新型仿生PDC齿高效切削机理及试验研究

利用仿生耦合理论,根据贝壳和蝼蛄等动植物的非光滑形态结构研制了一种新型的仿生PDC齿,并利用有限元软件abaqus对单个齿磨损前后的运动过程进行分析,与普通PDC齿的应力分布状态进行对比,可以看出,在同等条件下,非光滑PDC切削齿的应力大小及分布情况要明显优于普通的PDC切削齿,具有良好的碎岩效果。此外还对这2种切削齿进行了磨耗比试验,试验结果进一步证明了仿生PDC齿具有一定的优越性。     

PDC钻头布齿的计算机辅助设计

合理的布齿是保证PDC钻头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,不符合PDC钻头布齿设计灵活的特点,而且有时会出现不必要的误差。本文在讨论PDC钻头布齿设计特点的基础上,叙述利用CAD进行PDC钻头布齿设计的原理和方法,介绍PDC钻头布齿计算机辅助设计软件的内容和编制原理。     

PDC钻头切削齿布齿设计的新思路

切削齿布齿设计是PDC钻头设计的关键。为提高PDC钻头的钻进效率,综合考虑PDC钻头切削齿的设计特点和切削先后顺序等因素,并且通过对PDC钻头单切削齿实验结果进行分析,提出了以冠部轮廓法线为基准的切削齿布齿设计方法。     

改进型PDC钻头切削齿室内破岩试验研究

表面带碳化钨保护层的新型聚晶金刚石复合片既可保持复合片的自锐特性及耐磨性,又可以避免切削齿的崩裂,掉块现象,在硬地层中,新型ＰＤＣ切削齿在钻速,切削齿强度和寿命方面与常规ＰＤＣ齿相比具有更好的工作性能。     

煤矿井巷用PDC锚杆钻头的研究

通过对ＰＤＣ锚杆钻头的一系列室内试验研究及多次改进设计,获得了钻头的优化结构参数、优化切削齿形状,合理的钻头体材质以及热处理工艺,现场试验结果表明,ＰＤＣ锚杆钻头是钻进中硬岩层的理想钻头。     

巴彦河套新区异形齿PDC钻头研究与应用

为了巴彦河套新区油气资源高效开发,（1）通过测井数据、岩心实验以及实钻数据,开展了该区地层岩性可钻性分析,表明白垩系埋深较深地层以及太古界片麻岩地层可钻性差;（2）调研了该区以及外部区块难钻地层异形齿钻头实钻情况,白垩系5000 m以深地层以及太古界地层单只钻头进尺少,机械钻速低,调研的外部区块塔里木塔河南难钻地层通过使用异形齿钻头,提速效果显著;（3）对比分析了平面齿、斧形齿、多棱齿以及锥形齿破岩机理,为后续钻头优化设计提供了理论支撑;（4）开展了异形齿PDC钻头现场实验,较常规PDC钻头单只进尺以及机械钻速均取得了显著的提升,其中有21口井实现二开“一趟钻”,总进尺30000余米。总之根据地层可钻性变化,优配平面齿、斧形齿、多棱齿以及锥形齿,提高钻头与地层的配伍性,可显著提高钻井效率。     

PDC钻头切削齿破岩载荷规律的分析

对PDC钻头冠部形状及不同的布齿密度和切削齿在不同的磨损状态下对PDC钻头切削齿受力的影响进行了分析；用相邻的3个切削齿之间的关系(不同的切削齿与切削齿之间的径向距离和切削齿之间的高度差)来分析PDC钻头冠部形状和切削齿布齿密度对切削齿受力的影响，以及将切削齿的磨损状态简化成与切削齿在钻头上装配方向垂直的平面来分析切削齿磨损状态对切削齿受力的影响。     

弹塑性致密泥岩用新型尖齿PDC钻头的研制与应用

分析了常规复合片钻头钻遇弹塑性致密泥岩钻进效率低的主要原因,并在此基础上研制了适用于该种地层的新型尖齿PDC钻头。通过对PDC切削齿几何结构的改进、切削结构和水力结构的优化设计而研制的新型钻头,在现场试验中取得了良好的钻进效果。平均寿命高达300 m,平均钻进时效3～4 m,解决了弹塑性致密泥岩钻进效率低的难题,为类似地层的钻探施工提供了一种高效实用的新产品。     

高温硬地层钻进中PDC钻头切削齿磨损研究

随着新时代对绿色环保资源的需求日渐旺盛,地热资源即将进入大规模开发阶段。为经济、高效获取地热资源,目前主要应用的是PDC钻头。但是,部分钻取地热井存在遭遇高温硬地层的情况,常规PDC钻头存在耐高温性能差、硬度略低、耐磨性不足等问题。本文总结了深部高温硬地层钻进时PDC切削齿受到磨粒磨损,冲击磨损,热损伤等3种磨损机理,介绍了4种提高PDC切削齿耐高温性,硬度及耐磨性的方法：涂层技术、改善钻进参数,复合钻头和钎焊切削齿。根据目前研究情况,建议单个PDC切削齿实验可以从实现独立分析与切削齿关联性相结合方面展开,通过动态建模和工作状态实时模拟优化设计方案。     

