日本PDC全面钻头的研究

一、概要过去，对PDC（金刚石复合片）钻头的评价是“钻进均质中硬岩具有优异的钻进性能，对于降低钻探成本做出了巨大贡献，但是由于强度原因不能钻进非均质硬岩”。于此情况下，日本有关厂家开发出高温、硬岩钻进用新型PDC。作为“阳光计划”的一环，日本资源环境技术综合研究所着手研制镶焊新型PDC的地热钻头。     

PDC钻头在天津地热井中的应用

天津地热钻井,一般采用传统的三牙轮钻头进行施工,近年来随着钻井工艺水平的进步,为了提高钻井效率,在部分井段中采用PDC钻头钻进,相比三牙轮钻头取得了更高的机械钻速,且泥岩地层造浆得到很好的控制,钻井液性能稳定,降低了维护成本。实践证明,PDC钻头使用寿命长,在提高钻进效率的同时经济效益显著。     

国际油气井钻头进展概述(一)——Kymera组合式(Hybrid)钻头系列

针对油气钻井中钻遇坚硬地层、粘-滑(stick-slip)地层、软硬互层与含夹层地层,以及定向井、水平井等钻进中PDC钻头钻进效率、钻井方向控制方面的局限性问题,贝克·休斯公司克里斯坦森(Baker Hughes Christensen)分公司于2011年四季度向国际市场推出了将金刚石复合片与牙轮相结合的钻头——Kymera组合式钻头。该新型钻头藉助于牙轮在硬岩层中的侵入能力,提高碎岩效率,改善PDC的冷却,还能明显降低钻头在井底的扭矩,提高钻井方向的控制能力。在世界各地现场实际应用取得了良好的钻井效果。介绍了Kymera组合式钻头的研发背景和历程,以及其在世界多地油气钻井中的现场应用情况。     

深部地热钻探中硬塑性泥岩地层钻头应用研究

深部地热钻探中,通常会钻遇硬塑性泥岩,严重影响钻探施工效率。以雄安新区深部地热钻探工程实例为基础,深入分析硬塑性泥岩机械钻速低的原因,研究制定钻头的优化改进方案。实践应用证明：针对地层岩性特征设计的个性化PDC钻头配合螺杆钻具,可以有效提高硬塑性泥岩地层机械钻速;使用三棱形非平面复合片和三角形复合片等异形复合片可以有效提高PDC钻头的抗冲击能力、提高钻头在含砾石地层的使用寿命,同时也可以提高硬塑性泥岩地层机械钻速。探索出了一套适宜于深部地热钻探中硬塑性泥岩地层钻进的钻头应用方案。     

一种先进的地热钻探技术

这种先进的地热钻探系统 (AGDS)主要是使用冲击钻探技术和双管反循环钻具。这种钻探技术融合了石油钻井技术与矿山、水井和工程钻探技术的优点。在硬的地热岩层中,使用冲击钻探与牙轮钻头回转钻探相比,明显地提高钻探速度,双壁钻具解决了地层漏失的问题。据石油与天气文献报道,在油田用牙轮钻头回转钻进与用一种新的液动冲击回转钻进进行比较,结果表明,冲击钻进效率提高 10到 15倍。美国在地热钻探中研究了冲击钻探技术所用的时间与费用的问题。试验地热井是一口 2930m深的地热生产井,以前需要钻探 67天时间,用冲击钻探技术后现…     

难钻进地层金刚石钻头的现状和发展趋势

近年来,针对坚硬致密地层、坚硬强研磨性地层以及坚硬致密泥岩地层这3类地质勘探的难钻进地层,开展了金刚石钻头相关的研究与攻关,取得了重大进步。针对坚硬致密地层,通过在胎体中添加稀土和自锐材料、低压钻头结构设计,在可钻性小于11级的坚硬致密"打滑"地层中,钻进速度可达1.5~2.0 m/h,钻头寿命达30~300m;针对坚硬研磨性地层,通过超高金刚石工作层和优化的水力结构设计,超细预合金化粉末以及超耐磨胎体性能,使机械钻速同比提高20%~70%,钻头寿命同比提高1.4~10倍;针对坚硬致密泥岩地层,对尖齿复合片和巴拉斯钻头进行了深入的研究,钻进效率提高了50%左右。在油气田深井硬岩钻探领域,NR826系列金刚石孕镶钻头配合螺杆钻具同比牙轮钻头,机械钻速提高18%~85%,钻头寿命提高5~8倍。此外,我国在海洋深水钻探复合片钻头方面的研究也取得了长足的进步。     

日本金刚石复合片钻头研究现状

金刚石复合片最初呈圆片形，用作金属材料切削工具，由人造金刚石烧结体和WC—Co硬质合金基座构成（图1）。以往的钻头用金刚石复合片通常采用低温钎焊（不超过650℃）或压入法镶嵌到钻头上（前角为-10°—-25°）。此种钻头以剪切作用钻进，钻进效率比牙轮钻头高。金刚石复合片材料来源广，成本     

