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。     

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。     

一种切削-研磨型孕镶金刚石钻头的研制及应用

准噶尔盆地火成岩地层钻进过程中机械钻速低,钻井周期长,严重影响了石炭系目的层的勘探开发进程。为此,采用高强度、超耐磨的PDC型金刚石孕镶块作为主要破岩元件,研制了一种新型切削-研磨型孕镶金刚石钻头。该钻头综合了孕镶钻头和PDC钻头的技术优势,增强了钻头对地层的适应性。现场试验结果表明,新型钻头的平均机械钻速0.71 m/h,单只钻头进尺86.5 m,与高效牙轮钻头相比,平均机械钻速提高约20%,单只钻头进尺增加约302%。该钻头为今后准噶尔盆地火成岩地层的优质快速钻井提供了一种有效的技术手段。     

胜利油田东营北带砂砾岩体PDC钻头个性化设计与应用

针对胜利油田东营北带丰深1与盐227区块沙四下砂砾岩体地层岩石研磨性强、可钻性差、机械钻速低、钻头寿命短的技术难题,开展了旋流PDC钻头个性化设计与应用研究。通过室内实验,优选出了适合该地层特点的PDC切削齿类型;通过电脑模拟,优化了钻头的冠部轮廓、切削结构和切削齿后倾角设计;研制出旋转射流喷嘴,设计并试制了水力与机械联合破岩的新型PDC钻头。在丰深1-平1井的砂砾岩体地层中进行了钻井试验,与其他类型PDC钻头相比,机械钻速提高了46.8%,单只钻头进尺提高了69.6%;与牙轮钻头相比,机械钻速提高了48.1%,单只钻头进尺提高了156.5%。在盐227井工厂砂砾岩体井段推广应用也取得了明显的提速效果,机械钻速提高26%,平均单只钻头进尺提高102 m。研究成果对PDC钻头个性化设计具有一定的借鉴意义,对硬的强研磨性地层钻井提速具有推广应用价值。     

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。      

刀翼式孕镶金刚石钻头设计及在哈山101井的应用

为提高准噶尔盆地哈山区块火山岩地层机械钻速、增大单只钻头进尺、降低井眼失稳掉块卡钻风险,设计了刀翼式孕镶金刚石钻头。在分析地层岩石的力学特性的基础上,研发了新型胎体合金材料,以提高钻头研磨性;镶嵌孕镶切削块,以增强钻头破岩能力;优化设计了刀翼式孕镶金刚石钻头的结构和防卡流道,防止钻头卡死。研究发现,超细合金材料相互联结成键、牢固烧结,钻头胎体力学性能提高30%以上。刀翼式孕镶金刚石钻头配合高速大扭矩螺杆钻具在哈山101井火山岩地层进行了应用,单只钻头进尺增大4倍,机械钻速提高54.3%。研究结果表明,刀翼式孕镶金刚石钻头可以降低掉块卡钻风险,可实现火山岩地层安全高效钻进。      

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 %。     

新型PDC钻头砾岩破岩技术及应用

油气钻探中,PDC钻头已成为钻进破岩不可或缺的井下工具,但砾岩地层是PDC钻头的破岩禁区,目前绝大部分地区依然选择牙轮钻头进行破岩。鉴于此,设计了新型个性化PDC钻头。新型PDC钻头在微受损的状态下,可替代牙轮钻头钻穿砾岩层。该钻头特征为前排齿采用PX齿设计,复合后排齿采用圆锥齿设计,利用压碎和切削复合破岩方式破碎砾岩、提高机械钻速。新型PDC钻头首次在大港油田现场试验,试验中顺利钻穿30～120 m的砾岩层,实现了多套地层单只钻头"一趟钻"工艺,创下大港油田同套地层最高平均机械钻速和最短钻井周期的新记录。现场试验结果验证了该新型PDC钻头砾岩破岩的可靠性。     

