复合齿形牙轮钻头及其破岩机理研究

针对现有牙轮（钢齿、镶齿）钻头已难以对一些复杂地层进行有效钻进这一现状，根据对牙轮钻头破岩机理的新认识，研制了一种新型复合齿形牙轮钻头。该新型钻头是一种具有新型齿面结构的牙轮钻头，其牙轮上的牙齿由齿形齿和盘式齿复合而构成，并且各牙轮上齿形齿和盘式齿的布置方式可根据硬地层等复杂地层的特性和钻井要求进行调整。两种齿对岩石的破碎作用将会互相影响，使得破碎岩石更加容易。为此，概述了国内外在复合齿形牙轮钻头方面所做的研究工作，并详细分析了这种新型钻头的结构特点和破岩机理，指出要研制出具有良好性能的复合齿形牙轮钻头，主要应从破岩机理、布齿方法与齿面结构、齿面强化工艺、钻头整体性能台架试验及复合齿形牙轮钻头结构设计等方面进行深入研究。     

类盘式牙轮钻头破岩机理实验研究

基于盘式钻头破岩机理和镶齿牙轮钻头牙齿材料及固齿特点,提出了针对硬地层的类盘式牙轮钻头技术构想。开展了斧形齿、楔形齿及锥形齿的单齿压入实验、齿圈破岩实验以及类盘式牙轮钻头室内钻进实验。实验结果表明,类盘式钻头的破碎坑井底周向覆盖率高于牙轮钻头,提高了破岩效率,同时避免了盘式钻头因与岩石接触区域大而造成的分压现象,提高了与岩石之间的接触应力,其侵入岩石的能力大幅度增强。因此,类盘式钻头是一种有望在硬岩钻进中比盘式钻头更有效的破岩工具。     

能减少钻井成本的软地层钻头

现代三牙轮硬质合金镶嵌齿钻头在硬地层和中硬地层里使用很有效。但由于其固有的设计上的限制,在软地层或粘性地层中钻进时不大理想。一种新型的两牙轮钻头(具有硬质合金镶嵌齿、密封滑动轴承和加长水眼)已经设计出来供在软地层钻进时使用以降低钻井成本。该种两牙轮钻头的有效的水眼系统,强有力的切削齿和长寿命的轴承已在实验室试验和现场使用中显示出优越性。这种钻头对于解决在软地层中钻井的问题具有重要意义。     

大直径牙轮钻头改型问题的研究

本文从现场钻井地层及钻头使用情况入手，详细分析了硬塑性地层钻进机械钻速低的原因，并针对该地层岩石硬度随井深增加而增加的特点，提出了φ４４４．５牙轮钻头的改型方案，采取改变齿形、改变牙齿布置、改进钻头水力设计等，为设计新型牙轮钻头提供了一条新的思路。     

对牙轮钻头固齿工艺的探讨

牙轮钻头在我国各油田早已广泛使用,但过去主要是钢齿钻头。近几年来,镶齿钻头也广泛使用,尤其是引进镶硬质合金齿、滑动密封轴承喷射式钻头(即四合一钻头)以后,钻井速度大幅度提高,使用寿命成倍提高,它是高效率破碎岩石的重要工具。我国镶齿牙轮钻头是在钻井的实践中产生的,它是随着生产的发展而发展。七十年代以前,钢齿钻头在硬地层和研磨性强的地层中钻井十分困难,虽然钢齿上敷焊有莱立特耐磨合金,但仍然不耐磨。例如在川南香溪统粉砂岩、石英砂岩地层中,一只中硬钢齿钻头仅用几个小时,钢齿就磨光了,进尺只有几米。为了高速度开发油气田,就要提高钻井速度,首先要攻克硬地层和研磨性强的地层,要求制造出适应这类地层的硬钻头。国外是1951年第一次试制出镶硬质合金球形齿钻头,在坚硬和研磨性强的地层中进尺成倍提高。近几年来,镶齿钻头已发展成完整系列,它可适应从软、中软到坚硬的各类地层,再加上配有良好的滑动密封轴承和高压喷咀,从而形成当前在世界上钻井效率最高的钻头。     