扭力冲击器复合钻进工艺在干热岩钻井中的试验应用

扭力冲击器在石油、天然气行业钻井中得到广泛应用,具有提速增效的作用。而干热岩钻井工作环境不同于油气钻井,面临着高温、高压、硬岩、强研麿性以及深井、超深井等问题,因此对扭力冲击器进行了针对性设计,并进行试验应用。在扭力冲击器2次入井试验中,对硬-极硬岩地层进行了不同钻具组合下的钻进试验,确定了扭力冲击器对钻进效率的影响机理。结果表明：（1）扭力冲击器能够消除螺杆钻具因离心惯性力造成钻具的横向振动,验证了扭力冲击器与螺杆钻具组合应用的可行性。相比未使用扭力冲击器井段,机械钻速提高29.59%。（2）从碎岩机理和地层适配性上,相比PDC钻头,牙轮钻头在扭力冲击器+螺杆钻具+转盘复合钻进的方式下,有着较高的钻进优势。试验成果可为扭力冲击器与牙轮钻头匹配性研究和扭力冲击器与螺杆钻具的耦合性研究提供较好的技术基础。     

深井涡轮钻具复合钻进技术应用

准噶尔盆地深层二叠系岩石抗压强度高、地层硬,可钻性差。为提高深部硬地层钻井速度、加快准噶尔盆地勘探开发,近年来新疆油田开展了涡轮钻具提高深部硬地层钻井速度的技术应用。介绍了涡轮钻具配PDC钻头、孕镶钻头试验应用的两口井情况,就深井涡轮钻具复合钻进施工方案、技术措施等进行了分析。这对加快同类型地质条件其它区块深井硬地层钻井速度具有借鉴意义。     

煤层底板灰岩层注浆定向水平井用PDC钻头个性化设计

针对煤层底板灰岩层定向水平注浆井钻进工艺特点及灰岩层地层特性,通过分析现场地质特征及构造、钻孔设计以及井身结构等特点,对拟钻地层特性、钻进工艺以及常规钻头磨损情况进行研究,对钻头剖面形状、切削齿排布、切削齿安装角度以及金刚石复合片优选进行优化设计。新设计钻头采用抛物线剖面,极限密度布齿并针对关键部位增加后备齿加强的方案,降低钻头关键部位磨损,提高钻头攻击性,以通过数值模拟分析异形切削齿破岩效率,以强化鼻部切削齿,提高钻头抗冲击韧性,防止钻头冲击破坏。采用优化设计的钻头进行现场试验,使用寿命较常规PDC钻头提高58.18%|复合钻进平均速度较常规PDC钻头提高50%|定向钻进平均速度较常规PDC钻头提高56.52%,实现了灰岩层底板注浆施工优快钻井需求,为硬岩裂隙地层定向井钻进施工提供了钻头设计方案,为同类地层注浆井的施工提供了技术支撑。     

Φ215.9mm四牙轮取心钻头设计与应用

针对硬岩及复杂地层取心钻进效率低、钻头寿命短的问题,依托“深海钻探技术与工程支撑”项目研制了Φ215.9 mm四牙轮取心钻头。通过合理布置牙轮角度与分布、优化取心结构,有效提高岩心采取率,保证钻头在硬岩中的钻进速度与可靠性。在之前进行了陆地试验和海洋试验并不断优化改进的基础上,本次在内蒙古自治区呼和浩特市清水河县首次进行了实验性的地热勘探取心施工,全段地层均为高研磨性、高硬度花岗岩,取心困难。采用Φ215.9 mm牙轮取心钻头配合常规的取心钻具,钻进效率达1.2 m/h,岩心采取率为70%~90%,取得了较好的应用效果,为海洋钻探硬岩取心提供了技术保障。     

元坝地区珍珠冲地层新型三牙轮钻头的研制与应用

砂砾岩地层是钻井工程中的难钻地层,如何提高砂砾岩地层的钻进效率和钻头寿命一直是工程实践中的重要问题。针对在元坝地区珍珠冲石英砂砾岩地层钻进过程中,使用普通型牙轮钻头外排齿易早期断齿、综合使用指标低的问题,开展了地层岩性、钻头使用与失效分析。针对性地开展了钻头的切削结构、齿材优化以及加强保径等方面的研究,优化设计、研制出HJT547GKL型新型三牙轮钻头。现场试用结果表明,这种新型牙轮钻头在元坝地区珍珠冲组石英砂砾岩地层钻进中有较高的行程进尺。该钻头是一种结构简单、扶正保径好、可靠实用,适用于较硬、有硬夹地层的新型实用三牙轮钻头。     

