PDC钻头反扭矩分析及控制技术

定向滑动钻井时,PDC钻头上产生的反扭矩变化较大,导致工具面控制不稳,影响了钻进的连续性和速度。采用有限元数值模拟技术定量地分析了PDC钻头破岩时产生的扭矩,进一步证实存在较大反扭矩。介绍了Southard钻井技术公司最近研制的一种无反扭矩钻井工具,即行星钻头驱动器。该工具构思巧妙、设计新颖,通过控制定向钻井时PDC钻头上产生的反扭矩及其变化,从而提高钻进效率,具有一定的发展前景。     

PDC钻头扭矩控制技术分析

PDC钻头在钻遇硬地层时,扭矩波动较大、蹩跳钻现象严重,产生的剧烈振动载荷大幅降低了钻头的使用寿命,并降低了机械钻速。通过对国外先进PDC钻头扭矩控制技术的分析,提出了国内同类技术研究的建议。     

PDC钻头恒扭矩工具在XING101井的应用

四川盆地川中隆起北斜坡的下沙溪至须家河地层可钻性差,跳钻严重,易断钻具,钻头磨损严重,无法提高PDC钻头工作的稳定性。为此,研制了PDC钻头恒扭矩工具,并以XING101井为例,对工具进行了现场应用。PDC钻头恒扭矩工具主要由螺旋花键短节和弹簧蓄能装置组成,工具能够适应深井高温高压环境,使用过程中将破坏性能量转化存储后释放为破岩的正能量;工具根据钻头扭矩自动调整钻压,保证钻头近匀速旋转,防止出现憋跳卡滑现象。现场录井数据显示,应用PDC钻头恒扭矩工具井段与上、下井段相比扭矩波动小且平稳,同时机械钻速有所提高,能够最大化地保护井下管柱,有利于钻井作业采用更先进、更精密的井下仪器。     

PDC钻头新进展及发展思考

为了提高钻井破岩效率和延长钻头使用寿命,减少起下钻次数,缩短钻井周期,降低钻井作业成本,国外近年研发了一系列新型PDC钻头。分析了全球PDC钻头市场发展趋势,总结了PDC钻头新进展及现场应用情况,包括基于加工制造的新型PDC钻头、基于切削齿形状设计的新型PDC钻头、基于切削齿布齿的PDC钻头、复合PDC钻头、用于页岩储层的定向PDC钻头以及用于地质评价的微芯PDC钻头。结合我国PDC钻头技术现状,提出了我国PDC钻头需要对破岩机理、高温耐磨材料、加工制造工艺、切削齿形状、结构和个性化钻头等方面开展攻关研究。同时指出,及时了解和掌握国外PDC钻头技术的最新进展,对优化我国PDC钻头技术的发展规划和科研方向,以及加快PDC钻头的研发具有重要意义。     

切向导入式旋流喷嘴辅助PDC钻头破岩实验

为了提高PDC钻头在研磨性地层中的机械钻速,延长使用寿命,采用室内实验和现场验证的研究方法,设计了一种切向导入式旋流喷嘴。文中对旋流喷嘴的关键结构参数进行了优化,与普通圆喷嘴进行了破岩效果对比,并将旋流喷嘴应用到PDC钻头上,进行了现场验证试验。相同条件下,非对称切向导入口喷嘴的破岩效果比对称切向导入口喷嘴的破岩效果好,当切向导入口数量为3个、角度为30°和圆锥收缩角度为20°时,旋流喷嘴的破岩效果最好。切向导入式旋流喷嘴产生的破碎坑冲蚀体积是普通圆射流的4.00~5.60倍。现场应用结果表明,旋流PDC钻头的机械钻速比普通PDC钻头提高了51%~67%,并且延长了钻头使用寿命。     

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.     

锥形齿PDC钻头研制与应用

哈萨克希望、扎那诺尔油田石炭系地层抗压强度高、均质性差、软硬交错易导致常规PDC钻头崩齿早期失效,钻井速度慢、钻头寿命短等问题,通过开展锥形齿结构与室内切削效率评价,优选出最佳锥形齿结构与平面复合片多级击碎线混合布齿,同时优化水力结构,成功开发出81/2KS1652DRY钻头,在扎那诺尔区块26#井下二叠统P1s-a-...     

PDC钻头钻进时扭矩影响因素研究

分析了钻压、每转进尺、切削齿磨损和岩性对ＰＤＣ钻头扭矩的影响，并用力平衡和能量守恒原理推导了ＰＤＣ钻头扭矩与这些因素的关系式。通过钻头台架试验证明ＰＤＣ钻头扭矩模式计算与试验结果相符，可用于指导井下动力钻具选用和设计。     