特种孕镶块加强PDC钻头的研制与试验

为提高PDC钻头在研磨性硬地层中的机械钻速、延长钻头寿命,研制了特种孕镶块加强PDC钻头.该钻头以PDC切削齿为主切削元件,天然金刚石孕镶块为副切削元件,既具有常规PDC钻头破岩效率较高的特点,又具有孕镶金刚石钻头在研磨性硬地层寿命长的特点.在钻头开始工作时,主要为PDC切削齿"犁切"式破岩,当PDC切削齿磨损到一定程度后,天然金刚石开始磨削岩石,形成"犁沟",有助于 PDC切削齿吃入并切削岩石.该钻头在东北金山气田金古 1-1HF 水平井基底花岗岩硬地层进行了现场试验,平均机械钻速达到4.46 m/h,是同井同地层常规PDC钻头机械钻速的1.5倍,是2口邻井同井段牙轮钻头和常规PDC钻头机械钻速的2倍以上,其使用寿命也达到2口邻井同井段牙轮钻头和常规PDC钻头的2倍以上,取得了良好的现场应用效果.特种孕镶块加强PDC钻头的成功研制,为钻进强研磨性硬地层提供了一种新的高效破岩工具.      

硬质合金镶齿钻头的几何尺寸

最近几年在石油钻头的改进方面有了很大进展,这些进展主要集中在密封轴承硬质合金镶齿钻头上.自从二十世纪初生产了第一批牙轮钻头以来,各制造厂曾不断地发展了一些新设计并提高了牙轮钻头的操作性能。这些制造厂曾为各种井径和地层提供了大量的钢齿钻头.这些钻头基本属于软、中硬和硬地层三种类型。在满足这三类钻头的要求时,钻头的设计必须尽量利用轴承、齿和牙轮所占有的空间,使他们的尺寸互相适应。     

6″密封滑动轴承合金齿三牙轮钻头

四川省石油管理局成都总机厂以前制造的6〃滚动轴承合金齿三牙轮钻头(型号为6BJY和6AJY),在一些地区硬地层中使用,每只钻头平均进尺只有12～13米。为提高钻头质量,该厂又研制出6〃密封滑动轴承合金齿三牙轮钻头(型号为川_2H—6BX),使用效果良好,并成批生产。     

二次冲压成型钢齿牙轮钻头在复杂地层中的应用

段六拨油田Ф215．9mm井段需要钻穿明化镇组、馆陶组、东营组、沙河街组及孔店组地层，其中馆陶组地层因富含研磨性很强的砾石，对PDC钻头和普通钢齿牙轮钻头的破坏性很大，只能应用镶齿牙轮钻头钻进。该油田通常采取用1～2只普通钢齿牙轮钻头钻穿明化镇地层，然后用1只镶齿牙轮钻头钻穿馆陶组地层的措施，导致应用钻头数量较多、起下钻时间及钻井周期较长。为此，该油田在Nan203 Dir井试验应用了Ф215．9mm TuffCutter^TM新型钢齿钻头TC11，成功地实现了用一只牙轮钻头钻穿明化镇组及馆陶组地层，达到了减少钻头使用数量、缩短起下钻时间及钻井周期、降低钻井成本的目标。     

几种典型难钻地层提速方法

PDC钻头在极硬、强研磨性和软硬交错等非均质地层中,机械钻速低,使用寿命短,因此,需要采用新的钻井工具和方法解决难钻地层的钻井提速问题。针对硬脆性地层、硬塑性地层及强研磨性地层等典型难钻地层,提出了相应的提速提效钻头钻具组合方法。指出在硬脆性地层和硬塑性地层中,可分别采用液动冲击器+锥球齿金刚石钻头、扭力冲击器+尖圆混合齿钻头,以实现钻井提速;而对于硬地层定向段的提速,则可采用等壁厚大扭矩螺杆+混合钻头来实现。现场应用结果表明:这些提速提效钻头钻具组合大幅提高了机械钻速,降低了钻井成本,可推广应用。所得结论可为难钻地层的钻井提速方案选择提供参考。     