涡轮钻井技术在梨树断陷区块的应用

梨树断陷区块登娄库组、营城组、沙河子组、火石岭组地层可钻性差、岩性较致密、局部含砾严重,并且沙河子组局部层位岩石硬度达到7级,采用常规钻井技术,存在牙轮钻头效率低、寿命短等问题;各种型号PDC钻头试用后效果不理想。通过采用涡轮钻井技术,平均机械钻速提高了4倍,钻井周期缩短,钻井综合成本大大降低。实践证明,高速涡轮钻具+孕镶金刚石钻井技术是高研磨性、高抗挤强度、高温地层深井钻进提速的有效技术。     

中硬岩层钻进孕镶金刚石复合片钻头的研究与应用

针对中硬岩层的特点设计了一种孕镶金刚石复合片钻头,介绍了其切削结构、特点及切削原理。在钻进中硬岩层时,复合片切削齿和孕镶金刚石后支撑能够共同发挥切削作用,提高钻头钻进效率和钻头的稳定性并且能使钻头具有较长的寿命。     

金刚石复合石油片钻头在煤田普查中的应用

中宝矿产资源开发有限公司为提高钻探速度,试验使用了金刚石复合石油片(以下简称PDC石油片)钻头。在宝鸡黄陇煤田复杂地层深井钻进的使用结果表明,PDC石油片钻头可大幅度提高机械钻速,缩短钻探周期,降低钻井成本。通过大量的现场试验,扩大了PDC石油片钻头在中宝公司工地的使用范围,并取得了很好的效果,初步形成了PDC钻头推广应用区域模式。     

高温硬岩空气潜孔锤钻头设计

干热岩试验性开发井钻井施工,在高温硬岩的地层条件下,如何实现高效钻进仍存在很多技术难点。空气潜孔锤钻进技术是解决硬岩地层钻进的有效方法之一,潜孔锤钻头是空气潜孔锤钻进的关键器具。根据青海共和干热岩GH-01井空气潜孔锤钻进技术应用情况,分析探讨了空气潜孔锤钻头断齿、掉齿、磨损严重、使用寿命短等问题,从钻头结构设计、钻头材料选取、钻头冷压固齿工艺等几个方面对空气潜孔锤钻头进行了优化。固齿优化过程中采用有限元分析方法,对钻头冷压固齿过盈量进行仿真分析计算,根据分析计算结果确定最优固齿过盈量。通过对潜孔锤钻头结构、材料、加工等优化,为适用于高温硬岩的空气潜孔锤钻头研制提供了借鉴。为提高空气潜孔锤钻进综合效率,为干热岩钻探开发提供了技术支持和技术储备。     

金3井混镶金刚石钻头的设计与应用

针对东北地区金3井沙河子组致密泥岩和砂砾岩互层,地层软硬交错、研磨性强,钻进机械效率低,钻头寿命短的问题,通过改进胎体配方、采用耐磨的混镶金刚石热压镶嵌齿作为切削齿、优化了钻头的切削结构、采用CFD软件进行钻头水力结构模拟与优化,研制了混镶金刚石钻头(NR826M)。所设计的钻头在金3井共使用了3只,总进尺784.69 m,钻头平均机械钻速1.03 m/h,单只钻头最高进尺295.03 m,钻头寿命是牙轮钻头的6.5倍,机械钻速是牙轮钻头的1.5倍,为该井缩短了钻井周期40天,降低了钻井施工成本,也为该地区同类地层的钻头选型提供了更多的选择。     

硬地层PDC钻头优快钻井配套技术研究进展

PDC钻头配合动力钻具、水力设备等辅助设备钻进能够有效提高硬地层破岩效果,降低硬地层钻井成本。在调研近年来国内外硬地层PDC钻头优快钻进配套技术研究成果的基础上,总结分析不同配套设备及配套技术的使用特点及局限性。针对我国现有配套设备和配套技术的发展现状,指出应加强对动力钻具、水力设备等使用寿命的研究,提高其性能、可靠性和使用寿命。同时,应加快对动力钻具+水力设备配合PDC钻头钻进作用机理的研究,实现机械-水力联合高效破岩钻进,提高硬地层钻井破岩效率。     

钻探用金刚石的铁磁性及其与钻头工作性能关系的试验研究

为了提高金刚石钻进的效益，国内许多钻头研究者对金刚石钻头的某些结构参数与地层的适应性关系进行了深入的研究。但对金刚石磨料性能与钻头工作性能关系的研究似乎很少。据文献记载，人造金刚石的铁磁性对其物理化学性能及钻头的工作性能有显著的影响。本文通过试验数据，分析钻探用人造金刚石的铁磁性与其质量及钻头工作性能间的关系。提出人造金刚石的最优化磁选工艺规程和提高金刚石钻进经济效益的途径。     

关于复合片钻头磨损的试验研究

阐述了复合片钻头在金刚石钻进试验台上钻进大理岩和花岗岩的试验研究结果。用试验设计方法研究了复合片钻头绝对磨损和相对磨损同钻进规程参数的关系，建立了相应的数学模型，利用这些数学模型可以求出钻头相对磨损最小值以及与其相应的最优钻头压力、钻头转速和冲洗液量。