PDC钻头复合冲击破岩机理研究及应用探讨

随着钻井提速,PDC钻头结合扭力冲击器的复合钻井技术应用越来越普遍。为了进一步提高PDC钻头复合钻井技术在现场的应用效果,系统分析了钻头的结构及工作原理,对PDC钻头具有的硬度高、耐磨性好、强度高、自锐性好、稳定性差、抗冲击性差的特性进行了分析。通过对复合冲击破岩机理研究表明,在复合钻井条件下,PDC钻头切削齿与地层岩石呈严重不均匀接触状态,承压面积减小,切削齿对地层岩石的吃入深度增加,加之切削轨迹呈交叉状态,显著提升了钻头破岩效率。通过在钻井现场的应用及与牙轮钻头钻井情况对比,结果表明,PDC钻头复合钻井技术能够显著提高机械钻速、缩短钻井周期,具有较好的经济效益和广阔的应用前景。     

混合钻头技术特点及应用

相对于PDC和牙轮钻头而言,混合型钻头是一种把牙轮钻头和固定切削齿钻头相结合,并能同时发挥2种钻头功效优势的新型高效钻头。在马深1井现场进行了混合钻头的现场应用,效果良好,进尺和机械钻速均获得大幅提高,也为钻井提速探索了新的方向。     

煤层底板灰岩层注浆定向水平井用PDC钻头个性化设计

针对煤层底板灰岩层定向水平注浆井钻进工艺特点及灰岩层地层特性,通过分析现场地质特征及构造、钻孔设计以及井身结构等特点,对拟钻地层特性、钻进工艺以及常规钻头磨损情况进行研究,对钻头剖面形状、切削齿排布、切削齿安装角度以及金刚石复合片优选进行优化设计。新设计钻头采用抛物线剖面,极限密度布齿并针对关键部位增加后备齿加强的方案,降低钻头关键部位磨损,提高钻头攻击性,以通过数值模拟分析异形切削齿破岩效率,以强化鼻部切削齿,提高钻头抗冲击韧性,防止钻头冲击破坏。采用优化设计的钻头进行现场试验,使用寿命较常规PDC钻头提高58.18%|复合钻进平均速度较常规PDC钻头提高50%|定向钻进平均速度较常规PDC钻头提高56.52%,实现了灰岩层底板注浆施工优快钻井需求,为硬岩裂隙地层定向井钻进施工提供了钻头设计方案,为同类地层注浆井的施工提供了技术支撑。     

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。     

PDC钻头实践应用分析与探索

PDC钻头具有提高钻井速度、减少起下钻次数、避免掉牙轮等复杂事故的优点,目前在川西、川东北的针对性地层得到了普遍应用。然而,在实际运用中,仍然存在很多问题,如PDC钻头牙齿磨损、钻头环磨、喷嘴堵塞、掉齿—断齿、复合片脱层、牙齿碎裂、钻头出芯、钻头泥包等,在一定程度上制约了机械钻速的提高。通过对PDC钻头在川西、川东北实践应用过程的优点、存在的问题进行综合分析,并从钻头结构、钻井参数、钻井液性能、使用钻头辅助工具、施工操作等技术措施提出改善PDC钻头使用的建议。     

复合锥单牙轮钻头牙齿磨损研究

复合锥单牙轮钻头是基于球形单牙轮钻头的新型单牙轮钻头,其独特破岩方式能提高钻头效率。但现场试验发现,钻头牙轮小端一侧切削齿和保径齿磨损严重,牙轮大端切削齿和保径齿基本没有磨损,导致整个钻头钻进速度降低。为弄清偏磨机理,通过有限元分析方法对钻头各齿圈牙齿载荷变化规律进行了分析,并分析了各齿圈牙齿的切削轨迹形状和牙齿与岩石的接触时间。结果表明：牙轮大端的牙齿载荷大于牙轮小端的牙齿载荷,但牙轮小端牙齿与岩石的接触时间更长。综合分析牙齿破岩时间和牙齿轴向载荷,理论上(6)号齿圈牙齿磨损应该最小。现场试验结果表明：不但(6)号齿圈磨损较小,(1)、(4)、(5)号齿圈的磨损更小;钻头一侧保径齿磨损严重,且(7)、(8)号齿圈磨损严重,根据研究结果分析认为钻头钻进过程中向井壁一侧发生倾斜,导致钻头一侧切削齿和保径齿磨损严重。     