8×1/2"“二合一”钻头和人造金刚石钻头试验初获效果

为了打好井,打快井,根据四川地层的特点,我局组织了以工人为主体的,有领导干部和技术干部参加的三结合硬地层钻头攻关组,研制出适应四川硬地层需要的“二合一”钻头(即楔形硬质合金齿,贮油密封三牙轮钻头)和人造金刚石钻头。8~1/_2″“二     

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。     

楔形硬质合金齿钻头

四川地区油、气田分布范围广、埋藏深、地层坚硬、复杂。由于硬地层钻头没有过关。多年来,在四川地区钻凿油、气井,速度慢、成本高、建井周期长。此种情况与高速发展石油和天然气工业的形势,远不相适应。特别是一些岩性复杂的地层,现行系列生产的钻头中,无合适类型,钻头使用指标更低。以川南地区香溪统地层为例,这一地层主要含有胶结比较致密的石英砂岩或石英粉砂岩。岩石较硬而又具有塑性,且研磨性特别大。普通钢齿三牙轮钻头在这种地层中使用,由于钢齿不耐研磨,仅几个小时就全部磨光,平均钻头进尺仅10米左右。以后,     

盘形钻头复合破岩实验研究

在研究８１／２英寸ＸＨＰ５三牙镶齿钻头结构尺寸的基础上，设计了３种齿形参数不同的盘形钻头。在复合破岩实验机上实验了８１／２英寸ＸＨＰ５三牙轮镶齿钻头和盘形钻头各齿圈间距、牙轮刃间角、齿顶宽及牙轮轴线平移量等特性参数破岩效果的影响。实验数据统计表明，对于四川二迭系这样的极硬地层，８１／２英寸ＸＨＰ５三牙轮镶砂破岩效果并不好，钻头在有无偏移情况下钻压和扭矩都比条形齿圈的较大，而破岩体积却较小；盘形钻头     

采用新型加长喷咀牙轮钻头提高了钻速

室内和现场试验表明,装有加长喷咀和中心水眼的三牙轮钻头相硬质合金镶齿两牙轮钻头,在软地层和粘性地层中钻进时具有降低成本的巨大潜力。正当在加里福尼亚和阿拉斯加进行这方面试验时,在海湾沿岸地区也取得了同样的结果。试验证明,三牙轮铣齿钻头和硬质合金镶齿两牙轮钻头,采用加长喷咀与中心水眼组合对改善井底净化、提高机械钻速和降低每呎成本部是有效的。     

小尺寸单牙轮钻头系列

江汉石油钻头股份公司成功地开发出新型小尺寸单牙轮钻头系列产品 ,该系列产品为 O形圈密封、滑动轴承、钢球锁紧的镶齿钻头。根据现场使用情况 ,该系列小尺寸单牙轮钻头不但适用于侧钻钻井 ,而且还适用于中深井直井钻井。在钻井过程中 ,单牙轮钻头的工作扭矩比 PDC钻头在相同钻压和地层条件下要低得多 ,可减少小尺寸钻具胀扣问题 ,从而避免井下事故的发生。单牙轮钻头兼有三牙轮钻头和 PDC钻头的优点 ,同时又弥补了二者的不足。它比三牙轮钻头更适于强度和塑性同时都较大的地层 ,同时也能适用于 PDC钻头难于钻进的硬夹层和其他类型的复…     

