三翼式可开闭钻头在穿层钻孔施工中的应用

随着钻杆内快速下筛管工艺技术的推广应用,穿层钻孔施工过程中也存在目标煤层松软塌孔问题,普通可开闭式钻头在穿层钻孔岩石段施工时存在钻头寿命短、钻进效率较低的问题;针对该问题设计研发了一种新型三翼可开闭式PDC钻头,并在淮南矿业集团朱集东煤矿进行了现场应用,2只试验钻头平均寿命为436.4 m,寿命提高36.3%;钻头在岩石段施工,钻进效率为16~18m/h,钻进效率提高约40%,试验钻头解决了现有问题,试验效果良好。     

螺旋钻进快速下筛管工艺配套用PDC钻头的研制与应用

介绍了螺旋钻进工艺和钻杆内快速下筛管工艺技术,研发了一种适用于螺旋钻进快速下筛管工艺配套用干钻式可开闭PDC钻头;钻头结构主要包括钻头体、密闭中心翼片、特殊铰接机构等。在阳煤新景矿试验过程中,累计使用钻头10只,施工钻孔21个,最大孔深205 m,单只钻头平均寿命358 m,筛管下入率达98%。试验表明钻头结构设计合理,开闭结构稳定,适用于该工艺技术的推广应用。     

φ300/108 mm机械式掏穴钻头的研制

利用水力式掏穴钻头增大煤层段钻孔直径可以提高瓦斯抽采效率,但尚不能实现穿层孔中多个煤层段的掏穴钻进,且无法直接表征翼片打开效果,为此研制了一种新型机械式掏穴钻头,分别从结构原理、加工工艺等方面进行介绍,并进行了翼片张开试验。结果表明:机械式掏穴钻头翼片开闭灵活可靠、直观易辨、操作简单,可用于穿层孔中多个煤层段掏穴钻进。     

三翼内凹式PDC复合片钻头加工工艺技术研究

以三翼内凹式PDC复合片钻头为例,研究出一整套加工PDC复合片钻头的工艺路线,试验结果表明,采用该工艺路线加工的PDC复合片钻头焊接强度高、耐磨性强、抗冲击性好,在完成复杂深孔钻孔后,没有出现掉齿或崩刃现象,极大地提高了钻进效率,降低了钻头制造成本。     

煤矿井下硬岩定向钻进PDC钻头选型及试验分析

为了提高煤矿井下硬岩定向钻进的效率,在分析硬岩定向钻进PDC钻头的结构要求的基础上,选择了3种不同类型的PDC钻头进行煤矿井下硬岩定向钻进试验。试验结果表明,平底型PDC钻头不适用于定向钻进硬岩,而三翼抛物线型钻头和四翼平角型钻头在定向钻进硬岩时,表现出长寿命、高效率等特点,适合于定向钻进硬岩地层,大大提高了煤矿井下定向钻进硬岩地层的效率。     

四翼弧角形PDC钻头在煤矿穿层钻孔中的应用

穿层钻孔是煤矿邻近层瓦斯预抽和采空区瓦斯治理的常用手段。针对在软硬互层及硬地层穿层钻孔施工中现用三翼内凹钻头存在寿命短、钻进效率低的问题,研制了四翼弧角形PDC钻头。采用内锥线与抛物线结合的流线形布齿方式,增加了切削齿密度,实现了多轨道分层错峰碎岩;优化钻头切削倾角与侧转角,增大了切削自由面。对2种钻头进行了现场对比试验,结果表明,在穿层孔钻进中四翼弧角形钻头钻进稳定,寿命提高3.74倍,钻进效率提高33%,各切削齿均匀同步磨损,钻头失效形式优于三翼内凹钻头。     

煤矿井下用新型弧角PDC钻头的设计与应用

文章介绍了长期以来,煤矿井下用PDC钻头以内凹型钻头为主,但是随着煤矿开采深度的加深,井下钻探施工遇到的地层越来越复杂,普通三翼内凹型PDC钻头在遇到硬岩(硬度系数f≥8)时出现钻进效率低,钻头寿命较短、施工成本高等问题。为解决现有PDC钻头硬岩钻进存在的问题,通过引入石油钻头设计理论,优化钻头剖面形状与布齿设计,优选新型PDC齿,设计出了一种新型弧角PDC钻头,并通过在淮南潘一矿顶板穿层孔施工中试验应用,与普通内凹型PDC钻头相比,平均钻进效率提高1.6倍,平均使用寿命提高2.8倍。     

