复杂地层PDC钻头研究

常规PDC钻头在岩石疏松、结构松散、无规律含砾、软硬交错等复杂地层中钻进时受力不均,导致钻头平均机械钻速低,钻进困难,难以满足高效钻井要求。针对这一现象,重新对PDC钻头的布齿方式、冠部头型、水力结构、钻头稳定性等方面进行个性化设计。在复杂地层应用情况表明,所设计的钻头极大地提高了钻进速度,减少了起下钻次数,缩短了钻井周期,有效地预防了钻井事故的发生,节约了钻井成本,经济效益显著。     

定向用新型PDC钻头研制及现场试验

针对常规PDC钻头用于定向施工时,扭矩大,工具面不稳定,所加钻压较小,机械钻速低的情况,提出了研制新钻头的各种考虑因素,并研制出了一种定向用新型PDC钻头,现场应用表明,它具有抵扭矩、长寿命、破岩效果好等特点。     

南堡油田深部地层微心PDC钻头个性化设计与应用

南堡油田东三、沙河街深部地层压实程度高,岩性复杂,泥岩胶结致密、研磨性强,可钻性差,导致常规PDC钻头机械钻速低。在深入分析该地层岩石力学性质基础上,开展了微心PDC钻头的研制。该钻头中心区域不布置切削齿,即采用无心轴式特殊结构,平内锥、宽冠顶、加长外锥设计,将更多的能量分配给承担更多工作的切削结构,提升切削齿的有效比钻压,提高破岩效率。现场应用十余井次,平均机械钻速8.7 m/h,同比提高40%以上,单只钻头平均进尺470 m,同比提高一倍以上。研究成果为南堡油田深部地层及其他类似地层钻井提速提供了新的思路和方法。     

偏心PDC钻头的研制和应用

江汉油田下第三系潜江组盐层特别发育,从潜一段到潜四段存在着大段盐岩,油浸泥岩,泥岩组成的韵律层段,以前使用牙轮钻头及常规ＰＤＣ钻头钻井该类地层,频繁地发生缩径和卡钻事故。使用偏心ＰＤＣ钻头在流动性盐岩地层中钻进,因偏心ＰＤＣ钻头能钻出超尺寸井眼,没有发生卡钻头和下部钻具组合的事故,提高了钻井速度,降低了钻井技术。     

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 %。     

PDC钻头选型新方法

采用综合方法,把由常规测井资料评价出来的地层岩石力学诸参数综合成一个值,作为评判待钻地层可钻性的标准。在此基础上,综合考虑了对PDC钻头应用效果影响较大的抗压强度和岩石内摩擦角这2个岩石力学参数,并结合研究区块PDC钻头使用记录,优选出适合待钻地层的PDC钻头型号。现场试验证明,该方法简单易行,应用效果良好。     

新型PDC钻头设计与现场试验

为充分发挥PDC钻头在软到中硬地层钻进时钻速高、寿命长的特点,同时减少大尺寸PDC钻头钻进扭矩大的不足,进行了PDC钻头新型结构研究,以提高深井大尺寸井眼钻井速度。针对深井开孔尺寸较大的特点,对PDC钻头几何结构和切削结构进行了分析研究,提出了新型切削结构理论——钻扩型切削结构,该结构特点可降低PDC钻头的破碎功,改变切削力的分布,从而达到提高钻速、减小扭矩的目的。根据该理论设计、制造出的PDC钻头,在上部地层的大尺寸井眼钻进中取得了较好的应用效果,扩大了PDC钻头的应用范围。现场试验结果证明,新型切削结构设计降低了钻进大尺寸井眼的扭矩,合理地分配了破碎能量,提高了钻头稳定性和钻柱的抗振性,降低了钻头回旋趋势,从而达到较高的机械钻速和较好的定向控制。     

用修正的西格玛法预测使用PDC钻头时的地层压力

本文主要介绍西格玛法的修正模式和华北油田用这种模式在使用ＰＤＣ钻头时的应用情况。     

西峰油田PDC钻头优化设计及应用

PDC钻头已在全国大多数油田被广泛使用,但在西峰油田的使用效果一直不理想。针对西峰油田地层软硬交错,夹层较多的特点,对PDC钻头的冠部剖面形状,切削齿尺寸,切削齿布置,切削齿工作角及钻头水力结构进行优化设计,并采用力平衡设计使钻头具有更强的稳定性。现场试验证明优化设计的钻头与牙轮钻头相比,机械钻速高,进尺多,对降低钻井成本有积极的意义。     