PDC钻头钻井泥包原因分析及对策研究

随着钻井提速,PDC钻头应用越来越普遍,在泥页岩地层中,PDC钻头钻进速度较牙轮钻头大大提高,但泥页岩地层容易水化膨胀导致钻头泥包,不仅影响机械钻速,还可能诱发工程事故,为此,从地层性质、钻头结构和类型、钻井液体系及性能、工程因素等方面系统分析了导致钻头泥包的原因,并采取相应的措施,有效地预防和及时处理钻头泥包,对指导现场钻井施工具有重要意义。     

鄂尔多斯地区高效钻头的使用效果及潜力分析

鄂尔多斯工区PDC钻头经过两年的推广应用，钻井周期大幅度缩短，机械钻速普遍提高，取得了较好的效益。针对PDC钻头异常损坏的情况时有发生，个别PDC钻头使用效果很差的问题，分析研究提出针对不同区块、井段优选高效PDC钻头或高效三牙轮钻头、钻具结构进一步提高钻井速度思路。     

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。     

金3井混镶金刚石钻头的设计与应用

针对东北地区金3井沙河子组致密泥岩和砂砾岩互层,地层软硬交错、研磨性强,钻进机械效率低,钻头寿命短的问题,通过改进胎体配方、采用耐磨的混镶金刚石热压镶嵌齿作为切削齿、优化了钻头的切削结构、采用CFD软件进行钻头水力结构模拟与优化,研制了混镶金刚石钻头(NR826M)。所设计的钻头在金3井共使用了3只,总进尺784.69 m,钻头平均机械钻速1.03 m/h,单只钻头最高进尺295.03 m,钻头寿命是牙轮钻头的6.5倍,机械钻速是牙轮钻头的1.5倍,为该井缩短了钻井周期40天,降低了钻井施工成本,也为该地区同类地层的钻头选型提供了更多的选择。     

异形齿PDC钻头在大港油田的现场应用

为了提高钻井速度,降低钻井作业成本,减少换钻头起下钻次数,急需解决常规PDC钻头在馆陶组地层钻井适用性差的难题。大港油田馆陶组的埋藏深度一般在1000～2000m之间,层厚为100～400m之间,其中,纯砾石层厚度达几米甚至几十米。馆陶组上、中部一般为泥岩、砂岩、含砾砂岩互层,下部为杂色砾岩,馆陶组底砾岩可钻性差,往往限制了PDC钻头的使用,PDC钻头钻遇颗粒较粗的砂砾或底砾岩就会造成复合片崩损而导致钻头报废,通常采用牙轮钻头钻穿馆陶组地层后,起钻再下入PDC钻头进行馆陶组下部井段施工,严重制约了钻井速度。针对这种情况,通过反复设计和改进,异形齿PDC钻头克服了以往PDC钻头钻馆陶组地层先期损坏现象,能一次性钻穿馆陶组地层,通过现场试验6口井,富含砾石的馆陶组地层钻穿率达到了100%,取得了良好的经济效益和社会效益。     

国际油气井钻头进展概述(四)——PDC钻头发展进程及当今态势(下)

