国外钻头技术新进展

分析了美国Hughes Christensen公司、Reed-Hycalog公司、Smith钻头技术公司、Varel国际公司以及国外其它钻头制造商的新型钻头产品和技术。对这些钻头的结构特点、性能特点、试验及现场应用情况分别做了描述或说明,同时对新钻头产品的设计软件和设计方法做了简要介绍。建议国内钻头制造企业加大技术开发力度,不断推出拥有自主知识产权的更新换代产品。     

冲击类钻井提速工具专用PDC钻头设计与试验

针对冲击类钻井提速工具与PDC钻头不匹配的问题,进行专用PDC钻头设计与试验。分析了冲击类钻井提速工具与地层的适应性,得出扭力冲击器适用于深部硬塑性地层,螺杆式液动冲击器适用于深部硬脆性地层。通过模拟的方法,分析了钻头长度、截面积等结构参数对冲击能量利用率的影响规律,得出钻头截面积越大、钻头长度越短,冲击类提速工具冲击能量利用率越高,越能发挥出工具的冲击破岩能力。基于以上分析,结合硬地层PDC钻头优化设计原则,设计了冲击类钻井提速工具专用PDC钻头,主体刀翼5～7个、双排高密度布齿,切削齿后倾角20～25°。试验结果表明,专用PDC钻头与冲击类钻井提速工具的匹配性良好,但也存在一定的不适应性,需要根据现场应用情况进一步优化,着力增强钻头的耐磨性、攻击性和抗冲击能力。     

利用测井资料进行金刚石钻头设计和选型

在弹性力学理论基础上，建立起预测岩石力学特性的数学模型以及金刚石钻头设计参数的计算模型，并利用现场测井资料对金刚石钻头设计参数（保径材料、水力结构、切削齿尺寸、布齿密度以及钻头剖面）进行了分析研究，针对地层岩性特点优化钻头设计，并相应地推荐了适用的钻头型号。现场应用表明，利用该方法设计制造的钻头能显著提高钻速，降低钻井成本，社会和经济效益显著     

国外牙轮钻头的新进展

介绍代表世界领先水平的ＳＭＩＴＨ、ＨＵＧＨＥＳ和ＲＥＥＤ公司牙轮钻头新技术。包括：ＨＵＧＨＥＳ公司的系列钻头，ＳＭＩＴＨ的ＦＤＳ＋系列钢齿钻头、ＳＭＩＴＨ的轴承系统、ＲＥＥＤ的水力系统以及针对特殊需要设计制造的专用钻头等，为我国钻头行业的技术发展提供参考与借鉴。     

新型三牙轮金刚石钻头用于降低钻井成本

<正>美国Baker Hughes公司推出Kymera XTreme金刚石与三牙轮合成钻头。该钻头机械钻速高,耐磨性能好,能帮助作业者降低钻井成本。迄今世界各油田使用钻头多数为金刚石钻头或三牙轮钻头,使用二者混合设计方式的钻头较少。此钻头在设计上综合了多晶金刚石的强度以及三牙轮钻头的精巧工艺,改善了上一代混合设计钻头的性能,提高了钻头的穿透性,延长了其运行寿命。此钻头的特点是易于根据实际使用目的与现场条件,包括地层类型与井眼孔     

特殊设计的单牙轮钻头用于阿尔巴尼亚海上钻井

美国西方石油公司在钻其Shpi ragu - 1井时 ,根据钻井条件的特殊要求 ,与钻头设计和制造商一起专门设计和加工了单牙轮钻头 ,取得了很好的钻井效果。与使用三牙轮钻头相比 ,钻井速度提高近三倍 ,单井次一次入井使用 ,就为西方公司节约成本 15万多美元。     

改进钻头结构可有效提高磨蚀性水平井的机械钻速

ANR管道公司的瑞德塞提天然气田采用了优化设计钻头,从而提高了钻井效能,降低了钻井成本。在一项七口水平井的钻井工程中,由于采用了特殊结构的天然金钢石钻头(ND)和聚晶金钢石钻头(PDC),使机械钻速比采用普通钻头提高了近两倍,钻头寿命提高将近一倍。试验结果和现场资料表明,研制出的胎体式天然金钢石钻头和刮刀聚晶金钢石钻头具有良好的耐磨性和机械钻速。     

