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双级pdc钻头钻进井底流场研究

双级PDC钻头钻进井底流场研究

作者：陈振良中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

双级pdc钻头是指由前端较小直径的领眼钻头和后端较大直径的扩眼钻头组成的破岩工具,以其独特的破岩结构能够提高深层硬且研磨性地层破岩效率。钻头水力学问题影响着钻头寿命,前人对双级pdc钻头流量分配进行了公式推导,通过调研暂未发... 详细信息

双级pdc钻头是指由前端较小直径的领眼钻头和后端较大直径的扩眼钻头组成的破岩工具,以其独特的破岩结构能够提高深层硬且研磨性地层破岩效率。钻头水力学问题影响着钻头寿命,前人对双级pdc钻头流量分配进行了公式推导,通过调研暂未发现双级pdc钻头井底流场数值模拟相关研究,本文针对双级pdc钻头钻进井底流场完成如下工作:(1)利用Solid Works软件建立双级pdc钻头(Φ171.45mm领眼钻头+Φ215.9mm扩眼钻头)井底流场三维模型,在ANSYS软件平台下完成网格划分、数值模拟计算及后处理。(2)从领眼钻头喷嘴面积占比、领眼钻头中心与外围喷嘴面积比、钻井液排量及黏度四个方面对双级pdc钻头流量分配规律、喷嘴位置和外流道内速度和压力场特性进行了研究。(3)从领眼钻头喷嘴面积占比、领眼钻头中心与外围喷嘴面积比、钻井液黏度、钻井液排量、机械钻速、钻头转速、岩屑粒径及钻井液排量七个方面对双级pdc钻头钻进井底清岩携岩效果进行了研究。研究结果表明:领眼钻头喷嘴面积占比为0.75～0.8、领眼钻头中心与外围喷嘴面积比在1.22～1.5时,井底流场内平均岩屑质量浓度(C)较低,清岩携岩效率较高。本文研究可望为双级pdc钻头水力结构优化设计提供参考。

关键词：双级pdc钻头井底流场流量分配清岩携岩

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双级pdc钻头破岩效率的实验研究

双级PDC钻头破岩效率的实验研究

作者：王斌中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

本文通过数值模拟与室内台架试验结合的方法,研究了双级pdc钻头的破岩过程,仿真结果显示:双级pdc钻头井壁外岩石部分的周向应力和径向应力曲线会表现出一种开口喇叭形状特征,并且会随着井壁外岩石半径的增大而逐渐趋向原始地应力。钻进... 详细信息

本文通过数值模拟与室内台架试验结合的方法,研究了双级pdc钻头的破岩过程,仿真结果显示:双级pdc钻头井壁外岩石部分的周向应力和径向应力曲线会表现出一种开口喇叭形状特征,并且会随着井壁外岩石半径的增大而逐渐趋向原始地应力。钻进过程中,领眼钻头井壁外岩石周向应力先随着半径的增大呈现出先增大后减小趋势,而径向应力则会先随半径增大呈现出先减小后增大趋势,扩眼钻头的井壁外岩石周向应力与领眼钻头相似,而径向应力则相反,这就在井底形成了非常明显的二次应力场分布特征。说明领眼钻头改变了井底原始应力场,释放了地层应力。建立了集钻进参数自动化测采功能的钻进破岩实验系统,设计并加工扩眼钻头外径为120 mm,领眼钻头直径为84 mm,领眼-扩眼比例为0.7,两级pdc钻头布齿结构相同,切削齿直径为11 mm,后倾角为15°的实验室用双级pdc钻头,进行了双级pdc钻头与常规pdc钻头相同钻进参数条件下的四种岩石钻进对比实验,实验结果表明:双级钻头能够有效提升钻进效率,在相同钻进参数条件下,使用双级钻头最多能够提升钻速32.84%;双级钻头能够有效减小破岩扭矩,稳定钻头工作状态,同时能够减小钻头机械比能,优化钻头机械能利用率,提高钻头破岩效率;双级钻头能够有效降低钻头工作时的横向振动强度,在相同钻进参数条件下使用双级pdc钻头产生的横向加速度有效值最大可减小75.34%,更有利于保护钻头切削齿的稳定性和延长钻头使用寿命。同时对室内台架试验结果进行回归分析,结合钻压、转速、低层可钻性级值对钻头机械钻速的影响规律,总结出了在中硬地层钻探工作中适用于双级pdc钻头的经验钻速方程。

