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。      

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。     

脊形金刚石元件钻头技术研究与应用

针对圆柱形PDC切削齿易热磨损、撞击损坏、形成泥包及锥形切削齿需要较大钻压的问题,研究了脊形金刚石元件钻头技术。该技术将Axe*脊形金刚石元件集成到PDC钻头上,当Axe*脊形金刚石元件与岩石接触时,脊形金刚石层施加集中载荷在尖端周围,其产生的应力远大于传统PDC切削齿产生的应力,不仅剪切而且压碎岩石,脊形金刚石层周围的钻井液易于接近并冷却切削齿,从而延长切削齿寿命。现场应用结果表明:与传统PDC切削齿钻头相比,AxeBlade*钻头的使用寿命大大延长,可提高单只钻头的钻进进尺和机械钻速,减少起下钻更换钻头次数,缩短钻机运行时间,显著提高钻井效率。最后提出以下发展建议:充分利用脊形金刚石元件的超耐磨性、岩屑分散性和散热性,研发适合某一特定地层岩石的个性化钻头;开展脊形金刚石元件PDC钻头的研发,以适应超硬和超研磨性地层。研究结果可为深水钻井、超深井钻井和干热岩钻井奠定一定的技术基础。     

新型旋转PDC切削齿钻头技术研究与应用

新型旋转PDC切削齿钻头技术可有效解决固定PDC切削齿偏磨问题,延长使用寿命,提高机械钻速,有利于提高钻井效率,降低钻井施工成本,是钻头技术的一大进步。介绍了传统固定PDC切削齿技术的缺陷和新型旋转PDC切削齿技术的技术原理、耐用性测试及钻头规格,分析了新型旋转PDC切削齿钻头的现场应用效果,并针对其发展趋势提出建议:建议研发能在更坚硬、研磨性更强的地层岩石中钻进的旋转PDC切削齿钻头,为干热岩储层开发和超深井钻井提速提效提供技术支撑;建议将旋转PDC切削齿技术应用于扩眼器,以延长其使用寿命。     

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。     

横向喷射水力学与椭圆切削齿技术相结合提高PDC钻头性能

近几年来横向喷射聚晶金刚石复合片（ＰＤＣ）钻头水力学的成功应用已经取得可观的成果。置于钻头刮刀内的横向喷嘴提高了切削齿的清洗效率，进而提高机械钻速（ＲＯＰ）。除了清除喷嘴前的堆积物外，流体的挟带作用产生文丘里效应，向下的喷嘴使流体通过刮刀，然后以高速流向排屑槽。本文将对史科特油田横向喷射试用、椭圆形切削齿的基本原理与设计极限，以及最新的全横向喷射钻头的技术开发进行跟踪。     

定钻压、定转速条件下PDC钻头单切削齿磨损规律研究

PDC钻头切削齿的耐磨性相当高，要通过大量的室内试验来找出其磨损规律来是不现实的，因此很有必要找出一种PDC钻头切削齿磨损规律的研究方法。在简要分析切削齿磨损机理的基础上，对切削齿磨损规律进行了理论分析推导，得到了切削齿切削岩石时的线磨损速度模式。定钻压、定转速条件下的单切削齿磨损速度试验结果表明，切削齿的线磨损模式是正确的。该方法是研究PDC钻头切削齿磨损规律的一个新途径。     

PDC钻头切削齿受力模拟实验装置研究

针对原有PDC钻头单齿受力实验装置的不足,研究设计了PDC钻头切削齿受力模拟实验装置。设计的实验装置可以模拟PDC钻头三齿组合状态下的切削齿受力;通过调节装置可以模拟PDC钻头不同冠部形状、布齿密度、复合片大小等几何参数;设计的三轴测力传感器可以测量相互垂直且相互不受影响的3个力(轴向力、侧向力、切削力)。实验装置灵敏度高,整体性能可靠,获得的实验数据准确有效,对PDC钻头参数优化设计具有十分重要的意义。     

