凸脊型非平面齿PDC钻头的研制与现场试验

常规PDC钻头在钻进塔里木油田库车山前巨厚砾石层时存在破岩效率低、机械钻速慢和钻井周期长等问题,分析认为,砾石对常规PDC钻头的平面齿产生较大冲击力导致切削齿崩齿或严重磨损是钻速低的主要原因。为此,设计了一种凸脊型非平面齿,并研制了配套PDC钻头,将钻头破岩方式由常规PDC钻头的面切削转变为线压裂和面挤压,大大提高了钻头破岩效率。室内试验表明,凸脊型非平面齿具有良好的抗冲击性能与抗研磨性能,抗冲击性能是平面齿的10倍以上。2只凸脊型非平面齿PDC钻头在库车山前地区博孜区块某井砾石层井段进行了现场试验,创造了机械钻速最高、单只钻头进尺最长的区块纪录,与邻井常规PDC钻头相比,进尺提高1.5倍以上,平均机械钻速提高64%以上,提速效果明显。研究与试验表明,凸脊型非平面齿PDC钻头能够较好地满足库车山前巨厚砾石层高效钻进的要求,可为库车山前深层天然气的高效勘探开发提供了技术支持。      

导向钻井与斜井段控制

复合钻井是当今钻井技术的新趋势,在定向井施工中的优势主要在于:1.运用导向钻井在定向施工中的连续性,简化定向施工程序,提高钻机实效;2.优选高效钻头,配合复合导向钻井的高转速、低钻压施工方案,提高机械钻速。牙轮钻头钻进到中下部稍硬地层后,因牙轮磨损严重钻时慢,且存在缩径现象,而PDC钻头在洛河地层机械钻速高,钻头磨损极小,无缩径,但在延8以下的地层使用时,其保径齿破坏严重,钻时降低,不能在全井段的施工,但总体效果PDC比牙轮钻头好。其主要体现在以下几点:1).PDC钻头不存在掉牙轮的隐患,施工安全2).PDC钻头适应高转速.低钻压施工方案,机械钻速较高3).PDC钻头磨损小,单只钻头可以多口井用钻进速度的提高另一方面还取决于斜井段控制的好与坏,斜井段控制好了,钻进速度也就大大提高了。     

复合PDC钻头成功钻穿多夹层地层

PDC钻头在钻井破岩中所占比例越来越大,但在软硬交错的多夹层地层钻进时效果却不理想。介绍了一种复合式PDC钻头,该钻头在多夹层地层钻井施工中取得了较好的试验效果。与同地区同井段使用的H517牙轮钻头相比,复合PDC钻头机械钻速提高30%以上,寿命长,进尺提高1倍以上,成本降低20%以上,并有防斜、纠斜等特点,对加快油田勘探开发速度、降低钻井成本有重要的意义。     

山前构造砾石层大尺寸钻头优化设计及现场试验

塔里木盆地天山南探区为山前构造,钻井地质环境复杂,3 000 m以浅地层含有大段砾石层,可钻性差。为此,在深入分析砾石层物性特征的基础上,有针对性地设计了适合于砾石层的660.4和444.5 mm牙轮钻头和适合于微砾石层的444.5 mmPDC钻头。设计牙轮钻头时,通过优化钻头齿高、齿长及齿顶宽,调整布齿密度,及采用螺旋式双稳定掌背、滚滑复合轴承、中心喷嘴和中长喷嘴等方式,以增强钻头的攻击性,提高钻进效率和工作的稳定性;设计PDC钻头为7个喷嘴,采用耐磨性和抗冲击性较好的19.0 mm复合片和中低布齿密度、肩部双排齿结构、加强保径,以期在较低钻压下提高钻头的破岩效率。设计的3种钻头在天山南探区库2井一开、二开井段进行了现场试验,结果表明:与邻井实钻数据相比,660.4 mm牙轮钻头钻速和单只钻头进尺分别提高84.62%和445.04%,444.5 mm牙轮钻头和PDC钻头的钻速分别提高46.15%和128.85%。在大北、克深两地区3口井的推广试验结果也表明,660.4 mm牙轮钻头可大幅提高机械钻速、节约钻时。综合分析各试验井数据认为,设计的3种钻头适合于在山前构造探区砾石层钻井,且提速提效明显。      