关键词：双级pdc钻头机械钻速破岩扭矩机械比能钻头振动钻速方程

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领眼与扩眼双级pdc钻头井底流场数值模拟

石油钻采工艺 2019年第1期41卷 31-37页

作者：闫炎管志川杨才阎卫军耿潇中国石油大学(华东)石油工程学院山东省深地钻井过程控制工程技术研究中心中国石油长城钻探工程有限公司国际测井公司中国石油长城钻探工程有限公司钻井一公司

针对领眼与扩眼双级pdc钻头,利用FLUENT有限元软件进行了井底流场数值模拟,得到了四刀翼双级pdc钻头与六刀翼双级pdc钻头井底的速度场、压力场特征。仿真结果表明,领眼钻头刀翼上的内侧切削齿由于低速滞留区的存在导致表面钻井液流速较... 详细信息

针对领眼与扩眼双级pdc钻头,利用FLUENT有限元软件进行了井底流场数值模拟,得到了四刀翼双级pdc钻头与六刀翼双级pdc钻头井底的速度场、压力场特征。仿真结果表明,领眼钻头刀翼上的内侧切削齿由于低速滞留区的存在导致表面钻井液流速较低,清洗效果较差;从领眼钻头井底上返的钻井液流过阶梯状环空井眼台阶处时出现压力波动。对比两种双级pdc钻头仿真结果,四刀翼双级pdc钻头领眼体与扩眼体井底水力能量分配更加均衡,同时领眼空间与扩眼空间均形成了较大的轴向压差,更加利于钻井液携岩上返。领眼钻头的井眼尺寸、领眼钻头与扩眼钻头喷嘴的过流面积配比对于双级pdc钻头的井底流场有着较为明显的影响。

关键词：双级pdc钻头井底流场刀翼数值模拟涡旋

基于DPM模型的双级pdc钻头流场特性研究

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石油机械 2019年第9期47卷 1-9页

作者：闫炎管志川阎卫军耿潇呼怀刚中国石油大学(华东)石油工程学院山东省深地钻井过程控制工程技术研究中心山东省青岛市266580 中国石油长城钻探工程有限公司钻井一公司

针对双级pdc钻头领眼钻头井眼空间上返的钻井液与扩眼钻头井底流场相互干扰的问题,通过在分流传力总成上增加级间喷嘴形成了一种新的双级pdc钻头水力结构。基于FLUENT软件中的DPM模型,模拟计算了井底钻井液流速、井底压降及井底岩屑质... 详细信息

针对双级pdc钻头领眼钻头井眼空间上返的钻井液与扩眼钻头井底流场相互干扰的问题,通过在分流传力总成上增加级间喷嘴形成了一种新的双级pdc钻头水力结构。基于FLUENT软件中的DPM模型,模拟计算了井底钻井液流速、井底压降及井底岩屑质量浓度分布,证实了级间喷嘴对于流场改善的有效性,并在此基础上分析了级间结构对双级pdc钻头井底流场的影响规律。仿真结果表明:级间喷嘴倾角为75°时钻井液清洗效果相对较好;领眼钻头与扩眼钻头的刀翼位置应尽量重叠,这样形成了自下而上的流动通道,利于岩屑的快速上返;领眼钻头与扩眼钻头级间段长增大到40 mm时,级间喷嘴的抽吸作用最显著而后逐渐减弱;领眼钻头与扩眼钻头喷嘴流量比值的增大,提高了领眼钻头井底流场清洗效率,降低了扩眼钻头井底流场清洗效率,领眼与扩眼体喷嘴间最佳流量分配比例为5∶5。研究结果可为双级pdc钻头的水力结构设计及井底流场特征研究提供理论依据。

关键词：双级pdc钻头水力结构流场特性 DPM模型数值模拟

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双级双转速pdc钻头破岩数值模拟研究

双级双转速PDC钻头破岩数值模拟研究

作者：刘云海西南石油大学

学位级别：硕士

国内外学者针对钻井提速开展过大量的研究,但大部分研究都是集中在钻头类型,井身结构,钻井液性能和切削齿强度方面,而没有在破岩方式上做改变,仍然延续着传统的切削破岩方式。2006年沈忠厚院士和彭烨提出了双级pdc钻头,这种新型钻头改... 详细信息

