PDC钻头布齿技术研究综述_马亚超.pdf
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1、第 30 卷第 1 期2023 年 2 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.1Feb.2023PDC钻头布齿技术研究综述马亚超1,陶垒1,荣准2(1.西南石油大学 机电工程学院,四川 成都 610500;2.中国石油西南油气田分公司 川东北气矿,四川 达州 635000)摘 要:PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头是当今油气钻井领域的主要破岩工具,具有耐磨性高、机械钻速高和破岩效率高等优点。PDC切削齿作为切削单元,决定了PDC钻头的破岩性能。PDC钻头布齿的目
2、的是确定每颗PDC切削齿在钻头上的空间位置,使得钻头在钻井破岩时具有优良的性能和可靠的寿命。基于不同布齿技术设计的PDC钻头在钻井过程中表现出不同的破岩性能。因此,PDC钻头布齿技术得到了国内外学者的广泛关注。现已有大量学者针对PDC钻头自诞生以来的布齿技术做了相应研究,但目前仍缺乏系统性的总结。为此,以近年来国内外关于PDC钻头布齿技术的文献为基础,总结了PDC钻头自诞生以来的布齿技术的发展历程,主要包括早期布齿阶段、经典布齿阶段和现代布齿阶段。通过对PDC钻头布齿技术发展历程的分析与总结,指出复合PDC钻头、兼容智能化PDC钻头、长寿命PDC钻头、力平衡PDC钻头、冲击与振动下PDC钻头以
3、及特殊地层下PDC钻头的布齿技术是未来的发展趋势。研究结果可为后续的PDC钻头布齿技术研究提供一定的参考,有望推动PDC钻头布齿技术的进一步发展。关键词:PDC钻头;PDC切削齿;布齿技术;发展趋势中图分类号:TE 921 文献标志码:A 文章编号:1006-754X(2023)01-0001-12Review of PDC bit cutter arrangement technologyMA Ya-chao1,TAO Lei1,RONG Zhun2(1.School of Mechatronic Engineering,Southwest Petroleum University,Chen
4、gdu 610500,China;2.Northwest Sichuan Gas Mine,PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company,Dazhou 635000,China)Abstract:PDC(polycrystalline diamond compact)bit is the main rock-breaking tool in oil and gas drilling field,which has the advantages of high abrasion,high rate of penetration and high r
5、ock-breaking efficiency.As a cutting unit,PDC cutter determines the rock-breaking performance of PDC bit.The purpose of PDC bit cutter arrangement is to determine the spatial position of each PDC cutter on the bit,so that the bit has excellent performance and reliable life when drilling and breaking
6、 rock.PDC bits designed based on different cutter arrangement technologies show different rock-breaking performance during drilling.Therefore,the PDC bit cutter arrangement technology has been widely concerned by scholars at home and abroad.At present,a large number of scholars have made correspondi
