设计了一种新型切削齿布局方法。即以切削齿的力平衡组来布齿,该力平衡组包含3个或4个连续切削齿,这些切削齿均匀且按一定角度分布在钻头周围主刀翼和副刀翼上,通过调整连续齿之间的角度和径向半径使切削齿组达到力平衡。实验结果表明,该技术能有效提高钻井效率,并使钻井过程中不平衡力达到平衡或降到最低限度。

通过调研国内外文献,介绍了当前扭力冲击器技术发展应用现状,阐述了扭力冲击器+PDC钻头在破碎硬度大、研磨性高的岩层时存在的问题,给出了该技术的发展建议。通过分析和研究国内外扭力冲击技术优缺点,为提高我国在超深井复杂地质构造领域油气勘探开发速度提出合理化建议。针对不同原理的扭力冲击器在现场应用过程中发现的问题和存在的缺陷,通过分析工具的内部结构、运动机理,结合泥浆体系、岩石特性等井下环境,确定影响工具性能优劣的主要原因。涡轮型扭力冲击器存在效率低、易损坏的特点;旋转冲击式装置实用性较差;以Tork Buster为代表的流道交替型扭力冲击器工作性能最为突出,但对钻遇地层、泥浆体系、钻头匹配性有一定要求。纯径向扭击及内部复杂结构限制了流道交替型扭冲性能提高,后续研究可沿增添工具轴向振荡方向和简化工...

传统固定式PDC钻头在一次性钻穿不同岩性地层时,会出现扭转振动、跳钻、黏滑等问题,导致钻头磨损严重,甚至崩齿,影响钻头使用寿命,降低钻井速度。为此,研制一种在钻井过程中可自主调节切削深度的PDC钻头,从其结构特点、工作原理、技术参数选取等方面进行了详细阐述,并通过CAD三维仿真软件对自适应PDC钻头进行力学性能分析,评价其结构合理性和方案可行性。分析结果表明PDC钻头刀翼采用独立悬挂模式,利用活塞原理使钻头刀翼根据地层变化进行轴向运动来避免钻头振动、黏滑的结构是合理可靠的,满足现场应用条件。自适应PDC钻头研制推动了钻井智能化发展,为解决钻头使用寿命短、钻井效率低问题提供了新的思路和方法。

处于吉木萨尔凹陷南部阜康断裂带上的吉南区块属于油气勘探新区,该区块前期已钻井均存在钻速低、周期长等问题,严重制约了区块勘探进程。为此,针对区块内尤其难钻的二叠系梧桐沟组、红雁池组地层开展了个性化的小尺寸切削齿PDC钻头设计与应用,并经萨4等井的现场应用验证了该新型钻头的有效性,不仅起下钻顺畅无遇阻,而且实现了难钻地层的一趟钻钻穿,机械提速达174%,经济效益极佳。

目前复杂的PDC钻头仍采用人工火焰钎焊的方式,焊接质量不够稳定。针对这一问题,结合PDC钻头的钎焊工艺,设计一款基于双环PID结构的温度控制系统。该系统以PID控制算法和分级控制思想为核心,基于嵌入式实时操作系统RT-Thread实现了多任务软件设计,实现了钎焊温度的实时测量、精确控制和显示。试验结果表明:此系统能很好地满足PDC钻头的钎焊温度要求。

研究PDC钻头井底流场分布规律是提高岩屑运移效率、冷却钻头和抑制泥包产生的有效方法。利用Fluent软件,基于κ-ε双方程模型和封闭N-S湍流方程,使用Simplec算法,分析钻头转速、钻井液喷出速度和总流过面积相同时喷嘴数量对井底流场分布的影响。结果表明:当钻头转速从90 r/min增加至110 r/min时,转速增加对井底湍动能及速度的提升效果较为显著;但当转速达到120 r/min时,井底湍动能及速度略有降低,提高钻头转速有利于由外向内清洗钻头表面;当钻井液喷出速度

利用PDC钻头几何学的基本原理对PDC钻头切削齿空间位置的测量方法进行了推导,得出了关于切削齿的齿心坐标、后倾角、侧倾角等空间位置参数的计算公式,并且给出了将测量数据转化为设计数据,以及根据测量数据进行PDC钻头三维CAD建模的方法。

通过ANSYS/Ls-dyna对直径为8mm的PDC切削齿进行了仿真分析,通过观察PDC切削齿受到的最大轴向力与切向力,找到最佳侧转角和后倾角度数,对于PDC切削齿的布齿有一定的指导意义。

介绍了钢体PDC钻头的加工工艺,以某型号钻头为例,基于UG CAM软件完成了数控编程与加工仿真。依据积累的加工工时数据,应用SPSS软件,基于钢体钻头几何特征参数,建立了数控铣削工时估算模型。