新一代的PDC钻头——优质GeoDiamond MA—89钻头

在委内瑞拉LagodeMaracaibo地区的Ceuta油田 ,新一代的聚晶金刚石复合片 (PDC)钻头重新定义了钻井作业的效率 ,且降低了钻井成本。其独特的切削结构和PDC齿技术的进步在这一挑战应用中证明了新一代PDC钻头的优质性能     

PDC钻头新进展及发展思考

为了提高钻井破岩效率和延长钻头使用寿命,减少起下钻次数,缩短钻井周期,降低钻井作业成本,国外近年研发了一系列新型PDC钻头。分析了全球PDC钻头市场发展趋势,总结了PDC钻头新进展及现场应用情况,包括基于加工制造的新型PDC钻头、基于切削齿形状设计的新型PDC钻头、基于切削齿布齿的PDC钻头、复合PDC钻头、用于页岩储层的定向PDC钻头以及用于地质评价的微芯PDC钻头。结合我国PDC钻头技术现状,提出了我国PDC钻头需要对破岩机理、高温耐磨材料、加工制造工艺、切削齿形状、结构和个性化钻头等方面开展攻关研究。同时指出,及时了解和掌握国外PDC钻头技术的最新进展,对优化我国PDC钻头技术的发展规划和科研方向,以及加快PDC钻头的研发具有重要意义。     

休斯·克里斯坦森公司的新型PDC钻头及牙轮钻头

美国休斯·克里斯坦森公司新近推出一种称为Gerlesis XT的新型PDC钻头,能够用于钻进硬度和研磨性更大的地层。Genesis XT型PDC钻头采用了该公司的新一代切削齿和已获专利的切削深度控制技术,以便能在恶劣的钻井环境中提高钻头的稳定性和耐用性。其新一代切削齿称之为OdysseyTM系列齿,工程技术人员对齿上碳化钨基体与人造金刚石层之间的界面进行了优化,从而使这种齿的韧性大为改善。由于采用了EZSteerTM切削深度控制技术,该钻头在钻进一般性地层时更为平滑和稳定,而在钻进有夹层的地层时,其SmoothCutTM(平滑切削)技术则又能使钻头获得良好的钻进效果。另外,该新型钻头因采用了多层式金刚石层技术而具有优良的耐磨性能。这些技术的综合运用延长了钻头寿命、提高了钻井效率。     

PDC钻头技术的新进展

近年来,国外ＰＤＣ技术和ＰＤＣ钻头技术有了长足的进步,出现了许多新概念、新技术和新产品。简要介绍了几种新型ＰＤＣ切削齿,如装有两层金刚石片、可显著延长钻头寿命的ＴｅｃＭａｘ切削齿,为适应特定岩性而增加金刚石厚度、可提高新钻头耐用性的ＳｏｎｉｃＭａｘ切削齿,以及能在恶劣作业条件下增加使用寿命的ＣＬＡＷ和 ＲＩＮＧ ＣＬＡＷ切削齿。还分别介绍了近期开发出的几种新型钻头,包括根据以扭矩的有效控制为基础的双扭矩概念而设计的新一代ＰＤＣ钻头,通过重新优化钻头的机械钻速、稳定性和耐磨性之间的关系而设计的、具有独特切削结构的多（异）尺寸切削齿钻头,以及由孕镶金刚石刮刀、ＰＤＣ切削齿和热压孕镶金刚石组成的多重切削结构钻头等     

新型PDC钻头切削齿的发展

PDC钻头切削刃与钨-钴合金基体的磨损情况和较大接触应力、冲击载荷及较高的摩擦面温度引起的加速磨损，是导致PDC钻头钻遇硬的研磨性地层时磨损失效的主要原因。国外已研制出双刃齿、预倒角边缘加强齿、复合结构齿、覆盖硬质合金保护层切削齿及楔形齿等，使PDC钻头的工作性能和适应的地层范围都有了较大的进步。国内应加强破岩和磨损机理、材料及制造工艺、处理技术和切副齿的形状、结构设计等方面的研究，开发自锐性好、比较坚韧的、更耐冲击的、耐磨性更高的、受温度影响小的切削齿，进一步拓宽PDC钻头适用的地层范围。     

PDC钻头布齿参数对其强度影响的研究

为了探寻PDC钻头的主要几何参数对其强度的影响,以适应软-中硬互层岩层的三翼内凹PDC钻头为例,利用ANSYS软件建立了PDC钻头有限元分析模型,并对模型在静载荷作用下的应力、位移进行了数值分析研究,得到了齿前角、侧转角等布齿结构参数对该PDC钻头切削齿强度的影响规律。计算结果表明,齿前角和侧转角的变化对切削齿强度的影响显著,为三翼内凹PDC钻头合理设计提供了依据。最后指出采用的数值分析方法也适用于其他类型PDC钻头的强度研究。     