塔河油田沙3区块水平井钻井技术

通过对塔河油田沙3区块已完成的5口水平井的总结分析,认为该区块水平井钻井过程中存在地层可钻性差、地温梯度高、造斜点浅、PDC钻头复合钻进时增斜规律性不强等技术难题,从井身结构优化、钻井液优选、应用"PDC钻头 螺杆"钻进等方面介绍了5口水平井钻井所采取的主要技术措施,并给出了相应的钻具组合、钻井液维护处理及工程技术措施,指出应加强钻具造斜性能的统计分析及PDC钻头的应用,进一步优化井身剖面,优化技术措施,以提高机械钻速,缩短钻井周期,从而提高该区块水平井钻井的综合经济效益。     

防涡PDC钻头的研究与应用

文章介绍了PDC钻头的发展现状和对地层的适应性情况,岩层的耐磨性、可钻性和钻头的布齿方式、布齿密度、复合片切入地层角度等是对PDC钻头钻进影响最大的因素。分析了PDC钻头的涡动形成机理,介绍了防止钻头涡动的方法。针对钻头稳定钻进的需求,对PDC钻头进行了防涡优化设计,现场使用结果表明,防涡PDC钻头能缩短钻井周期,提高钻井速度,延长使用寿命,钻进过程十分稳定,对井斜的控制取得了比较理想的效果。     

仿生耦合聚晶金刚石复合片钻头

基于仿生耦合理论设计了仿生耦合聚晶金刚石复合片(PDC),通过摩擦磨损实验研究其性能,制备出仿生耦合PDC钻头并将其用于现场试验。以自然界生物(竹子、人类牙齿、贝壳、树木年轮、蝼蛄等)为仿生原型,从聚晶金刚石和硬质合金材料、聚晶金刚石-硬质合金交接面结构及聚晶金刚石表面非光滑形态3方面入手设计仿生耦合PDC,并开展室内摩擦磨损实验。结果表明:与同尺寸的常规PDC相比,仿生耦合PDC磨耗比提高约18.4%,磨损砂轮速度提高约1.67倍,耐磨性和切削效率都显著提高。现场钻井试验中,根据地层情况和井身结构设计制备了仿生耦合PDC钻头,并与邻井同层常规PDC钻头进行了对比。结果表明:仿生耦合PDC钻头的机械钻速约为常规PDC钻头的2.5倍,可大幅缩短钻井周期、节约钻井成本,经济效益显著。     

PDC钻头在普光10井空气钻井中的应用

长期以来人们一直认为,在气体钻井中PDC钻头机械钻速没有牙轮钻头高,而且气体散热能力差,易损坏PDC钻头的复合片而使钻头早期失效,因此,在气体钻井中绝大多数使用牙轮钻头。在普光10井空气钻井中应用PDC钻头,主要目的是验证PDC钻头的适应性,并探索在高陡构造、岩石可钻性差的地层控制井斜和提高钻井效率的方法。在该井空气钻井施工中,利用PDC钻头加较低的钻压便可获得较高机械钻速,配套应用塔式防斜钻具,达到了有效控制井斜和提高钻井效率的目的,最大井斜2.59°,比邻井空气钻井井斜小13.6%~75.4%,PDC钻头钻进进尺1517.08m,机械钻速8.63m/h,比邻井普光101井机械钻速高67.1%。通过分析认为,气体的散热效果并不是影响PDC钻头寿命的根本原因,而只影响井眼环空的畅通和单位时间通过钻头的气量;PDC钻头+塔式钻具可有效地控制井斜,提高钻井效率。     

新型多重复合切削钻头的研制

为提高钻头在研磨性硬地层中的机械钻速,延长钻头寿命,研制了新型多重复合切削钻头。该钻头采用"PDC复合片+锥形PDC齿+金刚石孕镶块"3级切削结构,以PDC复合片作为1级切削元件、以锥形PDC齿作为2级切削元件,以金刚石孕镶块作为3级切削元件。多重复合切削钻头具有PDC钻头、牙轮钻头和孕镶金刚石钻头的优点,使钻头既具有较高的机械钻速,又能保持较长的寿命。在青海东坪地区基底花岗岩地层的现场试验中,新型多重复合切削钻头进尺137 m,纯钻时间114.9 h,机械钻速1.19 m/h,比同井段HJ537G牙轮钻头进尺提高128.3%,机械钻速提高40%。多重复合切削钻头为强研磨性硬地层钻井提速提供了一种新型高效的破岩工具。     

