PDC复合层厚度对金刚石钻头性能影响的现场试验分析

在PDC钻头切削齿磨损机理研究基础上，进行了现场试验。结果表明，PDC切削齿复合层厚度对金刚石钻头的寿命及机械钻速有较大影响，因而切削齿复合层厚度的选择在金刚石钻头优化设计中是非常重要的。     

基于ANSYS的PDC钻头钎焊裂纹应力场和应力强度因子分析

金刚石复合片(PDC)钻头钎焊裂纹尖端两侧临近界面处应力高度集中,是导致其断裂失效的主要原因。基于ANSYS对PDC钻头钎焊裂纹进行数值模拟,针对焊缝裂纹形状、厚度、位置的不同,能对裂纹尖端应力场等值线图及应力强度因子进行数值计算。借助这一计算PDC焊缝裂纹应力强度因子的新方法,阐述了PDC断裂失效机理,用以指导钻头焊接工艺,稳定和提高PDC钻头焊接质量。      

哈萨克斯坦KKM油田钻具强稳降振提速技术研究

KKM油田下部砂泥岩互层非均质性强导致井下钻具振动剧烈、PDC切削齿寿命低,且井眼易偏斜。目前在用PDC钻头多采用5刀翼或6刀翼16 mm切削齿以降低井下振动保证PDC钻头寿命,但降低了钻头攻击性导致机械钻速较低。针对KKM油田下部地层特点,优选了4刀翼19 mm复合片PDC钻头。该钻头具有较高的破岩效率和攻击性,可大幅度提高机械钻速;同时通过底部钻具组合动力学分析,优化形成了双稳定器+单稳单弯（0.5°）钻具组合,3个稳定器串联具有较强的稳定降振作用,配合小弯角螺杆钻进可有效提高防斜能力,降低了井下振动,配合大尺寸聚晶金刚石复合片PDC钻头实现了三开井段一趟钻完成的目标,机械钻速提高115.35%。     

基于不同母材的PDC钎焊强度的影响因素分析

随着聚晶金刚石复合片（PDC）钻头在复杂地层的应用范围不断扩大,对PDC复合片与钻头体材料的焊接强度要求越来越高,为了探究PDC复合片和不同钻头体材料的钎焊工艺,选用2种基体材料（胎体式和钢体式PDC钻头试样,以下简称胎体试样和碳钢试样）、2种钎料,采用火焰钎焊和高频感应钎焊,研究了钎焊温度、钎料、钎焊方式对PDC复合片和不同基体材料焊接性能的影响,得出了剪切强度随温度的变化曲线。同时,采用光学显微镜对PDC的焊缝断面进行了观测。结果表明,PDC复合片与胎体试样钎焊时,为硬质合金间的钎焊,钎料与母材润湿效果好,剪切强度值较高;PDC复合片与碳钢试样钎焊时,为硬质合金和异种材料间的钎焊,为了提高剪切强度,可适当提高钎焊温度或采用Ni含量高的钎料。      

聚晶金刚石复合片残余热应力的影响因素

残余热应力是影响聚晶金刚石复合片(PDC)性能好坏的最重要因素之一。考虑聚晶金刚石层(PCD)与硬质合金层厚度比以及PDC压制过程中烧结温度的波动对聚晶金刚石复合片残余热应力的影响,在ANSYS中建立PDC模型,运用热-结耦合法分析PDC的残余热应力。计算表明,随着PCD层与硬质合金层厚度比由0.067增加到0.333,PCD层表面中心的压应力由1.61 GPa降低到380 MPa,PCD层最大径向压应力由1.61 GPa降低1.03 GPa左右,而PCD层边缘靠近界面附近最大轴向拉应力逐渐增大;随着PDC压制过程中烧结温度由1000℃升高到1500℃,PCD层的最大径向压应力、最大轴向拉应力以及最大剪应力等均逐渐增大。认为,在研究PDC合成新工艺过程中,应在保证PDC使用寿命的前提下尽量降低PCD层与硬质合金层厚度比;必须尽量切断原材料以及人为操作对温度的影响。      