PDC钻头提高了导向能力和机械钻速

最近，在印度Pannd油田中一口井的水平段应用的一只曲线保径PDC钻头表现出了较强的导向能力，水平段轨迹控制精度高，显著提高了机械钻速，降低了钻井成本。     

PDC钻头扭转振动特性分析及减振工具设计

为了抑制PDC钻头在钻进过程中的扭转振动,建立了PDC钻头的扭摆模型,对PDC钻头切削齿切削岩石时的受力情况进行了分析,得出钻压和扭矩之间的关系,分析了钻压的波动对PDC钻头扭转振动的影响,根据分析结果设计了PDC钻头扭转振动的减振工具,给出了工具中螺旋升角的设计准则。研究结果表明:钻压的波动会直接造成PDC钻头的扭转振动,且钻压的波动幅度越大,PDC钻头的扭转振动越严重。设计的减振工具是通过将一部分波动的钻压转换为切削扭矩的方式来实现钻头处扭矩的平衡,从而抑制扭转振动,工具中螺旋升角的取值与PDC钻头切削齿的后倾角相关且成反比。研究结果为抑制PDC钻头的扭转振动提供了理论依据。     

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。     

PDC钻头等切削体积布齿优化设计

在PDC钻头切削齿几何描述的基础上,考虑到钻头旋转钻进时因切削齿周向角不同,即切削次序不同而造成的相互覆盖,建立了切削体积的计算方法和利用线性规划进行PDC钻头等切削体积布齿优化设计的方法,并编制了计算机程序。程序设计的实例结果表明,该方法能较大幅度地提高切削体积均匀度。该方法的提出使得PDC钻头优化设计更加系统化、参数化、自动化。     

新型挠性抗回旋PDC钻头研究

回旋是导致PDC钻头失效的主要原因, 在研究国内外抗回旋技术的基础上, 基于挠性钻头的创新思想, 设计了新型挠性抗回旋PDC钻头。该型PDC钻头由于上、下弹性环的弹性作用, 使得公、母接头之间可以倾斜一定角度转动, 井底钻具组合的倾斜不会影响钻头体, 钻头体轴线仍保持与井眼轴线重合, 不偏斜, 不与井壁接触, 从而避免回旋的产生。对挠性抗回旋PDC钻头和常规PDC钻头的运动学分析证明, 挠性抗回旋PDC钻头的抗回旋性能优良, 其工作寿命大大长于常规PDC钻头。     

ＰＤＣ钻头布齿设计技术

合理的布齿是保证PDC钻头具有优良工作性能的关键。目前常用的PDC钻头布齿设计方法是图解调整法，该方法速度慢，设计工作烦琐，工作量大，效率低，欠灵活，而且有时会出现不必要的误差。讨论了PDC钻头布齿设计的特点，按切削原则设计了钻头冠部形状，并选择了合理的切削结构，为PDC钻头布齿计算机辅助设计软件提供了理论支撑。     

贝克休斯自适应PDC钻头

为了给我国钻头技术的研发提供借鉴和思路,研究了贝克休斯公司自适应钻头技术研发现状和试验成果。自适应钻头是针对钻头引起的黏滑问题提出的一种创新技术,能随着钻进环境变化自动调整钻头切削深度,通过切削深度控制装置抵消部分冲击,避免钻齿过度咬入地层,从而提高钻进效率,降低钻井成本。文中分析研究了钻头黏滑振动及自适应DOC控制概念,并详细介绍了自适应钻头结构。实验研究及油田测试结果表明,自适应钻头为有效消除黏滑、降低钻井成本提供了一种可行的新思路和新方法。     

适用于特定地层的PDC钻头个性化设计

破碎性地层的井下掉块常常导致常规设计的PDC钻头出现卡钻现象,严重的甚至会造成钻头掉齿、断刀翼等井下事故,严重影响了PDC钻头的推广使用。为此,对Φ215.9 mm六刀翼PDC钻头进行了全面改进设计：冠部形状为“直线-圆弧-直线”,相邻刀翼之间夹角约为60°;主切削齿直径为16 mm且按照“中密度”方式布置;将刀翼尾部的保径块整体上移一定距离,且4个保径块围绕钻头轴线成90°。之后采用PDC钻头数字化钻进仿真系统和CFD软件对设计方案进行了力平衡和井底流场优化分析：优化布齿参数的钻头横向力约为钻压的3.9%;高的流速分布在1号、5号刀翼工作面鼻部位置及2号、3号、4号、6号刀翼背面,有利于岩屑及时清除出PDC齿表面。改进后的新型Φ215.9 mmPDC钻头在吐哈油田破碎性地层中应用总进尺1 339 m,与邻井同井段相比,节约了5次起下钻工作量和作业时间,钻头出井后,仅两颗齿损坏,其余PDC齿磨损均衡,冠部冲蚀情况与钻头的井底流场分析的结果完全吻合,说明PDC钻头的个性化设计能够为此类地层钻井提速提供切实可行的技术思路。     

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。     

关于PDC钻头形态设计的探讨

针对原有PDC钻头井底流场存在局部流速过大而对钻头表面造成破坏 ,局部流速过小容易产生泥包的问题 ,对原有钻头做如下结构改进 :增加大胫板的长度 ;降低胫板的高度和减小宽度 ;增加小胫板的数量 ,同时减小水槽截面积。对改进的钻头结构建立井底流动模型 ,并进行数值模拟。分析改进结构的流场表明 ,新结构钻头井底流场分布更合理 ,减少了流体对钻头中心区的直接冲蚀 ,有利于延长钻头寿命 ;合理降低切削齿高度后 ,加大了井底漫流区面积 ,提高了切削效率。     

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。