混合切削结构PDC钻头简论

介绍了混合切削结构PDC钻头的切削结构、切削原理及其特点。金刚石孕镶柱与PDC切削齿组成了主辅切削结构，提高了钻头的稳定性，改善了钻头的工作性能，使其在钻软、硬地层时都有较高的机械钻速和长的寿命。     

切削- 犁削混合钻头设计及现场应用

为解决常规PDC 钻头在非均质硬地层使用寿命短、机械钻速低的问题,设计并加工了一种切削- 犁削混合钻头。新型钻头以PDC 复合片作为主要工作元件,以锥形PDC 齿作为次要工作元件,形成混合切削结构,具有切削和犁削双重破岩作用,提高了PDC 钻头在非均质性硬地层中的抗冲击性能和破岩效率。现场试验表明,切削- 犁削混合钻头机械钻速对比常规PDC 钻头提高了57.6%,钻头进尺对比常规PDC 钻头提高了91.6%,取得了非常好的使用效果。新型PDC 钻头具有机械钻速高、寿命长、进尺多等特点,对加快油田勘探开发速度、降低钻井成本有积极的意义。     

硬地层PDC钻头切削齿尺寸及后倾角优化设计

PDC钻头是目前石油钻井中使用较为广泛的一种破岩工具,但其在硬地层中的使用效果不佳,钻进效率低,使用寿命短。PDC钻头的切削齿尺寸、后倾角等是影响其钻进性能的重要参数,通过室内微钻头试验,综合考虑硬地层PDC钻头布齿设计中切削齿的重叠和覆盖情况,以相同钻压下微钻头在岩样表面旋转一周的切削深度作为评价其破岩效率的指标,分析了切削齿尺寸、后倾角等对硬地层PDC钻头破岩效率的影响。结果表明:在钻进可钻性超过Ⅵ级的硬地层时,.切削齿尺寸越大,其破岩效率越低;钻进可钻性为Ⅵ—Ⅶ级的硬地层时,13.44 mm.切削齿的破岩效率最高,其最佳后倾角为15°。      

新型PDC钻头设计

PDC钻头在钻井破岩中所占的比例越来越大,但在软硬交错的多夹层地层钻进时效果却不理想,常常发生先期损坏。针对胜利油田多夹层地层特点进行了PDC钻头的优化设计,突破了PDC钻头单一切削元件模式。根据该设计制造的一种新型复合式PDC钻头在多夹层地层中取得了较好的应用效果。与牙轮钻头相比,复合PDC钻头机械钻速高、寿命长、进尺多等特点,对加快油田勘探开发速度、降低钻井成本有积极的意义。     

新型孕镶金刚石钻头研制及试验

PDC钻头不适用于深部砂泥岩互层,而采用牙轮钻头钻进该类地层,存在钻头寿命短、进尺少、机械钻速低等问题,为解决该问题,研制了新型孕镶金刚石钻头。首先通过钻进试验,确定金刚石浓度为80%。该金刚石由40/45目和70/80目两种粒度组成,两种粒度的金刚石分别占金刚石总量的65%和35%,其中40/45目金刚石起提高机械钻速的作用,70/80目金刚石起增强耐磨性、延长钻头寿命的作用。接着通过测试不同配方基体的力学性能,优选出了碳化钨含量24%、其他骨架料22%、粘接剂54%的D-6号基体配方。最后设计了"B"形冠部、140°内锥角、20°后倾角、心部7颗φ16.0 mm优质PDC复合片防掏心结构的新型孕镶金刚石钻头。该钻头在元坝气田进行了试验,结果表明,在相同井段单只钻头的进尺与其他钻头相比平均增加了484.7%,机械钻速平均提高了150.8%。这表明,新型孕镶金刚石钻头为深部砂泥岩互层提供了一种新的高效破岩工具。      