温度对不同外形PDC切削齿性能的影响

为了探究不同温度下PDC切削齿性能,以适应不同的钎焊温度,并合理选用外形来提高效率,从影响金刚石复合片（PDC）质量的主要参数:耐磨性、磨削时间、平稳性、抗冲击韧性等出发,对不同厂家、不同外形的PDC在受热前后的性能进行试验,同时比较了平面片、微弧片和弧面片性能上的差异。结果表明:随着温度的升高,磨耗比呈现出降低的趋势;加热到750℃后,PDC磨耗比降低约30%~50%,磨削时间增加,进尺变慢;当温度达到800℃时,磨耗比小于10万,冲击功小于100 J;PDC切削齿对温度的敏感度不同,可根据不同温度下的性能对其分级,以满足不同的钎焊温度的焊接;对于不同外形的PDC,平面片磨削时间短,磨削效率高,而微弧片和弧面片磨耗比略低,磨削时间长,但冲击韧性大大提高。因此,在制造PDC钻头的过程中合理选择PDC形状,并将不同性能的PDC用于钻头的不同部位,能够有效提高PDC钻头的寿命。      

提高PDC钻头焊接强度工艺研究

随着PDC钻头的应用范围不断扩大,所钻进岩层更加复杂,在复杂地层及硬岩钻进中时有PDC片脱落现象,造成钻头寿命迅速降低,从而制约了推广应用.通过分析发现,影响PDC钻头掉片的主要原因是焊接强度不稳定.针对这种情况,通过工艺研究,在焊前处理中采用了特殊处理方法,使得焊接强度提高了70%以上.     

复合片切削刃的工作机理

硬质合金-金刚石复合片在弹-塑性岩石(大理岩、石灰岩、砂岩)中的工作机理与孕镶金刚石钻头的工作机理有着本质性的区别。根据硬质合金-金刚石复合片在切削过程中的受力作用,研究了复合片切削刃的工作机理,并将理论计算与实验数据进行了对比。结果表明,在一定范围内,机械速度随着复合片切入岩石深度的增大而增大,而切入岩石的深度主要取决于复合片受到的轴向载荷及切削角等参数,且随着转速或轴向载荷增加,动荷系数B应取较小的值。分析结果有助于设计金刚石切削具和钻进参数。      

孕镶金刚石-针状合金复合式取心钻头的应用研究

采用普通硬质合金钻头、PDC钻头或普通孕镶金刚石钻头钻进卵砾石层,钻头磨损特别快,使用寿命短,时效低,钻探成本高。本文介绍的孕镶金刚石-针状合金复合式取心钻头综合了普通孕镶金刚石钻头与自磨式硬质合金钻头的特点,胎体具有较高的耐磨性和抗冲击韧性。钻头胎体中孕镶的针状合金除了增韧外,还起硬支点的作用。该钻头与普通硬质合金钻头、PDC钻头、普通孕镶金刚石钻头相比,具有较好的钻进性能,使用寿命长,在卵砾石层钻进能保持较高的机械钻速和回次进尺长度。     

高效耐冲击复合片取心钻头的研制与应用

针对油气及非常规油气、科学钻探中,砂质泥岩和砂泥岩互层钻进效率低、钻头寿命短的难题,通过齿形金刚石复合片与圆形复合片的交错布置,研制的新型高效耐冲击复合片取心钻头在新疆吉木萨尔油田36-4井页岩油芦草沟组进行了试验研究。结果表明：研制的新型高效耐冲击复合片取心钻头机械钻速较其他钻头提高了2.4~3.1倍,取得了良好的社会经济效益。     