大直径定向长钻孔用PDC钻头设计与应用

针对煤矿井下中硬地层钻进中采用的常规单齿式PDC定向钻头和常规型扩孔钻头钻进寿命短,效率低,以及常规扩孔钻头在扩孔钻进中难以沿原孔轨迹钻进的缺陷,结合大直径定向长钻孔对三种钻头的需求,研制了两种新型PDC钻头,其中新型PDC定向钻头采用刮刀型平底结构并优化布齿,增加了切削齿数量,扩孔钻头采用圆弧形剖面,并沿切削剖面布齿,增大了切削自由面。针对两种钻头进行了现场应用,现场应用证明,新型PDC定向钻头受控性好,钻进稳定,在中硬地层钻进效率和寿命显著提高,是普通单齿式钻头的2倍,新型扩孔钻头能够沿先导孔轨迹扩孔钻进,钻头寿命是普通扩孔钻头的3倍以上。     

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。     

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。     

哈萨克斯坦KKM油田钻具强稳降振提速技术研究

KKM油田下部砂泥岩互层非均质性强导致井下钻具振动剧烈、PDC切削齿寿命低,且井眼易偏斜。目前在用PDC钻头多采用5刀翼或6刀翼16 mm切削齿以降低井下振动保证PDC钻头寿命,但降低了钻头攻击性导致机械钻速较低。针对KKM油田下部地层特点,优选了4刀翼19 mm复合片PDC钻头。该钻头具有较高的破岩效率和攻击性,可大幅度提高机械钻速;同时通过底部钻具组合动力学分析,优化形成了双稳定器+单稳单弯(0.5°)钻具组合,3个稳定器串联具有较强的稳定降振作用,配合小弯角螺杆钻进可有效提高防斜能力,降低了井下振动,配合大尺寸聚晶金刚石复合片PDC钻头实现了三开井段一趟钻完成的目标,机械钻速提高115.35%。     

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%。     

旋流喷嘴钻头在NP32-3646井的现场应用分析

南堡32-3646井是一口四开三段制定向井,设计井深5798 m。3864~4265 m(井斜29.18°的稳斜段)试验了五刀翼旋流喷嘴PDC钻头(主切削齿直径16 mm,3个11 mm常规水眼和4个18 mm旋流喷射水眼)。针对深井超深井钻进中常采用的相对较高的钻井液密度和粘度,不利于提高钻头破岩效率的问题,在系统介绍旋转射流发生机理和破岩机理的基础上,对NP32-3646井五刀翼旋流喷嘴PDC钻头现场应用情况进行了分析。试验结果表明,旋转射流因具有切向、轴向和径向三维速度,可在高粘钻井液条件下更好地改善井底清岩效果,并通过剪切、冲蚀、拉伸和磨削等多种方式实现辅助破岩,从而提高钻井效率。试验钻头进尺401 m,平均机械钻速4.45 m/h,可较好地满足现场钻进需要,具有良好的推广应用前景。     

国际油气井钻头进展概述(一)——Kymera组合式(Hybrid)钻头系列

针对油气钻井中钻遇坚硬地层、粘-滑(stick-slip)地层、软硬互层与含夹层地层,以及定向井、水平井等钻进中PDC钻头钻进效率、钻井方向控制方面的局限性问题,贝克·休斯公司克里斯坦森(Baker Hughes Christensen)分公司于2011年四季度向国际市场推出了将金刚石复合片与牙轮相结合的钻头——Kymera组合式钻头。该新型钻头藉助于牙轮在硬岩层中的侵入能力,提高碎岩效率,改善PDC的冷却,还能明显降低钻头在井底的扭矩,提高钻井方向的控制能力。在世界各地现场实际应用取得了良好的钻井效果。介绍了Kymera组合式钻头的研发背景和历程,以及其在世界多地油气钻井中的现场应用情况。     

煤矿井下筛管完孔技术在穿层孔中的应用

针对煤矿井下筛管完孔技术在穿层孔完孔中应用时存在的悬挂可靠性差、 全孔下入筛管成本高等问题,研究了穿层孔筛管悬挂装置的最优卡爪长度,优选了配套钻头,并在淮北芦岭煤矿进行了现场应用.应用结果表明:当悬挂装置卡爪长度95mm时,在常用?103mm孔径的大倾角穿层孔中悬挂可靠,三翼开闭式钻头岩层钻进效率高,中心翼片打开可靠....     