PDC钻头力学模型的试验研究

利用PDC切削齿在不同性质的岩样上进行切削试验，研究了切削参数(切削面积和接触弧长)、后倾角、岩石可钻性等主要因素对PDC切削齿受力的影响规律，建立了PDC切削齿综合力学模型。并在受力分析的基础上，建立了PDC钻头受力计算模型。实例计算表明，计算结果与实钻参数有较好的一致性。这为PDC钻头优化设计和性能模拟提供了理论依据。     

PDC钻头与岩石相互作用规律试验研究

试验采用81/2in和121/4in两种PDC钻头,对嘉陵江石灰岩和香溪砂岩两种典型岩样进行钻进,在不同钻头转速和钻压下,测得了扭矩和机械钻速.分析试验结果得出,对于表面刮削破碎和体积破碎两种岩石破碎状态,钻压对扭矩的影响不一样.当钻压没有达到体积破碎钻压时,钻压对扭矩的影响较小;当钻压超过体积破碎钻压时,钻压对扭矩的影响非常明显.钻头转速对钻头扭矩几乎无影响.     

PDC钻头破岩试验系统研制

钻头质量的优劣、与岩性和其他钻井工艺条件是否相适应等,影响着钻进速度、钻井质量和钻井成本.针对相应地层优化钻头设计参数,研制了钻头破岩试验系统.该系统采用液压装置给定钻压和转矩,计算机自动检测、控制并保存相关参数,能够真实模拟和分析钻井破岩机理,为钻头的优化设计提供试验数据.试验表明,该系统测试准确、性能可靠,应用前景广阔.     

应用PDC钻头钻进检测地层压力研究

本文通过理论分析和对现场实际钻井资料的统计分析,系统地论证了应用PDC钻头钻进检测地层压力的可行性。并提出采用dp指数法及其相应的压力换算式来定性、定量地检测PDC钻头所钻井段的地层压力,为现场随钻监测PDC钻头所钻井段地层压力提供了一种可行的方法。     

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     

PDC扩眼钻头的研制与试验

为了提高深井、超深井上部大尺寸井眼的钻井速度,常采用小钻头先钻一个井眼后再下入扩眼钻头扩眼的办法,由于改进牙轮钻头的难度较大。而PDC钻头在钻进软到中硬地层时具有钻速高、寿命长的特点,为此,在对深井大尺寸井眼的钻井特点、先钻后扩的破岩机理进行研究的基础上,研制了新型PDC扩眼钻头——PD6352SF- 311．1×444．5扩眼钻头。该扩眼钻头在DB1井φ444．5 mm井眼的平均机械钻速为21．68 m／h,与邻井莱深1井和郝科1井相比,分别提高了5．2％和38．0％,而且钻头起出后新度达80％,还可继续使用,从而进一步降低了钻井成本。     

在硬地层中用涡轮钻具配新型PDC钻头钻井可节省钻井成本

涡轮钻具配新研制轨迹引导式结构聚晶金刚石复合片（ＰＤＣ）钻头，在墨西哥湾的中硬地层中钻井时，提高了钻井作业的经济性。     

一种可钻硬地层的PDC钻头

美国Hughes Christensen Genesis公司研制成功的ZX聚晶金刚石复合片（PDC）钻头，是为极端钻井而设计的，适用于硬质岩层和磨蚀性岩层。该钻头牙轮可抗磨蚀，其水力学设计可使牙轮有效地偏离钻头运动。此外，其高稳定性可适用于交互层钻井。副牙轮元件的设计使牙轮密度达到最大。顶部牙轮采用层状金刚石技术，以提高抗磨蚀和韧性为目的。在该钻头的切削面积上．有高密度的牙轮和副牙轮组合。副牙轮元件位于牙轮下方，当牙轮磨损或磨蚀后，副牙轮新的锐利切削机构就开始磨削地层。该公司的切削深度控制技术可平衡钻头的工作载荷，平稳的切削技术无须限制切削面积，就可减少钻头磨损。该钻头的水力结构依靠流体动态计算程序来实现液流平衡、牙轮冷却和抗冲蚀等的优化。     

PDC钻头单齿重叠切削特性试验研究

为了更加深入的研究PDC齿切削已受损岩石的破岩规律,利用室内PDC单齿破岩试验的方法,对常规PDC齿和锥形PDC齿进行单齿重叠切削岩石对比试验,研究2种齿形重叠切削岩石后的力响应与破岩比功变化规律。研究结果表明:随着重叠切削进行,常规PDC齿与锥形PDC齿受力均增加,平均增加79.75%与36.5%。常规PDC齿的破岩比功总体呈下降趋势,平均下降20.5%,下降幅度随切削深度增加而减小。锥形PDC齿的破岩比功在重叠切削中总体呈上升趋势,平均上升19.9%,上升幅度随切削深度增加而增大。试验结果可为PDC钻头的布齿结构设计提供指导。