硬地层破岩工具最新进展

钻井速度慢、钻头寿命短、钻井周期长及钻井成本高等问题是制约深部地层和复杂地质条件下油气资源勘探开发速度和效益的主要技术瓶颈。介绍了国内外在硬地层钻头和辅助破岩工具方面的最新产品和技术,包括国外Smith公司的狗骨形楔形齿牙轮钻头、孕镶金刚石钻头和采用特殊工艺制造的PDC钻头,Novatek International公司的锥形PDC钻头,Baker Hughes公司的混合钻头,Ulterra Drilling Technologies公司的扭转冲击器,Weatherford公司的环形保径稳定器,国内江汉石油钻头股份有限公司的新型牙轮钻头、中石化西南油气分公司工程技术研究院研制的异形加长齿PDC钻头,以及中国石油大学(华东)研制的脉冲振动工具及井下钻柱减振增压装置,同时分析了各产品的性能特点及硬地层破岩工具的未来发展趋势。     

用于小井眼的单牙轮钻头正在研制中

单牙轮钻头用于小井眼钻井有很多优点,如能在石灰石和硬砂层进行过平衡和欠平衡钻井,可利用大直径轴颈轴承马达钻头的技术,密封件及轴承使用寿命比三牙轮钻头长,大而坚硬的切削齿在硬地层和高载荷下工作,寿命也较长,另外其钻井转矩也比常规钻头小。因此,单牙轮钻头完全能取代三牙轮钻头和ＰＤＣ钻头,其性能更高,成本也较低。据美刊ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒ报道,美国ＲＢＩ－Ｇｅａｒｈａｒｔ公司旱期研制的第一种单牙轮钻头是４ｉｎＤ５型,设有大喷嘴柱,上有两个喷嘴,可直喷井底,但易偏离牙轮中心旋转。设计的…     

适合强研磨性硬地层PDC-金刚石孕镶块混合钻头设计与应用

为提高PDC钻头在花岗岩、石英岩等硬、超硬地层及强研磨性地层中的适用性,设计了一种前排为PDC齿、后排为金刚石孕镶块(简称孕镶块)的混合钻头,并通过室内实验对花岗岩和硬砂岩中混合钻头最优布齿方式进行了研究。实验结果表明:2种岩石中纯PDC钻头钻速均随PDC齿磨损高度的增加呈现先慢后快再慢的下降趋势,当PDC齿磨损高度超过临界值以后(花岗岩为1.0 mm,硬砂岩为0.5 mm),通过布置后排孕镶块可以再次提高混合钻头钻速,混合钻头同时具有PDC钻头破岩效率高和金刚石钻头工作寿命长的双重优点;花岗岩中钻头最优布齿方式为前排为PDC齿,后排孕镶块低于PDC主齿0.5~1.0 mm同轨布置,硬砂岩中钻头最优布齿方式为前排为PDC齿,后排孕镶块低于PDC主齿0.0~0.5 mm同轨布置。在室内实验基础上,设计2只混合钻头分别用于松辽盆地金山区块基底花岗岩和冀中雷家庄断层区块石英岩地层,现场应用表明,相比于常规PDC钻头和牙轮钻头,混合钻头具有更高的机械钻速和更长的使用寿命,有效缩短了钻井周期,节约了钻井成本,具有广阔的应用前景。     

硬地层PDC钻头设计的探讨

目前的PDC钻头只能有效地钻进软到中硬的比较均质的地层 ,而在硬的、研磨性和软硬交错等非均质地层中 ,或钻速低 ,或寿命短。为此 ,研究分析了剖面形状、切削齿布置、切削齿工作角、副切削齿等设计对PDC钻头性能的影响 ,提出了以同时加强钻头的稳定性、耐久性和钻进能力为目标的设计观点和建议。研制的新型PDC钻头采用了短抛物线形剖面和楔形人造聚晶金刚石孕镶块辅助切削齿结构 ,中密度布齿 ,切削齿后倾角由内向外在 10～ 15°范围内变化。试验表明 ,与牙轮钻头相比 ,PDC钻头钻速提高了 5 9 6 % ,每米钻井成本降低了 2 6 %。