仿生冲击挤密钻头的研究

为了提高冲击挤密钻头的进尺速度和降低冲击损耗,基于仿生非光滑理论设计了仿生冲击挤密钻头,通过数值模拟分析揭示其破土受力特性,制备出仿生冲击挤密钻头并进行试验。以自然界生物蜣螂为仿生原型,在冲击挤密钻头表面有规律地布置凸包非光滑形态,并进行相关实验,结果表明：与同尺寸的常规冲击挤密钻头相比,仿生冲击挤密钻头的单次冲击进尺提高约45%,单位进尺所需冲击能量下降46.8%,可大幅缩短冲击挤密钻孔的钻孔周期、节约钻孔成本,社会和经济效益显著。     

仿生高效切削齿试验研究

在仿生高效耐磨理论的指导下,以鼹鼠爪趾为仿生原型,引入了其经长期进化而具有的高效、耐磨的特性。选用CVD多晶金刚石为切削齿的切削单元,采用真空热压烧结工艺制备仿生高效切削齿,并将其与常规PDC齿、仿生PDC齿的耐磨性和切削效率进行对比试验,结果显示：仿生高效切削齿的耐磨性较常规PDC齿提高23%;切削效率较常规PDC齿提高1.49倍,较仿生PDC齿提高48%。初步证明了仿生高效切削齿工艺的可行性,为下一步高效切削钻头的研究奠定了坚实的基础。     

金刚石钻头可再生水口的试验

从仿生学的角度,依据脱皮动物的脱皮特性,设计一种可再生水口,用于增加金刚石钻头工作层的高度,进而延长钻头寿命。在可再生水口的加工方法上,首先利用冷压法把含有金刚石的胎体粉料冷压成型,然后组装在模具中,在特定的温度和压力下进行热压烧结,成功获得了具有可再生水口的小口径金刚石钻头;并在此基础上加工了Φ59  mm钻头,模拟野外条件进行室内试验。结果表明：选用特定的水口材料,可以成功实现水口的可再生,为长寿命金刚石取心钻头的研制提供了一种新的思路。     

卵砾石地层金刚石钻头的试验研究

卵砾石地层钻进是钻探的难题之一,不仅钻进速度低,钻头的使用寿命短,而且钻探成本高。针对卵砾石地层钻进,开展了新型结构钻头的试验研究,研制成一种金刚石-聚晶体复合型钻头,现场试验表明,钻头的钻进速度能够≮1.8 m/h,使用寿命能够达到50 m,钻探成本较低。     

模拟深井条件下的PDC钻头破岩试验研究

利用深井破岩试验装置模拟不同井深压力条件下对泥岩进行了ＰＤＣ钻头破岩试验，试验结果表明，随着井深的增加，岩石强度增加，破碎岩石的切削力增加，同时，ＰＤＣ钻头齿形和结构对破岩效率影响较大，因此必须按深井条件和岩石特点进行ＰＤＣ钻头齿形和结构设计，以达到提高机械钻速的目的。     

PDC钻头井底流场实验装置设计

根据ＰＤＣ钻头的结构特点、破岩原理及现场使用情况，阐明了进行ＰＤＣ钻头井底流场试验研究的必要性和迫切性。结合国外的有关资料，设计出能够进行ＰＤＣ钻头单喷嘴射流特性、井底漫流特性及全尺寸钻头井底液流流动规律试验研究的实验装置。该装置实现了井底流场特性的三维空间测量。     

PDC钻头焊前焊后处理工艺的试验研究

PDC钻头焊前脱水方式、焊后炉中冷却初温与冷却时间等工艺参数的合理选择是提高PDC钻头焊接强度的基础。通过室内正交实验， 研究了上述工艺参数与PDC焊接面抗剪切强度的关系，确定了各工艺参数的优化值。     

钢体PDC钻头修复技术之研究

介绍了一种钢体PDC钻头修复技术。首先对已使用过的钢体PDC钻头的可修复性进行确认，将符合修复条件的钻头进行预处理后，以8~10 ℃/min的速度对钻头体加热，加热到620 ℃左右时，焊接切削齿的焊料开始熔化，把符合条件的复合片切削齿取下，放入600 ℃的焊剂中保温待用，最后利用堆焊技术对钻头体进行修复。现场试验证明，修复后的钻头质量与新加工钻头质量无明显差别。以修复一只12 (1/4) in钢体PDC钻头为例，至少可节约成本4.14万元人民币，经济效益明显。