梯度结构聚晶金刚石复合片组分优化设计

利用有限元方法对梯度结构聚晶金刚石复合片在制造过程中产生的残余热应力进行了计算,并分析了梯度组成分布指数及梯度层层数对热应力的影响。优化结果表明,分布指数最佳值为1.2,功能梯度层数为6层;与普通双层结构聚晶金刚石复合片相比,轴向拉应力由986 MPa降到了323 MPa,剪应力由722 MPa降到454 MPa;此外还改善了界面处的应力分布,大大提高了界面的结合强度。      

PDC钻头在中硬岩钻进中的应用

PDC钻头是在高温、高压下由人造金刚石与硬质合金一次合成的超硬材料制成的一种新型钻头,具有强度高,耐磨,抗冲击性强、出刃大等特点。以某勘探区为例,介绍该钻头的应用情况,并与普通硬质合金钻头进行了时效和成本的对比,从对比结果来看,使用PDC钻头钻进效率比合金钻头钻进效率提高57%-69%,钻头成本比合金钻头降低61%-67%,同时还对PDC钻头如何钻进破碎带进行了探讨,并对该钻头在使用中的注意事项进行了说明。     

PDC钻头的新发展及应用

聚晶金刚石复合片钻头的发展及应用，大大提高了钻井的机械钻速，减少了钻井时间，降低了钻井成本，本文主要介绍ＰＤＣ钻头的发展与应用概况，几种新型的ＰＤＣ钻头与应用，以及ＰＤＣ钻头的偏转与解决办法。     

难钻进地层金刚石钻头的现状和发展趋势

近年来,针对坚硬致密地层、坚硬强研磨性地层以及坚硬致密泥岩地层这3类地质勘探的难钻进地层,开展了金刚石钻头相关的研究与攻关,取得了重大进步。针对坚硬致密地层,通过在胎体中添加稀土和自锐材料、低压钻头结构设计,在可钻性小于11级的坚硬致密“打滑”地层中,钻进速度可达1.5～2.0 m/h,钻头寿命达30～300 m;针对坚硬研磨性地层,通过超高金刚石工作层和优化的水力结构设计,超细预合金化粉末以及超耐磨胎体性能,使机械钻速同比提高20%～70%,钻头寿命同比提高1.4～10倍;针对坚硬致密泥岩地层,对尖齿复合片和巴拉斯钻头进行了深入的研究,钻进效率提高了50%左右。在油气田深井硬岩钻探领域,NR826系列金刚石孕镶钻头配合螺杆钻具同比牙轮钻头,机械钻速提高18%～85%,钻头寿命提高5～8倍。此外,我国在海洋深水钻探复合片钻头方面的研究也取得了长足的进步。     

室内岩石破岩机制试验及应用研究

聚晶金刚石复合片切削齿钻头的合理选取与使用,关系到它技术优势的发挥。在简要介绍国内研发的聚晶金刚石复合片切削齿钻头岩石可钻性测定方法与分级标准的基础上,详细叙述了室内试验的情况、数据处理分析过程及其获取的定性定量结论;从利于实际应用出发,提出了基于有效吃入岩石、岩石种类与切削齿相融、钻进技术参数互补三原则的聚晶金刚石复合片切削齿钻头的选取和使用原则与基本方法。     

福建悠远矿区破碎地层绳索取心技术分析

以悠远矿区ZK303孔为研究对象,运用回归分析法对该孔的钻探进尺和井身质量数据进行了分析,认为该孔的极限完孔日期应在59d内,全井段的最大弯曲出现在780m;1 200m以上拟采用孕镶金刚石梯齿性钻头,以下采用PDC锯齿型钻头。依据扩散双电层理论,采用提高泥浆中Na+浓度来抑制水敏地层的水化分散,并结合适当次数的冲孔再钻进,这样既保证了井壁的稳定,又可大大提高钻速,从而获得良好的钻探效果和经济效益。此结果可为矿区其它钻孔的施工提供参考。