PDC钻头的轨迹方程及切削参数计算方法

准确计算PDC钻头切削齿的切削面积、切削体积和切削弧弧长等切削参数,对PDC钻头的优化设计和性能分析等都具有十分重要的意义。运用空间几何和数值计算理论,对PDC钻头的轨迹方程和切削参数的计算方法进行了研究。建立了描述PDC钻头在井底的几何位置及运动轨迹的坐标系统,给出了PDC钻头的运动轨迹方程和切削齿在井底的切痕曲线方程。综合考虑了钻头冠部形状、切削齿的布置、切削齿的工作角、切削齿的形状及尺寸、切削齿的相互作用及切削齿的先后次序等因素的影响,提出了切削齿的切削面积、切削体积、切削弧弧长等切削参数的数值计算     

PDC钻头异形切削齿研究进展

为满足不同硬度、强研磨性及非均质地层岩石的需要,提高钻井效率,国外一些公司在PDC钻头常规圆柱状切削齿的基础上持续创新,研发了一系列创新型几何设计的新型PDC钻头异形切削齿。介绍了脊形切削齿、楔(V)形切削齿、凿形切削齿和其他异形齿的结构和性能。个性化异形切削齿是未来发展的主要方向,深入开展常规圆柱状切削齿和各种异形切削齿混合式个性化PDC钻头的研发,对钻头的切削结构进行优化,合理布置各种切削齿,充分发挥各自的优势,以解决深部地层可钻性差导致的机械钻速慢、钻井效率低的难题。     

单牙轮钻头在齿面工作分析

根据单牙轮钻头的运动规律，首次提出了单牙轮钻头布齿面上存在牙齿与井底的永远接触区、轮换接触区和永不接触区，并从理论上对此三者作了准确的划分。在此基础上分别研究了各区牙齿在井底的工作区域，并讨论了单牙轮钻头的保径问题，提出了一级和二级保径方案。     

法国DRILLSCAN公司开发成功自钻进式钻头

法国DRILLSCAN公司通过对PDC钻头进行模拟和对单切削齿的分析，设计出新一代钻头切削结构，应用了钻进助力器专利技术，使切削齿产生纯钻进作用，在钻进方向上产生一个定向的轴向作用力，即一个与钻压方向相反的力，完成钻头的自钻进过程。     

水平井眼轨迹对气井出砂趋势及工作制度的影响

出砂是影响油气井正常生产的重要因素之一。借助FEPG有限元程序自动生成平台，建立了三维应力场弹塑性地层出砂模型，并运用有限元法计算分析了不同轨迹的裸眼井井壁周围的有效塑性应变分布规律及出砂趋势，研究了气藏压力衰竭对完井方式的影响。研究表明，水平井眼轨迹对出砂有重要的影响，同一地应力环境下向不同方位延伸的水平井在投产时应该采取不同的生产压差和不同的生产制度，水平井眼轨迹对出砂的影响程度随着3个地应力差异的增大而加剧。气藏压力衰竭对井壁的稳定性和出砂趋势都有重要影响。随着气藏压力的衰竭，井壁稳定性将变得越来越差，最终导致井筒出砂。因此，对气井完井不仅应该考虑到气藏开发初期地层的稳定性状况，而且还应该考虑到气藏压力衰竭后可能出现的井壁失稳问题。     

关于钻头轨迹形成的理论探讨

指出了现行钻头轨迹形成理论的差异之处，论述了下部钻具组合的弯曲形状对钻头钻进方向的影响，研究了下部钻具组合的弯曲形状、钻头侧向力、钻头转角等力学因素对钻头轨迹形成的影响，推导了钻头在三维各向异性地层中钻进轨迹的曲率增量表达式，模拟了平衡曲率钻进过程的基本特征。实例分析表明，用平衡曲率法预测下部钻具组合的造（降）斜特性较为准确。用本文提出的方法还模拟计算了实钻井眼轨迹，计算结果和实测吻合较好。     

古平1井井眼轨迹控制技术

古平１井是大庆油田为开采泥岩裂缝性油气藏而设计的一口水平井,针对该井所钻 青山口组地层井壁难以稳定,不同成因的裂缝易喷、易塌、易卡,以及工具造斜率不确定等难点,给出了井眼轨迹的总体设计及施工方案。     

