钻头研磨性测定装置结构设计.pdfVIP

石油和化工设备

-48-■技术交流2022年第25卷

钻头研磨性测定装置结构设计

张良振

(中石化石油机械股份有限公司，湖北武汉430205)

[摘要]钻头在钻井过程中发挥着非常重要的作用，钻头的寿命将直接影响钻井工作的效率和成本.目前虽有实验装置研

究研磨性，但大部分测定对象为岩石研磨性，而部分实验装置及所需材料过于复杂，针对上述问题，设计出此钻头研磨性

测定装置，基于相似理论计算出糢拟实验中的钻压、转速，确定装置的尺寸及结构，对实验装置进行了有限元分析，验证

了装置的可行性，为研究钻头研磨性测试装置的设计提供一定的指导意义。

[关键词]钻头研磨性；相似原理；实验装置；有限元分析

在进行深井乃至超深井作业过程中，钻头的造，为了能够模拟钻井过程中钻头磨损的情况，

破岩机理主要是由钻头对岩层进行冲击研磨。在利用相似准则来对模拟实验的各项参数进行设

实际的钻井过程中，钻头的主要失效是由于钻头计，此装置需要提供一定钻速和钻压[9]。以建立室

前端与岩石接触磨损所造成的。目前，在钻井现内钻头磨损模拟实验参数为目的[11，研宄石油钻

场判断钻头是否失效以及决定是否更换钻头没有井过程中不同地质条件下钻头的磨损情况。根据

明确的指导，不能准确预测钻头寿命，现有的研前人的相似理论的结论推导得到[111:此相似模型

究研磨性的实验大部分是针对岩石的研磨性来进中，钻头实际尺寸d=250mm，l=500mm,取原型

行的，邹德永教授利用微型钻头对岩石研磨性进与模型的长度比cplp/L=5:丨，设计模拟钻头尺寸为

行研宄[11。李季阳使用了先进的激光测温等测试技d=50mm，l=100mm。由于实际全尺寸的钻头的成

术，实现了牙轮、PDC、研磨环等不同形状、不本太过昂贵，同时钻头在钻进过程中磨损量非常

同硬度对岩石的研磨性测试，大部分是现代化仪小，较难测量，考虑到硬度是材料性质的重要评

器，数据准确，安全m。而针对室内研磨性的测定指标，因此选用三种不同硬度的金属试样与实

定方法，现场研磨性系数的计算，一般是通过实际岩样在类似实际工况下进行研磨实验，进而总

验得出实验数据，然后再计算研磨性系数，但这结钻头磨损的规律。金刚石钻头的密度为3.5(g/

种方法的局限性太大，只适用于几种钻头，适应ml)，模拟钻头选用的材料分别是Q345、45、

性不强，不能得到广泛使用，所以设计出测试钻40Cr，分别进行不同的处理，统一单位后形成一

头研磨性的装置还是很有必要的+5]。改造现有的定的硬度梯度见下表1。

实验装置是一种切实有效的方法，考虑到部分实

表1实验金属样本材料属性表

验装置结构过于复杂，操作不方便，成本较高的问

题[M]。设计出了简易能够评价钻头研磨性实验装金属类型硬度（HBS)

置的结构，模拟钻井过程进行室内模拟实验，可Q345180-200

直观观察模拟钻头的磨损情况，还可大大节约经45(调质）200-300

济成本，使其能够实现对钻压、钻速等指标的测