7、ng research on the cutter arrangement technology of PDC bit since its birth,but there is still a lack of systematic summary.For this reason,based on the literature about PDC bit cutter arrangement technology at home and abroad in recent years,the development process of PDC bit cutter arrangement tec
8、hnology since its birth was summarized,mainly including the early cutter arrangement stage,the classical cutter arrangement stage and the modern cutter arrangement stage.Through analyzing and summarizing the doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.006收稿日期:2022-05-11 修订日期:2022-07-08本刊网址在线期刊:http:/ 30 卷
9、development process of PDC bit cutter arrangement technology,it was pointed out that the cutter arrangement technology of PDC bit in composite PDC bit,compatible intelligent PDC bit,long-life PDC bit,force-balanced PDC bit,PDC bit under impact and vibration and PDC bit in special formation represent
10、ed the future development trend.The research results can provide some reference for the subsequent research of PDC bit cutter arrangement technology,and are expected to promote the further development of PDC bit cutter arrangement technology.Key words:PDC bit;PDC cutter;cutter arrangement technology
11、;development trendPDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头主要由PDC切削齿、喷嘴、胎体及钻头本体组成。近年来,随着材料技术以及加工工艺技术的提高,PDC的耐磨性与抗冲击性进一步加强,生产的PDC钻头机械钻速高且寿命长,应用范围十分广泛。与2030年前相比,现有PDC钻头的机械钻速很容易就能达到老式钻头机械钻速的510倍。如今,PDC钻头已成为油气钻井领域的主要破岩利器。据估计,PDC钻头进尺占全球油气钻井总进尺的90%以上。目前,PDC钻头的市场占有率达75%80%,且仍在增长。在北美,几乎所有的陆上石油和天然气钻井均使
12、用 PDC 钻头1。2017 年,PDC钻头市场规模的估值为35.2亿美元,预计每年将 以 4.41%的 CAGR(compound annual growth rate,复合年均增长率)增长,到2023年其市场规模将达到45.4亿美元。这一增长主要是由世界各地石油和天然气钻井活动的增加以及对先进技术的需求所推动的。在保证材料的情况下,PDC钻头的布齿结果直接影响其综合工作性能,包括机械钻速、磨损速度、钻井稳定性以及可操纵性等。科学合理的布齿技术不仅能够提高布齿设计效率,还有利于排除岩屑、降低破岩比功和提高破岩效率,保证了PDC钻头的优良性能2。基于此,笔者针对PDC钻头布齿技术发展历程中的早