锥形聚晶金刚石复合片和可旋转切削齿技术简介

PDC钻头有着较高的钻进效率,一直受到客户们的青睐,但它受所钻地层、孔深和温度等因素的制约,使得钻头切削齿寿命较低。最近几年,国内外专家针对如何提高切削齿性能开展了诸多研究,并取得了不少成绩。主要介绍了美国史密斯钻头的2项最新PDC切削齿技术——锥形聚晶金刚石复合片和ONXY 360旋转切削齿。实钻试验表明,采用这2种新型切削齿技术的PDC钻头,钻进效率和寿命都有了明显提高。     

矿用大直径钻孔连杆式回拉扩孔钻头研发及应用

针对大直径钻孔成孔存在需多次提钻、钻孔轨迹难以控制、施工效率低的问题,设计了一种可开闭的φ300/153 mm连杆式回拉扩孔钻头,通过调节泥浆泵流量使刀翼在正常钻进过程中处于闭合状态,至目的地层张开实现提钻作业与回扩作业同时进行。详细介绍了连杆式回拉扩孔钻头结构及原理,分析了回拉扩孔钻头开闭机构的力学特性,得到了刀翼所受力矩与切削刀翼张角、曲柄长度、连杆长度和偏心距等因素有关;确定了偏心距及活塞行程,通过理论分析方法得到了使钻头开闭机构具有最佳传力性能的连杆及曲柄尺寸组合以及刀翼所受的推动力矩变化规律;基于自由水射流模型,提出了水流对活塞的推力计算方法,得到了泥浆泵达到最大流量时水流对活塞的推力,并给出了影响切削刀翼张开和复位的关键部件复位弹簧的设计计算。研制的钻头在煤矿井下进行了试验,现场结果表明:φ300/153 mm连杆式回拉扩孔钻头能够实现正常钻进保持φ153 mm钻孔钻进,回拉扩孔时实现φ300 mm钻孔回扩;钻进过程中切削刀翼开闭灵活,钻头钻进稳定、可靠性高,验证了连杆式回拉扩孔钻头结构设计及适用于普通非联络巷大直径钻孔成孔施工工艺的可行性。     

地浸砂岩型铀矿弹塑性致密泥岩钻头的研究与应用

针对北方地浸砂岩型铀矿超过400 m钻孔钻进中弹塑性致密泥岩钻进效率低的问题,研究试验了钻头,提高了钻进效率,总结了操作技术.用φ104 mm中八角阶梯肋骨钻头钻进较软弹塑性致密的光滑的红褐色、浅绿色"打滑"泥岩;用φ104 mm中八角阶梯肋骨钻头钻进较软弹塑性致密的灰色致密泥岩;用φ104 mm交错式圆片状复合片钻头钻进脆性较大的黑灰色弹塑性致密泥岩;用φ104 mm交错式圆片状复合片钻头钻进灰白色脆性较大的弹塑性致密泥岩;用φ104 mm双环式齿形复合片钻头钻进弹塑性致密硬泥岩.     

套管钻进用可提式扩孔钻头设计

为解决通过丢弃钻头或钻穿钻头方法进行贯通或后续施钻的套管钻井工艺存在的问题,设计一种可提式扩孔钻头,配以小直径全断面钻头形成两级切削机构,穿越破碎带后从套管内提出切削机构,使后续深孔钻进作业得以继续。阐述了组成可提式扩孔钻头的3个机构:安装定位机构、切削翼及切削翼展开锁定机构,说明各机构的工作机理;详细介绍可提钻进工艺整个作业流程:可提式扩孔钻头的固定安装、切削翼展开、套管孔段扩孔钻进、下放提钻钻杆、切削翼收拢以及从套管中提取出两级切削机构,介绍了可提式扩孔钻头收拢和展开状态的切换过程;并给出影响可提式扩孔钻头的稳定性、可靠性的关键部件弹簧的设计计算。所设计钻头在煤矿井下进行试用,现场结果表明:切削时,展开的切削翼被牢牢锁定,提取时,切削翼收拢顺畅,且切削能力强、可靠性高,验证了可提式扩孔钻头结构设计及可提钻进工艺的可行性。可提式钻头还可用于井下封孔钻进工艺,具有良好的经济效益。     

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。