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。     

使用新型PDC钻头提高石西地区钻井速度的设想

本文主要阐述石西地区适合PDC钻头所钻地层及PDC钻头的选型、新型PDC钻头的特点性能、PDC钻头钻进的使用工艺措施，钻井参数等内容，通过现场资料分析和初步尝试，达到提高石西地区钻井速度的目的。     

一种可钻硬地层的PDC钻头

美国Hughes Christensen Genesis公司研制成功的ZX聚晶金刚石复合片（PDC）钻头，是为极端钻井而设计的，适用于硬质岩层和磨蚀性岩层。该钻头牙轮可抗磨蚀，其水力学设计可使牙轮有效地偏离钻头运动。此外，其高稳定性可适用于交互层钻井。副牙轮元件的设计使牙轮密度达到最大。顶部牙轮采用层状金刚石技术，以提高抗磨蚀和韧性为目的。在该钻头的切削面积上．有高密度的牙轮和副牙轮组合。副牙轮元件位于牙轮下方，当牙轮磨损或磨蚀后，副牙轮新的锐利切削机构就开始磨削地层。该公司的切削深度控制技术可平衡钻头的工作载荷，平稳的切削技术无须限制切削面积，就可减少钻头磨损。该钻头的水力结构依靠流体动态计算程序来实现液流平衡、牙轮冷却和抗冲蚀等的优化。     

小井眼PDC钻头自平衡抗回旋技术分析

PDC钻头在小井眼钻井中,能取得较好的钻井效果。但钻头体的回旋运动,常导致钻头早期失效。因此,如何控制PDC钻头的回旋抵抗性能,决定了PDC的使用寿命。钻头体回旋运动与横向振动有着直接联系。本文根据PDC钻头的使用情况,提出了PDC钻头自平衡抗回旋技术。     

新型PDC钻头概述

<正> 70年代初美国人发明了PDC钻头。在世界范围内得到了普遍应用。PDC钻头在软到中硬地层中具有机械钻速快、寿命长、钻进平稳等优点。为扩大PDC钻头的使用范围,使之能有效地钻穿硬夹层或较硬的地层,提高钻头在复杂地层内的钻进效率,世界各大钻头厂家又相继研制出了新型PDC钻头。Christensen公司研制的Mosaic、Hycalog公司研制的Hybrid和DBS公司研制的PD型和TD型等新型PDC钻头,大大提高了PDC钻头的抗冲击能力、抗冲蚀性     

小井眼PDC钻头的自平衡抗回旋技术

针对小井眼PDC钻头的实际工作条件,提出了在小井眼钻井中具有普遍意义的PDC钻头的横向力自平衡抗回旋技术.分析了钻头的受力状态与钻头回旋运动之间的关系,并对自平衡抗回旋技术的基本原理、设计方法和技术准则作了阐述.将该技术应用到小尺寸PDC钻头设计中,开发出可在直井、定向井以及水平井等各种小井眼钻井中使用的新型直径为114mmPDC钻头.简要介绍了该钻头的设计原理、结构特点和重要的技术参数.小井眼PDC钻头在大港油田直径为140mm套管开窗侧钻井的钻井工程中取得了良好的技术效益和经济效益.磨损分析结果表明,切削齿磨损速率低,磨损量均衡,聚晶金刚石层未见明显的脆性崩裂,具有良好的抗回旋性能.     

PDC钻头的布齿及性能预测

以PDC钻头的切削齿工作参数计算程序为基础,对PDC钻头的等体积破岩的布齿方法进行了研究,同时讨论了PDC钻头侧向载荷的计算方法、切削齿位置参数对破岩体积的影响。此外,还对PDC钻头的钻进特性曲线,以及采用不同设计方案时的钻头性能进行了预测。     

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。     

泥页岩新型防泥包PDC钻头设计及应用

PDC钻头在泥页岩中钻进时容易出现泥包现象,岩屑粘附于切削齿和刀翼顶面,使切削齿无法有效吃入地层。为此,研究了钻头冠部轮廓、切削结构、刀翼形状和水力结构等对PDC钻头防泥包性能的影响,并设计了新型防泥包PDC钻头。通过对PDC钻头体三维造型进行特殊设计,可以有效解决水眼堵塞、钻头泥包的难题,钢体PDC钻头以其无可比拟的优点应用会越来越广泛。滨深24X1井的现场试验结果表明,新型防泥包PDC钻头具有显著的防泥包性能,机械钻速高,在大港油田泥岩作业中有很高的推广应用价值。     