13、期、经典和现代布齿阶段进行总结性综述及展望,旨在为PDC钻头布齿技术的研究提供参考与指导。1 PDC钻头布齿的主要任务 PDC钻头布齿的主要任务是确定每颗PDC切削齿在钻头上的 3 个空间位置参数以及 3 个结构参数3,如图 1 所示(以钻头旋转中心为原点构建O-RH坐标系,R轴方向为自钻头中心向外,H轴方向为钻头钻进方向)。其中,3个空间位置参数为PDC切削齿到钻头轴线的距离Rc、PDC切削齿到钻头尾部的距离Hc和PDC切削齿沿圆周方向的位置角c;3个结构参数为PDC切削齿的法向角、后倾角和侧转角。这6个参数会直接影响PDC钻头在钻井过程中的破岩性能。故在布齿设计中,需合理分析不同钻井条件下
14、各参数对钻头破岩性能的影响规律并确定每颗PDC切削齿各参数的最优值。目前,这6个参数的确定主要依据PDC钻头冠部曲线设计、径向布齿、周向布齿以及工作角布齿,设计流程如图2所示。2 PDC钻头布齿技术发展历程 PDC钻头的布齿设计发展到现在主要经历了早期布齿阶段(1970s)、经典布齿阶段(1980s2000s)和现代布齿阶段(2010s至今)。2.1早期布齿阶段在早期布齿阶段,PDC钻头布齿设计一开始是按照金刚石钻头的设计模式,仅用PDC代替切削齿图1PDC钻头布齿参数Fig.1PDC bit cutter arrangement parameters图2PDC钻头布齿设计流程Fig.2PDC
15、 bit cutter arrangement design process 2第 1 期马亚超,等:PDC钻头布齿技术研究综述齿刃上的天然金刚石,且设计的钻头冠部轮廓曲线、布齿结构等与金刚石钻头基本一致。早期布齿阶段代表性布齿技术为散布式布齿技术:PDC切削齿按一定的布置方法镶嵌在钻头冠部表面上。散布式布齿方法的优点是能够充分利用钻头空间位置形成较大的布齿密度,使得钻头在钻井破岩时各切削齿的切削量基本相等。散布式布齿技术主要包括等距螺线布齿和不等距螺线布齿。然而,采用散布式布齿技术设计的PDC钻头有很多缺点:切削齿在冠部表面的露出量太少,切削齿易脱落折断;钻头在现场试验效果很差,机械钻速低,
16、易产生“泥包”现象。散布式布齿技术发展一段时间后,PDC钻头布齿设计主要是根据实验室和现场试验的经验对钻头的结构进行改进,与之前的散布式布齿设计模式相比,提高了PDC钻头的破岩性能,促进了PDC钻头布齿设计技术的发展。但是,这种试验与经验相结合的设计方法缺乏成体系的理论,设计效率低下,设计的PDC钻头在钻井破岩过程中无法保持性能稳定,仍需进一步改进。因此,早期布齿阶段的PDC钻头布齿技术不够完善,仍有很大的进步空间。2.2经典布齿阶段经典布齿阶段的布齿设计方法是PDC钻头发展至今应用最为广泛的方法,该阶段形成了较完善的布齿技术,包括冠部曲线设计技术、径向布齿技术、周向布齿技术和工作角布齿技术。
17、这些布齿技术关系到PDC钻头的冠部形状及其切削齿的布置位置,最终直接影响PDC钻头的破岩性能4。2.2.1冠部曲线设计技术PDC钻头的冠部曲线是指PDC切削齿在刀翼冠部表面形成的包络线,其会影响切削齿在钻头上的2个空间参数以及1个位置参数,即PDC切削齿到钻头轴线的距离Rc、PDC切削齿到钻头尾部的距离Hc和法向角。冠部形状不同的PDC钻头有完全不同的破岩效果5在经过早期布齿阶段后,PDC钻头冠部曲线设计技术在使用过程中逐渐发展和完善,形成了目前常见的几种典型冠部形状6。1992年,国际钻井承包商协会(International Association of Drilling Contract
18、ors,IADC)将 PDC 钻头冠部剖面形状归纳为4种基本类型,即平底形、浅锥形、中锥形和长锥形7,如图3所示。影响PDC钻头冠部形状的主要结构参数包括冠部高度、冠顶位置、冠顶圆弧半径、内锥角、外锥圆弧半径以及外锥角。关于PDC钻头冠部曲线的设计已有许多相关研究。目前,已成功应用于石油钻井的PDC钻头冠部曲线形状可归纳为4种,即直线-圆弧-直线形、直线-圆弧形、直线-双圆弧形和直线-圆弧-抛物线形,如图4所示。针对已有冠部曲线,Deng等8以冠部曲线形状为直线-圆弧-直线形的PDC钻头为研究对象,在建立其冠部模型后,以PDC切削齿的轴向力和破岩比功为目标函数,采用NSGA-II(non-do
19、minated sorting genetic algorithm-II,非支配排序遗传算法)对其冠部内锥角、圆弧半径、外锥角和外锥高度进行了全局优化。PDC钻头的冠部曲线形状也可直接利用 NURBS(non-uniform rational B-splines,非均匀有理B样条)曲线方法来确定,该方法更易实现设计者的设计意图9。邹德永等10提出了2种适用于在硬地层高效破岩的PDC钻头冠部曲线形状:短圆形和短抛物线形,其中采用短抛物线形冠部的PDC钻头已在中国中原油田硬地层中成功试验,其钻井进尺达 730 m,平均机械钻速达到5.65 m/h。Ju等11提出:对于松软地层,建议选择较大外锥圆弧