竞争和专用软件的开发促进了钻头设计的进步

世界知名钻头设计公司之间的竞争和专用软件开发促进了钻头设计的进步.Security DBS公司的Direction by Design软件可提供先进的钻头评价和工程设计来优化特殊钻井系统的定向性能;XR扩眼器利用活化/反活化系统提供了同心和同时扩径,它是唯一能把领眼或通径扩大50%的工具,井下振动最小,可靠性高;SPARTA和IBitS软件分别用于地层性能分析和优化钻头选型与设计.IDEAS是Smith国际公司的专利钻头设计和模拟软件包,能准确模拟整个钻井系统,模拟每个单独的切削齿接触地层的所有方式;DBOS On-Time是Smith公司的实时钻井优化软件,在传统软件基础上增加了新的功能.另外,本文还介绍了Hughes Christensen、Varel、 Ulterra、Tri -Max和Particle公司的新技术产品.     

利用测井资料进行钻头合理选型研究及其应用

开展了利用测井资料进行钻头造型方面的研究,文中通过室内实验和现场资料统计,建立了地层岩石声波时差与岩石可钻性关系模型。利用该模型并结合新疆塔西南巴楚地区地震、地质、测井及钻井资料进行钻头合理选型,得出了该地区初步钻头造型结果,并在现场进行初步应用,取得了良好效果。利用测井资料选择钻头,是钻头合理造型的一项新技术。     

中国石油宝鸡石油机械有限责任公司研制成功牙轮-PDC复合钻头

2013年7月底,由中国石油宝鸡石油机械有限责任公司成都宝石公司研制的新型牙轮-PDC复合钻头,在四川地区麻柳场构造的麻002-H1开发井完成试验,现场作业首试成功。这个钻头填补了中国石油钻头类产品空白。麻002-H1井是中国石油西南油气田公司位于四川地区麻柳场构造的开发井,设计井深3 114m。此次试验的钻头从井深1     

变频调速恒钻压自动送钻系统

针对手动送钻和电磁阀控制刹车恒钻压自动送钻的不足,开发了变频调速恒钻压自动送钻系统,该系统采用电动机反拖实现钻进时钻压恒定。在详细讨论送钻过程钻压变化简化数学模型的基础上,给出恒钻压自动送钻系统的数字模型。采用西门子变频器和变频电动机建立了变频调速恒钻压自动送钻系统的配置,现场实际调试达到了设计要求。     

一种新的井中地震勘探技术

随钻地震技术是一种新的井中地震技术。它以钻井期间钻头产生的振动作为井下震源,在钻柱顶部和地面上分别记录钻头信号和地震波,通过互相关和钻头反褶积等数据处理方法,可以计算出钻头信号的传播时间、衰减与钻头信号不相干的噪声,得到有关井下的地层信息。该方法不需要井下仪器,不干扰钻井工作,实时获取的随钻地震资料可以用于地质导向钻井。在江汉油田范3井2250 m井深处先导试验中,取得了较好的效果。     

深井大直径井段的钻井问题研究

随着我国深井数量的增加,深井上部大直径井段钻井速度慢的问题日益突出。在系统分析了大直径井段中普遍存在的钻井问题的基础上,指出当前深井大直径钻井技术的根本问题,是钻具、钻头、钻井装备与大直径井眼的工艺要求不相适应。在软地层中主要表现为:沿程水力损失很大,水功率利用率极低,导致井底比水功率很低,井底和钻头清洗不良,影响机械钻速。在硬地层和砾石层中主要表现为:钻压不足,导致机械破岩能量明显不足,同时大尺寸钻头齿面结构设计不合理,破岩效率低。文中提出了解决深井大直径钻井问题的具体措施,对提高深井钻井速度具有一定的指导意义。     

水平井螺杆钻具的受力特征

了解和掌握水平井螺杆钻具的受力特征,是正确设计和使用水平井导向动力钻具的基础。文中针对定向钻进和导向钻进两种不同工况,分别讨论了钻具的弯曲、扭转、转子离心惯性力、转子轴向力和轴承载荷、稳定器处的松扣力矩、钻头速度分析、井眼扩径情况和钻头侧向力的分布等,给出了相应的计算公式,并结合现场发生的一些现象,从理论上给出了解释。     

深水钻井导管喷射过程中钻头与海底土的相互作用

为分析喷射下入导管过程中钻头与海底土相互作用情况,建立了导管下入过程中钻头的力学模型。根据射流理论和土力学的分析,得到了喷嘴射流力与土层临界破坏力的计算方法。研究结果表明,钻头与海底土相互作用力可分为直接作用力和射流作用力,只有当射流力较小时才有钻头直接作用地层的压力,排量是影响其作用力的主要因素。通过对现场实际案例计算,对比出施工过程中射流力与土层抗冲蚀力并得出了喷射下入过程中钻头距井底的高度。该研究成果能够结合具体海域的海底土特性,进行喷射过程中钻头及钻柱受力分析,为深水钻井喷射下入导管的钻井参数设计提供理论依据。     