改进PDC钻头性能的设计方法

在概述了现有PDC钻头的设计和制造情况的基础上, 从机械设计和水力设计 2个方面提出了优化设计PDC钻头和提高PDC钻头性能的方法, 并介绍了新型PDC钻头机械和水力结构设计的特点。实践证明, 利用数字化方法改进PDC钻头的设计比传统的试验方法具有设计周期短、成本低和准确度高的特点, 是一种可取的设计方法。     

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。     

新型定向井PDC钻头的研制与应用

针对常规PDC钻头在胜利油田临盘区块定向井钻井施工中，工具面不稳定、难以控制、滑动钻进时钻压较小、钻速低的问题，研制出了一种新型定向井PDC钻头。该PDC钻头采用短剖面形状，特殊双重切削布齿结构，又对钻头进行了力平衡设计，把钻头的侧向力减到最小，增加了钻头工作时的稳定性。在临盘区块多口定向井的现场应用表明，新型定向井PDC钻头滑动钻进时钻压变化的敏感度小，工具面可控性好，复合钻进机械钻速和定向井机械钻速较常规PDC钻头都有较大幅度提高，且提高了钻井和下套管效率及井身质量。     

高研磨性地层异形加长齿PDC钻头研发及应用

低渗气藏典型高研磨性地层具有埋藏深、岩石致密、砂泥岩互换频繁、研磨性强、可钻性差、石英含量高的特点,常规PDC钻头在此类地层破岩效果不佳,钻头进尺和钻头寿命得不到有效保障.为此,从钻头齿形设计、布齿结构、复合片加工、钻头制造、检测等一系列关键技术出发,设计并制造了一种新型PDC钻头——异形加长齿PDC钻头,并开展了室内模拟实验和现场入井试验.通过现场应用表明,该新型钻头能突破高研磨、强非均质性地层PDC钻头的应用禁区,在行程进尺和机械钻速方面,与国外优质钻头性能相当,实现了针对高研磨性地层PDC钻头的国产化研发,具有较高的推广应用前景.     

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。      

新一代的PDC钻头——优质GeoDiamond MA—89钻头

在委内瑞拉LagodeMaracaibo地区的Ceuta油田 ,新一代的聚晶金刚石复合片 (PDC)钻头重新定义了钻井作业的效率 ,且降低了钻井成本。其独特的切削结构和PDC齿技术的进步在这一挑战应用中证明了新一代PDC钻头的优质性能     

ONYX 360旋转PDC切削齿钻头技术及其应用

为改变传统PDC切削齿切削方式,延长单只钻头使用寿命、提高钻井效率,斯伦贝谢研发出了新型Onyx 360旋转PDC切削齿钻头。文章介绍了新型Onyx 360旋转PDC切削齿的结构原理,与传统固定PDC切削齿钻头进行了对比,分析了国外及我国新疆克深地区的现场使用效果,现场应用表明:新型Onyx 360旋转PDC切削齿钻头使用寿命长,机械钻速高,钻井效率显著提高,节约了钻井施工成本。建议研发适用性更广的旋转PDC切削齿钻头,以推广扩大该种新型钻头的使用范围。     

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。     

赛克瑞特DBS公司的新型密封系统及PDC切削齿

赛克瑞特(Security)DBS公司在其高性能的“能量平衡”(Energy Balanced^TM)系列牙轮钻头上应用了新型轴承密封系统，以提高钻头的稳定性。同时该公司还在其FM3000^TM系列固定切削结构钻头上采用了先进的Z3^TM PDC切削齿技术，以提高钻头的耐磨性及抗冲击性。这两种系列钻头的设计均应用了“用户界面”(Customer Interface-DatCI^TM)软件程序，采用用户的第一手资料及先进的优化工具来实现特定应用设计的性能最大化。     

挠性抗回旋PDC钻头的有限元分析

回旋是导致PDC钻头早期失效的主要原因，介绍了一种基于挠性钻头的构想设计的抗回旋PDC钻头，阐述了其结构和抗回旋原理。对挠性钻头的公、母接头进行了有限元应力分析，说明了模型建立、网格划分以及约束和载荷施加过程中所采用的方法和关键技术。有限元分析结果表明挠性钻头的强度满足要求。