金侧平6井井眼轨迹控制技术

介绍了大庆油田在φ１４０ｍｍ套管内开窗侧钻的第二口科学试验水平井－金侧平６井的工程设计与现场施工情况,包括井身剖面设计、套管段铣、井眼轨迹控制等问题。重点介绍了其井眼轨迹控制技术。该井的成功,为在大庆油田推广应用短半径水平井钻井技术奠定了基础。     

定向井轨迹误差模型研究

井眼轨迹测量过程中存在测量误差,为实现井眼轨迹科学可靠的还原,针对测斜仪测量误差推导出应用于定向井测量环境的误差模型,为促进救险井相交和丛式井防碰提供可靠依据。用实测数据进行计算机仿真,优化后的模型应用到陀螺测斜仪测量数据后,井眼坐标系3个方向的椭球半轴长度都随着测深的增加呈增长趋势,符合测量误差传播的一般规律。研究给出的概率为73.9%的概率密度椭球可真实反映测斜仪在测量过程中存在的测量误差。     

井眼轨迹对水平井产能的影响

一般情况下,实际完钻的水平井并不是绝对水平的,井眼轨迹成波浪状起伏。当井筒弯曲程度较大时,采用常规水平井产能公式进行计算会产生较大的误差,因此有必要对这种水平井的产能特征做深入分析。文中将井眼轨迹弯曲的水平井近似认为是由一系列斜直井组成的连续结构,通过在垂直井产能公式中加入井斜拟表皮系数和部分穿透拟表皮系数2项参数修正,建立了各向异性油藏中斜直井的产能公式,并将该公式与Joshi水平井产能公式的计算结果进行了对比,研究了井眼轨迹弯曲对水平井产能的影响规律。结果表明,当地层各向异性较强时,井眼轨迹的弯曲可以克服垂向渗透率低的不利地质因素,保证水平井获得较高的产量,并且此时水平井的产能随着弯曲段倾斜角的增大而增大;当地层各向异性较弱时,井眼轨迹的弯曲会降低水平井的产能。      

井眼轨迹控制工具内偏心环啮合与运动轨迹模拟

偏心环是高造斜率井眼轨迹控制工具造斜的核心部分。精确控制内、外偏心环是高造斜率井眼轨迹控制工具轨迹控制精度高、井眼净化好等诸多优异性能的保证。为此,通过运用SolidWorks Motion动态模拟,对内、外偏心环的理想工作状态和实际工作状态分别进行仿真和对比分析,得到偏心环的实际运动轨迹和内偏心环啮合尺寸的内在联系,指出开孔直径与螺栓直径的差值应该大于整个偏心机构的偏心距才不会干涉,从而选择出高造斜率井眼轨迹控制工具最佳的内偏心环驱动啮合尺寸。该项研究结果对高造斜率井眼轨迹控制工具的优化设计具有重要意义。     

凝析气藏压裂返排过程中液锁对产能的影响

在对低渗透凝析气藏采取压裂措施时,压裂后的返排过程影响到液锁对地层的伤害程度。建立了凝析气藏压裂后返排模型和凝析气藏压裂后的产能模型,利用该返排模型可以确定出压裂返排过程中裂缝和地层内的压力分布,结合产能模型可以确定出不同返排速度时两种液锁现象对产能的影响。同时结合实例分析了返排速度对产能的影响,为优化凝析气藏压裂后的返排过程提供了理论依据。     

气体钻井环空岩屑颗粒碰撞对井壁稳定性的影响

在气体钻井条件下,井壁失稳的可能性更大,其原因之一是由高速上返的气流携带的岩屑与井壁碰撞所引起的.在流体力学基础上,对气体钻井流体环空流动做了一定的简化,建立了气体钻井流体环空流动模型,推导出了固相颗粒在环空中的理论最大速度;建立了环空固相颗粒碰撞模型,得到了环空岩屑颗粒碰撞的最大剪切应力和最大静摩擦力;将由原地应力产生的应力与环空岩屑碰撞产生的最大剪切应力叠加而求得了井周应力,运用Mohr-Coulomb强度准则分析了气体钻井过程中井壁的稳定性.研究结果对选用气体钻井应用井段和预测井壁岩石的稳定性具有一定的指导意义.     

五段制定向井轨迹控制技术实践

通过对华北油田岔河集地区近几年来几十口定向井五段制开眼轨迹控制情况进行分析，总结出一套如何打好打快五段制定向井的经验，并且分井段指出了控制要点。本文可供从事定向井工作的现场技术人员参考。