塔里木盆地巴什托构造带钻井提速关键技术研究

巴什托构造带地处塔里木盆地塔克拉玛干沙漠的西南边缘,已钻6口井普遍存在钻井周期长、机械钻速低以及钻井成本高的问题。通过分析认为,该地区地层抗钻特征认识不清楚、钻头选型针对性不强、井底钻具破岩扭矩不足是导致机械钻速低的主要因素。针对目前该区块钻井提速面临的主要问题,定量评价了难钻地层的抗钻特征,提出了分层钻井提速优化技术方案：软—中软—硬地层优选5刀翼PDC钻头配合大扭矩等壁厚螺杆,强化钻井参数,消除粘滑效应,提升破岩效率;研磨性地层优选非平面齿PDC钻头配合扭力冲击器,解决钻头吃入难的问题;灰岩地层优选PDC复合钻头配合单弯螺杆,实现定向段优快钻进。XX-10井通过实施的上述方案,同XX-4井相比,平均机械钻速提高99.54%,钻井周期同比缩短95.36%,提速效果显著,对加快该区块的油气勘探开发进程具有重要意义。     

适合大港滨海区块硬地层的PDC钻头优化设计

大港油田滨海区块下部地层为含砂质泥质结构,岩石由泥质和砂质等组成,地层硬度高、研磨性强,单只PDC钻头进尺少、机械钻速低,制约了该地层的勘探开发进程。鉴于此,对PDC钻头的冠部轮廓、刀翼、布齿和水力性能等进行了优化设计,得到了适合该地层的M432215.9 mm七刀翼PDC钻头。大港油田滨海6井的现场试验结果表明,在同井段同尺寸情况下,M432215.9 mm七刀翼PDC钻头的平均进尺49.0 m,机械钻速1.540 m/h,牙轮钻头平均进尺22.5 m,机械钻速0.967 m/h;使用七刀翼PDC钻头提高了钻进速度,缩短了钻井周期。     

复合冲击破岩钻井新技术提速机理研究

为了解决PDC钻头钻遇硬地层时出现的机械钻速低、钻头粘滑振动失效快等问题,提出了PDC钻头复合冲击钻井破岩新技术,并对该技术的提速机理进行了研究。根据建立的PDC钻头受单向轴向冲击及复合冲击时的扭转振动模型,对PDC钻头的运动规律进行了分析,并利用ABAQUS软件对岩石受单向轴向冲击及复合冲击时所受的剪切力进行了模拟。模拟结果表明,PDC钻头受单向轴向冲击时切削齿的切削深度会增加,但是会造成PDC钻头扭转振动;复合冲击大大提高了PDC钻头对岩石的剪切作用,降低了岩石的阻抗扭矩,从而抑制了PDC钻头受单向轴向冲击所产生的扭转振动。研究表明,PDC钻头复合冲击钻井破岩新技术能够增加切削齿的切削深度并抑制扭转振动,提高硬地层的机械钻速。      

硬地层稳压稳扭钻井提速技术

采用PDC钻头钻进硬地层时,如果破岩扭矩较小或波动幅度较大,易造成钻头恶性振动和钻头使用寿命短,从而导致机械钻速低和钻井周期长。因此,建立了PDC钻头破岩所需门限扭矩的计算模型,以门限扭矩定量计算为核心、平稳传递钻柱应变能为手段,形成了硬地层稳压稳扭钻井提速技术。该技术通过优化井眼尺寸、选用合适的钻头和冲击类辅助破岩工具,降低破岩门限扭矩和门限钻压;通过选择合适的井下动力钻具,为钻头提供足够的破岩能量;通过选用减振工具和优选钻井参数,降低振动,保证钻头运动平稳。稳压稳扭钻井提速技术在夏河1井古生界硬地层进行了现场试验,二叠系机械钻速提高485.6%、全井机械钻速提高70.4%,取得了显著的提速效果。研究结果表明,稳压稳扭钻井提速技术能够提高硬地层机械钻速,可为复杂地层钻井提速提供借鉴。