国内外学者针对钻井提速开展过大量的研究,但大部分研究都是集中在钻头类型,井身结构,钻井液性能和切削齿强度方面,而没有在破岩方式上做改变,仍然延续着传统的切削破岩方式。2006年沈忠厚院士和彭烨提出了双级pdc钻头,这种新型钻头改变了传统的切削破岩方式,本文在前人的基础之上对双级pdc钻头作了进一步研究,并提出了一种新型的钻头——双转速pdc钻头。本文根据pdc钻头的破岩机理、pdc钻头的设计理论等,并基于弹塑性力学和岩石力学,采用Drucker-Prager准则作为岩石的本构关系,通过有限元仿真软件分别对双级pdc钻头、双转速pdc钻头的提速效果与振动强度进行研究,论文的结论主要有：(1)利用邓金根井壁应力分布理论验证了本仿真模型的准确性和可靠性。(2)研究发现双级pdc钻头不仅具有明显的提速效果,还具有明显的减振效果。并揭示了双级pdc钻头的提速原因。(3)研究了主要钻井参数对双级pdc钻头的提速效果和减振效果。研究结果表明：随着钻压的提高,双级pdc钻头的提速效果会逐渐减小;随着转速的提高,双级pdc钻头的提速效果会先增大而后减小。(4)对双级pdc钻头的扩眼钻头和领眼钻头的直径组合比进行优选。研究结果表明：双级pdc钻头的提速效果会随着领眼钻头的直径增大而先增大后减小,其横向振动强度会随着领眼钻头的直径增大而先减小后增大,其纵向振动强度会随着领眼钻头的直径增大而增大。优选后的双级pdc钻头最大提速可达到27.8%,振动强度最大可减小20.2%。(5)在双级pdc钻头的基础上,研究了双转速pdc钻头的提速效果和减振效果。研究结果表明：双转速pdc钻头的机械钻速会随着领眼钻头的转速增大而增大,并且其提速效果会随着领眼钻头转速的增大而逐渐的减弱。并且通过对比研究发现,双转速pdc钻头在提速与减振方面比双级pdc钻头更有优势,其机械钻速最大可比常规pdc钻头提高39.4%,其减振效果最大可比常规pdc钻头减小52.8%。

关键词：双级pdc钻头双转速pdc钻头提速减振

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盐池区块深层页岩气水平井钻井关键技术研究

石油钻探技术 2021年第6期49卷 23-28页

作者：石崇东王万庆史配铭杨勇中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司陕西西安710018

为进一步提高鄂尔多斯盆地盐池区块非常规油气资源的勘探开发效果,在分析深层页岩气水平井钻井技术难点的基础上,采用了“双级pdc钻头+单弯螺杆”侧钻工艺,以提高大井眼侧钻效率;优化了“多粒径桥塞+纤维水泥”堵漏工艺,以提高堵漏效果... 详细信息

为进一步提高鄂尔多斯盆地盐池区块非常规油气资源的勘探开发效果,在分析深层页岩气水平井钻井技术难点的基础上,采用了“双级pdc钻头+单弯螺杆”侧钻工艺,以提高大井眼侧钻效率;优化了“多粒径桥塞+纤维水泥”堵漏工艺,以提高堵漏效果、降低堵漏成本;研发了高性能纳米封堵水基钻井液体系,以实现页岩气水平段安全钻进;设计了个性化pdc钻头,并配合PowerDrive Orbit在水平段应用,最终形成了深层页岩气钻井关键技术。该技术在盐池区块忠平1井的现场试验结果表明,侧钻效率明显提高,井下故障显著减少,取得了很好的现场效果。研究结果表明,深层页岩气钻井关键技术可以解决盐池区块深层页岩气水平井钻井技术难点,对提高该区块非常规油气资源的勘探开发效果具有重要作用。

关键词：深层页岩气旋转导向钻井双级pdc钻头侧钻忠平1井鄂尔多斯盆地