近年来,非平面PDC切削齿,如浅凹面PDC齿、Stinger毒牙中心锥形齿、Stinger毒牙刀翼锥形齿、Axe Blade斧式脊形PDC齿和Stay Cool保持冷却PDC齿等制造的钻头,逐步在油气钻井中得到有效的应用。这些钻头能够以较高的钻进效率和工作寿命钻进某些硬岩和研磨性地层。为了满足水平钻井,特别在页岩气水平井中能够强力排除岩屑,并具有优良的钻井导向性能,国际著名公司推出了许多新型钻头,如ONXYⅡ矛式PDC钻头、Seeker导向PDC钻头、Counter Force反力PDC钻头、Speed快速PDC钻头等用于当代油气钻井,取得了良好的效果。文章还介绍了Defyer DPA套管钻头与Cutt Pro PDC防剪切保护帽。提出了以下建议:继续深入研究PDC钻头,以提高其性能,更好地满足油气钻井的要求;组合化钻头是油气钻头发展的重要趋势;比金刚石性能更好的钻头切削材料有可能今后发现或合成,可用于制作更佳钻井钻头;我国钻头企业需重组和发展状大;各种钻头技术创新应该加强。     

PDC钻头在鄂尔多斯盆地北部使用情况浅谈

钻头选型及钻井参数的使用是否合理，直接影响到钻井速度的提高和钻井费用的降低，选择钻头类型的原则是：选择适应地层硬度、抗压强度和岩石可钻性的钻头型号，使钻头的平均钻速和进足达到最高，综合钻井成本最低。对于三牙轮钻头的破岩方式，以冲击、压碎作用为主，剪切作用为辅，而，PDC钻头则以剪切作用为主，这也是钻头厂家将岩石抗压强度列于三牙轮钻头使用的主要原因。     

库车深部复杂砾岩地层PDC钻头优化与应用研究

库车山前克拉苏构造带地质情况复杂,康村组下部—苏维依组地层含大段砾石层,可钻性差,常规PDC钻头不适应该含砾地层。为此,在深入分析了区块含砾地层物性和区块含砾地层PDC钻头失效方式的基础上,有针对性的设计了适合于砾石层的PDC钻头。通过采用耐磨性和抗冲击性较好的φ16mm切削齿,中等布齿密度、肩部和鼻部双排齿设计,冠部形状采用浅锥和中等抛面长度设计,保证钻头具有较好的攻击性和抗冲击性。优化设计出的φ333.4mm PDC钻头在KS和DB区块进行了现场应用,直接钻穿吉迪克组含砾地层,与邻井同层段钻井数据相比,KS区块钻头单只进尺和机械钻速分别提高194.02%和182.25%,DB区块钻头单只进尺和机械钻速分别提高329.5%和216%。试验结果表明,设计的PDC钻头在该区块砾石层中使用效果良好,适合于该地层。     

国际油气井钻头进展概述(三)——PDC钻头发展进程及当今态势(上)

自1973年PDC钻头应用以来,油气钻井发生了很大变化。但是PDC钻头在早期约15年时间内发展缓慢。此后,由于加强技术创新,如多层聚晶金刚石层、非平面界面专利、防回旋技术、滤钴工艺、优化水力学设计以及计算机建模等,促进了PDC钻头迅猛发展、广泛应用。目前,PDC钻头在世界上所钻进尺数已占到约90%。NOV公司近年推出4种太阳神PDC切削齿,由其制作的PDC钻头提高了热稳定性、抗研磨性、抗冲击韧性与导向性等。这类钻头可以钻进硬岩与研磨性地层,以及一些难钻地层,具有较高的钻进效率和较好的耐用性。Helios太阳神系列PDC钻头成功地应用于挪威、中东、澳大利亚以及美国等地的油气田。斯伦贝谢公司推出的ONYX玛瑙360°滚动PDC可保持刀齿锐利、相对冷却及延长寿命,显著地提高了钻头耐用性。在美国许多油气田应用表明,这种滚动PDC制造的钻头比固定齿PDC钻头平均钻进效率可提高40%以上,而钻头的工作寿命则可提高40%~70%。     