20、半径和较小内锥角的PDC钻头;对于硬地层,建议选择较小外锥圆弧半径和较大内锥角的PDC钻头,以降低锥尖区域的破岩能耗。Heydarshahy等5通过有限元方法模拟了 14种不同冠部形状的PDC钻头的破岩过程,得到了钻头应力分布情况随冠部锥度和高度变化的规律。同时,也有学者对PDC钻头冠部形状与表面应力分布的关系进行了有限元分析,并根据受力分析优化了冠部形状12。此外,在定向钻井过程中,PDC钻头需要侧向切削,在设计时应增大冠部内锥角,以减小冠部长度,从而增大定向钻井钻头的造斜率13。随着PDC钻头冠部曲线设计技术的发展,一些PDC钻头的冠部形状被设计成异形轮廓。如环槽PDC钻头刀翼冠部增设凹槽
21、,起到减小钻头侧向力的作用,在钻头垂直钻井过程中不仅能提高破岩效图3基于IADC的PDC钻头冠部剖面形状分类Fig.3Classification of PDC bit crown profile shape based on IADC 3工程设计学报第 30 卷 率,还能增强钻头的稳定性14。另外,一种适用于难钻地层的复合PDC钻头的刀翼本体轮廓由凹凸两部分连接而成,其轮廓凸起部分可由类抛物线、曲线、圆弧、矩形和梯形等多种形状组成(如图 5所示),形成了多级切削结构,在理论上提高了钻头在难钻地层中的破岩效率15。2.2.2径向布齿技术PDC钻头径向布齿设计是将PDC切削齿沿钻头半径平面的轮廓
22、外形进行布置,主要确定各切削齿到钻头轴线的距离Rc、切削齿到钻头尾部的距离Hc、法向角、切削齿数量和井底切削覆盖图。径向布齿一般要满足井底切削覆盖良好和切削齿磨损相对均匀两个要求,主要研究内容包括径向布齿密度设计和三原则布齿技术。PDC钻头的径向布齿密度与其受力密切相关,对其破岩性能也有显著影响。一般来说,PDC钻头的径向布齿密度需根据地层性质来设定,布齿密度越大,钻头钻进速度越慢16。例如:对于含有石英砂岩以及泥岩夹层等复杂地层,需要调整PDC钻头外锥局部的径向布齿密度17。在实际使用过程中,PDC钻头冠部锥顶常会出现偏磨问题,在不改变冠部形状的条件下,冠部锥顶部分通常采用最大密度来布置切削
23、齿,以减小偏磨18。对于径向布齿技术,也可从PDC钻头冠部曲线出发,沿冠部曲线对切削齿进行均匀密度布齿设计和非均匀密度布齿设计19。在冠部曲线确定的条件下,PDC钻头刀翼上的径向布齿间隙可极大、极小或无间隙设计。每个刀翼上各切削齿无间隙设计能够使PDC钻头基体在磨蚀性地层下不受到侵蚀20,如图6所示。无间隙径向布齿设计的PDC钻头在加拿大阿尔伯塔省油砂地层钻井试验中的进尺为1 470 m,平均机械钻速达127.83 m/h。极小间隙径向布齿设计的PDC钻头可实现在软-中地层中可靠地反循环钻井,如图7所示。极大间隙径向布齿设计的PDC钻头如图8所示21,在阿曼某油田的碳酸盐岩和页岩钻井试验中,该
24、类 PDC 钻头创造了66.14 m/h 的机械钻速新纪录,比原现场提高了80%,后续在另一油田钻井试验中的机械钻速达到83.82 m/h。早在1978年,Hibbs和Flom22提出了PDC钻头布齿设计时采用的经典三原则理论:等切削量、等功率和等磨损。1985年,Glowka23给出了如何运用这3个原则的数学模型。此后,王福修24推导出了基于等切削和等功率布齿理论的PDC钻头数学模型;李树盛等25推导出基于经典三原则设计理论的图4PDC钻头的冠部曲线形状Fig.4Crown curve shape of PDC bit图5几种刀翼轮廓凸起的形状Fig.5Several blade profi
25、le bulge shapes图6无间隙径向布齿设计Fig.6Radial cutter arrangement design without gaps图7极小间隙径向布齿设计Fig.7Radial cutter arrangement design with minimal gaps 4第 1 期马亚超,等:PDC钻头布齿技术研究综述PDC钻头冠部曲线方程,推动了三原则布齿技术的发展。采用等切削量原则布齿设计的刀翼式PDC钻头的切削齿之间会出现干涉现象26。一些学者按等切削量原则来设计PDC钻头的冠部形状,并建立了钻头等切削量布齿的数学计算模型27。也有一些学者提出采用以等切削量为原则的布齿
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