钻头扭转冲击器在元坝10井的试验

针对川东北地区尤其是元坝地区陆相下部地层常规钻井机械钻速低、单只钻头进尺少的难题,在元坝10井进行了“钻头扭转冲击器+PDC钻头”钻井试验,试验井段3233.30～3503.82 m,进尺270.52 m,纯钻时间81.0 h,平均机械钻速3.34 m/h,与同地层牙轮钻头钻进相比机械钻速提高3.04倍,与该井“螺杆+PDC钻头”复合钻进相比机械钻速提高2.59倍,PDC钻头工作寿命延长53 h。试验结果表明,钻头扭转冲击器配合PDC钻头钻井可解决复杂地层钻头寿命不高和机械钻速低的难题,拓宽了PDC钻头的应用范围。介绍了钻头扭转冲击器的技术背景、工作原理、特点和技术参数及在元坝10井的试验情况。      

元坝陆相高压致密强研磨性地层钻井提速技术

针对元坝气田陆相深部自流井组和须家河组地层岩性致密、硬度高、研磨性强,牙轮钻头进尺少、寿命短,以及综合效益低的问题,通过分析地层的可钻性、钻头的破岩原理,结合现场实钻情况优选高效钻头,并根据钻头与钻井工具的合理匹配原则优选合适的动力钻具,进行了"进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮"复合钻井技术、"国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆"复合钻井技术和牙轮-PDC混合式钻头钻井技术现场试验。以钻头每单位进尺消耗的比能作为选择钻头的依据,并应用盈亏平衡理论对3种钻井技术进行了经济评价。现场试验结果表明:高压致密强研磨性地层首选"国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆"钻井技术;砾石含量高的珍珠冲组地层推荐采用"进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮"复合钻井技术;砂泥岩互层较多的高压致密地层推荐采用牙轮-PDC混合式钻头钻井技术。经济评价结果表明,元坝气田应用"国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆"钻井技术的经济效益最高,其次是牙轮-PDC混合式钻头钻井技术,"进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮"复合钻井技术最差。      

基于钻速模式的PDC钻头切削齿磨损监测新方法

为了对PDC钻头切削齿的磨损程度进行实时定量监测,优选了适合PDC钻头的钻速方程,通过分析切削齿切削轨迹长度、切削齿磨损体积及机械钻速之间的关系,建立了相对磨损系数的迭代模型,提出了随钻PDC钻头切削齿磨损监测新方法。以玉门油田、青海油田及西南油气田使用PDC钻头所钻井的测录井数据为基础,对模型进行了验证。分析结果表明:基于钻速模式的PDC钻头切削齿磨损监测新方法计算的相对磨损系数与起钻后实测的钻头磨损数据较为接近,计算值与实测值的平均相对误差为11.60%;新方法能够较准确地对PDC钻头切削齿的磨损程度进行检测,为及时调整钻井参数、复杂地质情况预警和更换钻头提供依据。所得结论可为随钻PDC钻头的磨损程度判断提供参考。     

斧形齿PDC钻头的研制及其在东海的应用

东海多口井所用PDC钻头在深部地层钻进过程中出现了机械钻速低、进尺少的情况,钻头起出后发现PDC钻头切削齿磨损严重.为此,在详细分析东海深部地层所用PDC钻头使用情况的基础上,对PDC钻头进行机械设计和水力设计.在机械设计优化时,根据设计三原则和力平衡原则,从钻头冠部轮廓、布齿设计两方面对钻头机械结构进行优化.在水力设...     

南海文昌区块深部地层旋转切削齿PDC钻头提速技术

针对南海西部海域文昌区块深部地层常规固定齿PDC钻头磨损严重、机械钻速较低的问题,研究了旋转切削齿PDC钻头提速技术。分析了文昌区块深部地层的钻井难点,基于地层和钻头磨损特征分析结果,用旋转切削齿代替常规PDC钻头肩部高磨蚀区的固定切削齿,并优化布齿,形成了适用于文昌区块深部地层的旋转切削齿PDC钻头,并在文昌区块3口探井进行了应用,结果表明,该钻头提速效果明显、单只钻头进尺长且出井钻头磨损评价良好。研究认为,旋转切削齿PDC钻头兼具攻击性和耐磨性,可有效提高南海西部海域文昌区块深部地层的机械钻速,建议在该区块和类似强研磨性地层推广应用。      

用于含砾石且软硬交错地层的新型PDC钻头设计

PDC钻头用于软到中硬的均质地层钻进具有钻速高、寿命长等特点 ,但不适合含砾石地层和软硬交错地层。鉴于此 ,针对含有砾石和软硬交错地层的特点 ,提出了混合切削结构设计 ,并制造了新型PDC钻头 ,在含砾石的地层和软硬交错地层中取得了较好的使用效果。混合切削结构增强了PDC钻头的使用可靠性和穿越砾石层的能力 ,减轻了切削齿的先期损坏。用 1只新型PDC钻头可以钻成 1口 2 5 0 0m以浅的中深井 ,减少了起下钻次数 ,缩短了建井周期。     