新型耐磨损ONYX切削具制作的PDC钻头

PDC钻头在石油天然气钻井和地质勘探钻进中得到了广泛的应用,取得了很好的技术经济效果。但是,钻进中产生的PDC切削具非正常磨损,影响了这种先进方法的机械钻速和钻头进尺的提高。俄罗斯史密斯钻头（Smith Bits）公司研发了一种钻进过程中可以沿着自身轴线回转的ONYX切削具,抑制了PDC切削具的非正常磨损,具有创新性和实用价值。Нескоромных B.B.教授等对镶有ONYX切削具的钻头的结构和性能参数进行了分析研究。试验表明,这种ONYX切削具的耐磨性比常规固定式PDC切削具的耐磨性好,钻头钻进效果也比较好,俄罗斯正在积极推广使用,建议中国有关专家和部门对此进行研究和试验。     

英台地区PDC钻头优选与应用

钻井过程中，钻头是破碎岩石，不断增加井深的工具。钻头类型选择是否合理，使用措施是否得当，不仅影响到钻井速度，而且也影响到全井钻井成本。结合英台地区地层岩性及可钻性极值，对PDC钻头进行了优选，并针对英台地区油藏埋深及地层特性进行PDC钻头钻井参数及水力参数优选，从而大大提高了英台地区的机械钻速，加快了该地区的开发步伐。     

PDC钻头在高渗砂岩层钻进时卡钻分析与预防

目前国内石油钻井现场,普遍采用PDC钻头+单弯螺杆钻具+MWD随钻测量施工,来提高钻井效率,但PDC钻头在螺杆钻具高转速工况下钻进时,钻头轴向保径齿磨损先于冠部切削齿的磨损,尤其是在高渗透性、高研磨性、粉砂岩钻进时,PDC钻头外径磨损速度大大增加,井径缩小,钻具环空间隙减小,且井壁易形成虚泥饼,从而会进一步恶化井下环境,导致卡钻,且极易发生在上提钻具过程中。通过对盘40-斜203井卡钻事故的原因分析,从而剖析出研磨性导致PDC钻头外径缩小和渗透性导致的虚泥饼,是导致上提钻具时卡钻的主要原因,并找到解决方法,具有一定的普遍性和指导性。     

元坝地区珍珠冲地层新型三牙轮钻头的研制与应用

砂砾岩地层是钻井工程中的难钻地层,如何提高砂砾岩地层的钻进效率和钻头寿命一直是工程实践中的重要问题。针对在元坝地区珍珠冲石英砂砾岩地层钻进过程中,使用普通型牙轮钻头外排齿易早期断齿、综合使用指标低的问题,开展了地层岩性、钻头使用与失效分析。针对性地开展了钻头的切削结构、齿材优化以及加强保径等方面的研究,优化设计、研制出HJT547GKL型新型三牙轮钻头。现场试用结果表明,这种新型牙轮钻头在元坝地区珍珠冲组石英砂砾岩地层钻进中有较高的行程进尺。该钻头是一种结构简单、扶正保径好、可靠实用,适用于较硬、有硬夹地层的新型实用三牙轮钻头。     

大牛地气田太原组水平段钻头选型分析

大牛地气田主要目的层太原组地层砾岩发育,石英含量高。在使用PDC钻头钻砾岩段,较大的负荷冲击载荷作用常造成PDC钻头复合片崩齿从而失去切削能力,不得不起钻更换钻头,大大降低了钻井时效、增加了钻井成本。通过对太原组水平段钻头的数据统计分析,使用GD1306TX型与FX55D型2种型号的钻头在太原组地层钻进可以提高机械钻速、缩短钻井周期,在GD1306TX型与FX55D型之间通过每米成本统计分析获得GD1306TX型钻头每米成本更低,更适合太原组研磨性地层使用,可为该区域水平段钻井的钻头选择提供依据。