国外PDC切削齿研究进展

PDC切削齿是PDC钻头的基本切削单元,其性能的优劣对PDC钻头的钻进效果有着决定性的影响。为了提高硬地层、研磨性地层及非均质地层的钻井效率,降低作业成本,国外钻头厂商研发了一系列新型PDC切削齿。重点介绍了新型PDC切削齿的结构特征、破岩机理、优势和现场应用情况。国外钻头厂商在切削齿形状、材料优选和制造工艺等方面持续创新,创新设计的新型PDC切削齿层出不穷,极大推动了PDC钻头技术的进步,钻井性能得到不断提高,显著提高了机械钻速。建议开展混合PDC切削齿钻头的研发,进行精细化设计,充分发挥不同独特几何形状切削齿各自的优势,以适应硬度更高和研磨性更强的地层,为深水钻井、超深井钻井和干热岩钻井提速提效提供技术支撑。     

双刃切削齿提高了PDC钻头的性能

ＰＤＣ切削齿的发展极大地提高了ＰＤＣ钻头的性能,促进了其开发。钻井业也在诸如ＰＤＣ钻头的震动,地层的可钻性,钻头的选择,钻头适应能力及钻头的受限因素等方面取得进一步的进展。在ＰＤＣ钻头的发展和性能方面,ＰＤＣ切削齿具有最大的影响。切削元件除了能提高钻头的工作性能外,还能够优化对ＰＤＣ钻头改进有益的其他因素。     

PDC钻头切削齿失效分析

对PDC钻头失效切削齿进行宏、微观形貌观察,研究其失效原因和失效机理,并提出相应改善措施。结果表明:PDC钻头切削齿的主要失效形式为齿的断裂、磨损和脱落;切削齿失效的主要原因是由于冲击刮削破岩对切削齿造成的损伤和切削齿材料本身的性能较差、两相结合强度不高。可从材料配方、结构设计及制造等方面进行改进。     

北部湾PDC钻头高效钻进及配套技术浅析

从北部湾地区PDC钻头高使用率的实际情况出发,结合该地区的地层特征及钻头使用情况,总结分析了PDC钻头在钻头选型、使用中异常工况的判断以及配套技术等方面应用的成功与不足,提出PDC钻头高效钻进还应在黑灰色碳质泥岩加强钻头选型,在浅部大倾角、塑性泥岩地层配合弯角马达钻进,目的层段根据裸眼段长度合理选择弯角马达或PowerDrive动力导向系统,以及加强PDC钻头异常工况的预防和处理等措施,从而真正发挥PDC钻头高效钻进作用,实现进一步降本增效的目标。     

PDC钻头切削齿破岩仿真与试验分析

为了利用计算机仿真技术对PDC钻头切削齿的破岩效果进行分析预测,并为PDC钻头优化设计提供数据依据,建立了PDC钻头切削齿破岩仿真模型,研究前倾角和侧倾角的变化对PDC钻头切削齿破岩效果的影响规律。仿真结果与试验结果对比分析证明所建立的PDC钻头切削齿破岩仿真模型可行。分析结果表明,前倾角在15°~20°时,PDC钻头切削齿破岩效果比较好,侧倾角在5°时破岩效果最好,且齿遭破坏的概率相对较低。     

塔河油田液动射流冲击器+PDC钻头提速技术

为了进一步提高塔河油田深部硬地层的机械钻速,基于旋冲钻井技术理论与实践经验,开展了液动射流冲击器+PDC钻头提速技术研究与实践,探索液动射流冲击器与PDC钻头配合使用提高深部地层机械钻速的技术可行性。首先根据塔河油田深部硬地层的特点及与冲击器配合的要求,优选了PDC钻头;接着利用液动冲击器性能测试系统,测试了液动冲击器各结构参数对其性能的影响;最后根据测试结果及所优选PDC钻头的抗冲击性能,确定了液动射流冲击器的结构及性能参数。液动射流冲击器与PDC钻头配合在 S116-3 井、TP324井和TP328X井的奥陶系地层进行了应用,机械钻速与同井上下井段及邻井相同井段相比,提高了32%~45%。这表明液动射流冲击器与PDC钻头配合使用,可以提高塔河油田深部地层的钻速。      