玉北地区深部地层扭力冲击器提速工艺

新疆玉北地区古生界沙井子组地层埋深4 000 m以上,岩石强度高;加之泥质岩含量高、塑性强,地层可钻性较差,提速困难。前期实践表明,沙井子组高塑性地层牙轮钻头的纵向冲击压碎破岩效果不佳,常规PDC钻头钻井反扭矩大,易产生“黏滑”现象,破岩效率低。为提高机械钻速,降低钻井综合成本,引入了国外的新型钻井提速工具——TorkBuster扭力冲击器,并通过匹配个性化PDC钻头、提高钻井液排量、合理控制钻压等配套技术措施,大幅度地提高了平均机械钻速。“PDC钻头+螺杆钻具”、“孕镶PDC石钻头+涡轮钻具”和“PDC钻头+扭力冲击器”3种钻井工艺的现场试验结果表明,扭力冲击器提速效果明显,平均机械钻速为6.42 m/h,与前期相比机械钻速提高了2~3倍。扭力冲击器钻井克服了深井高强度塑性地层的钻井难题,可进一步推广应用。     

适用于特定地层的PDC钻头个性化设计

破碎性地层的井下掉块常常导致常规设计的PDC钻头出现卡钻现象,严重的甚至会造成钻头掉齿、断刀翼等井下事故,严重影响了PDC钻头的推广使用。为此,对Φ215.9 mm六刀翼PDC钻头进行了全面改进设计：冠部形状为“直线-圆弧-直线”,相邻刀翼之间夹角约为60°;主切削齿直径为16 mm且按照“中密度”方式布置;将刀翼尾部的保径块整体上移一定距离,且4个保径块围绕钻头轴线成90°。之后采用PDC钻头数字化钻进仿真系统和CFD软件对设计方案进行了力平衡和井底流场优化分析：优化布齿参数的钻头横向力约为钻压的3.9%;高的流速分布在1号、5号刀翼工作面鼻部位置及2号、3号、4号、6号刀翼背面,有利于岩屑及时清除出PDC齿表面。改进后的新型Φ215.9 mmPDC钻头在吐哈油田破碎性地层中应用总进尺1 339 m,与邻井同井段相比,节约了5次起下钻工作量和作业时间,钻头出井后,仅两颗齿损坏,其余PDC齿磨损均衡,冠部冲蚀情况与钻头的井底流场分析的结果完全吻合,说明PDC钻头的个性化设计能够为此类地层钻井提速提供切实可行的技术思路。     

临盘油田PDC钻头防斜打快钻具组合优化及应用

临盘油田地层软硬交错频繁,直井井斜问题突出、钻井效率低。为了充分发挥PDC钻头在软到中硬地层中钻速和进尺方面的优势,在提高钻速的同时确保直井防斜打直,应用钻头与地层相互作用模型,以钻进方向角作为钻进趋势判别指标,模拟分析了稳定器位置和钻压对钻进趋势的影响规律,优化设计出了适用于临盘油田直井的PDC钻头防斜打快钻具组合,并对钻压及钻头转速进行了优选,钻压优选为50~70 kN,钻头转速优选为100 r/min以上。PDC钻头防斜打快钻具组合在临盘油田7口井进行了现场应用,结果表明,该钻具组合防斜打直效果好、钻进速度快、起下钻次数少、钻井成本低,能够满足临盘油田直井或定向井直井段防斜打快的要求。      

非均质地层锥形辅助切削齿PDC钻头设计与试验

为了提高PDC钻头在非均质地层中的机械钻速和延长钻头使用寿命,研制了带有锥形辅助切削齿的PDC钻头。该钻头以PDC齿为主切削元件,锥形齿和PDC齿为副切削元件,开始工作时以PDC切削齿剪切破岩为主,当PDC切削齿吃入地层到一定程度后,锥形齿开始犁削岩石形成裂纹,有助于PDC齿以较小切削力破碎岩石;相邻2个刀翼的后排齿分别布置锥形齿与PDC齿,用于钻头钻进后期的提速提效,既具有常规PDC钻头破岩效率稳定的特点,又具有锥形齿在非均质地层破岩效率高的特点。现场试验表明,与常规PDC钻头相比,锥形辅助切削齿PDC钻头在非均质地层中使用寿命长、机械钻速高。锥形辅助切削齿PDC钻头的成功研制,为钻进非均质地层提供了一种新的高效破岩工具。