虚拟强度指数法钻井新方法的研究与应用

针对影响钻井速度的各种不同钻井参数,提出了利用虚拟强度指数法对钻井参数进行优化的新方法。通过建立虚拟强度指数优化的数学模型,利用现场录井对实际钻井参数时时采集的数据,经过专用软件计算得出虚拟强度指数法曲线,钻井操作人员根据该曲线变化情况及时对钻井参数进行优化和调整,确保钻头一直处于最佳破岩状态。虚拟强度指数法消除了人为的影响因素,使参数优化结果更为准确。经过现场多口井的试验应用,虚拟强度指数法能有效分析判断井下钻头的工作状况,根据钻井速度的变化来调整钻井参数,提高了钻头破岩效率,实现了提高钻井速度的目的。     

基于球面波传播理论的钻头趋近邻井防碰预测模型

为实现丛式井地面防碰监测预警系统有效预测正钻井与邻井间距离的功能,建立了钻头趋近邻井防碰预测模型。该模型依据弹性波的球面扩散和衰减吸收理论,通过分析实测数据的幅值衰减规律而建立。利用该模型,通过地面实时监测、分析、计算风险邻井套管的振动信号特征,可求取钻头与邻井套管的距离,识别钻头碰撞邻井井筒的可能性并及时预警。根据渤海某油田的防碰监测数据,用所建模型计算出了监测井段钻头与邻井套管的距离;对比测井数据计算的井眼扫描距离和模型计算结果发现,利用该预测模型求解的钻头与邻井间的距离与测井数据得到的井间距离有明确的对应关系,表明所建模型可以作为丛式井地面防碰监测预警系统预测井间距离的一种计算方式。      

适用于砾石夹层钻进的PDC钻头

PDC钻头在砾石夹层中钻进时钻头不平稳、PDC复合片崩裂、磨损消耗快、机械钻速低,针对这些问题,采取了两方面的措施:一是创造条件使PDC钻头工作平稳,即减少或分散PDC钻头所承受的冲击载荷;二是减少钻头上PDC复合片在工作中的崩裂与磨损。具体的设计方案是:通过优化设计PDC钻头结构,主要采取外抛内锥带辅助切削齿的形式结构;研制与选取PDC复合片,主要采用双向多条直槽非平面结合方式,提高了复合片质量,使其热稳定性为750℃,耐磨性为2.9×105,抗冲击性大于600 J。按此方案设计与生产了3只钻头,分别在3口中井试用,直接钻穿砾石夹层馆陶组地层井段,相比之下,研制的新型PDC钻头,钻井效率提高26%,较大幅度地提高了钻井速度,突破了砾石夹层钻进不能使用PDC钻头的禁区,具有推广价值。     

桥古1井快速钻进PDC钻头优化设计与效果分析

为了提高桥古1井山前构造地层中的钻进速度,对拟用于该井的PDC钻头进行了优化设计。在详细分析该井的地层特点以及邻近区块相似层位井段钻头使用资料的基础上,提出了针对性的优化方案,采用了力平衡布齿设计、等切削轮廓、CFD优化水力结构等现代PDC钻头设计技术,对常规PDC钻头在山前构造中易磨损、易泥包、机械钻速慢等缺陷进行了设计改进。所设计的钻头在桥古1井共使用了2只,使用井段为2 075.12~4 959.00 m,总进尺2 883.88 m,纯钻时间519.2 h,平均钻速5.55 m/h,比设计预期的3.50 m/h提高了58.57%,比预计的工期缩短了30 d。桥古1井的钻井实践表明,提出的钻头选型和优化设计方案可行,同时为山前构造地层优快钻井积累了宝贵经验。      

井下螺杆增压提速装置关键部件设计

钻井提速是各大石油钻井公司研究的重要方向,油气钻井工程实践表明,提高井底钻头喷嘴射流压力可以大幅提高钻井速度。在分析现有井下增压的基础上,研制了井下螺杆增压装置。该装置以螺杆泵作为动力,通过新型换向机构将旋转运动转换为增压泵的往复运动,成功实现了井底增压;钻头超高压喷嘴射流压力达到80～100MPa,有效地实现了超高压射流钻井,达到了提高钻速、降低钻井成本的目的。