PDC钻头混合布齿切削试验装置

现有PDC钻头单齿试验装置对单齿切削角度等参数的调整很不方便,需要进行多组刀具的频繁更换,不适用于多切削齿在交叉或重叠组合下的混合切削特性及破岩机理的试验研究。为此,设计了PDC钻头混合布齿切削试验装置。该装置通过特殊的混合布齿组合结构设计,能实现不同PDC齿在不同切削参数下的混合布齿组合,具备PDC混合布齿切削试验能力。试验结果表明:该试验装置可以方便地实现对PDC齿后倾角、切削深度、多切削齿布齿方式及组合等切削结构和参数进行调节,从而实现对不同切削齿在不同组合及布齿参数下切削规律和破岩机理的研究。研究结果为进行有针对性和适应性的PDC钻头切削结构和布齿优化设计奠定了试验基础。     

脉冲射流提速配套PDC钻头流场数值模拟研究

为了最大限度地发挥脉冲式井底交变流场提速工具的性能,采用数值模拟的方法对与提速工具配套的PDC钻头进行研究,模拟钻井液通过其产生的井底交变流场,研究了钻头刀翼类型、刀翼数量和喷嘴数量对钻井液井底冲击力和井底清岩效果的影响,并对钻头结构进行了优选。研究结果表明:螺旋刀翼、7喷嘴、6刀翼钻头产生的脉冲射流具有较高的平均静压冲击力和井底冲击力振幅; 6直刀翼6喷嘴钻头对应的井底动压冲击力波动最大,达到7. 0 kN以上,5直刀翼7喷嘴钻头对应的井底静压冲击力波动最大,为2. 8 k N; 5直刀翼5喷嘴钻头的清岩效果最好,其产生的井底最小岩屑质量浓度和平均岩屑质量浓度最低,且井底岩屑质量浓度的波动幅值最大,达到1. 6 kg/m~3;对于软到中硬地层,配合使用脉冲式井底交变流场提速工具,选择5直刀翼5喷嘴PDC钻头清岩和携岩效果较好;对于硬地层,选用6直刀翼6喷嘴PDC钻头提速效果较好。所得结论可为脉冲射流钻井提速工具配套PDC钻头结构设计及应用提供参考。     

科学使用PDC钻头的钻井技术

通过归纳PDC钻头的特性，结合PDC钻头的破岩机理分析以及PDC钻头的现场应用总结，提出了应用PDC钻头的特殊要求和参数，对使用PDC钻头降低钻井成本，提高钻井速度与减少井下钻井复杂情况进行分析后认为，合理使用PDC钻头能够缩短钻井周期，降低钻井成本。     

PDC钻头自调节切削深度控制技术

黏/滑一直是钻井行业面临的主要挑战为了减缓黏/滑研发了PDC钻头自调节切削深度(DOC)控制技术。采用该技术在不断变化的钻井环境中可动态调节PDC钻头的切削深度,避免或减缓振动,减轻钻头或BHA组件的损坏程度,实现安全高效钻井。阐述了自调节DOC控制机构及其控制原理,对自调节切削深度控制技术分别在实验室和现场进行测试,测试结果表明:在极慢和极快的时间内,自调节DOC控制钻头能够以预期的方式响应;与标准PDC钻头和固定式DOC控制钻头相比,自调节DOC控制钻头的性能明显提高,能进一步拓宽稳定作业窗口,降低黏/滑发生概率和作业成本。研究结果可推动我国钻头技术的发展。     

锥形PDC齿钻头的研制及室内试验评价

为了提高研磨性硬地层的破岩效率,设计了2种锥顶尺寸分别是5.5和3.0 mm的新型锥形PDC齿。这种锥形PDC齿采用"犁削"破岩方式,比常规PDC复合片"切削"破岩方式更具攻击性。为了验证这种锥形PDC齿破岩效率,采用锥形PDC齿和PDC复合片制造了3种类型、5种型号直径为100 mm的试验钻头,在室内完成了花岗岩和硬砂岩2种岩样在5种钻压(10、15、20、25和30 k N)、2种转速(49和101 r/min)情况下的破岩试验。试验结果表明,采用锥形PDC齿和常规PDC复合片的混合型钻头具有良好的破岩性能,该钻头同时具有牙轮钻头和PDC钻头的优点,更满足研磨性硬地层的破岩需求。这种锥形PDC齿钻头为深部硬地层破岩提供了新方法,具有良好的应用前景。