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。     

三维振动冲击器钻井提速工具研制与现场试验

为消除PDC钻头的黏滑振动现象,降低滑动导向钻进摩阻,提高机械钻速,延长PDC钻头的使用寿命,研制了一种新型钻井提速工具——三维振动冲击器。三维振动冲击器结构紧凑,无橡胶件和电子元器件,耐高温高压,工作安全可靠;轴向冲击减小了整个钻柱的摩阻力,增强了PDC钻头吃入硬地层的能力,周向冲击消除了钻进过程中的黏滑现象,有利于钻头均匀切削,在中海油临兴致密气区块5口井的现场试验中,工具的工作寿命超过150 h,较邻井提高机械钻速45%以上,可以与螺杆钻具配合使用。研制的三维振动冲击器改善了定向钻进工具面的控制,有效提高了定向能力和定向钻进速度。     

定向PDC钻头

为解决常规PDC钻头在定向作业时产生的反扭矩大而造成工具面不稳定、造斜作业时常常停顿的问题,中国石油渤海装备中成机械制造公司研究开发了一种特殊的定向PDC钻头。该定向PDC钻头采用紧凑型结构设计、应用低扭矩高效破岩理论、预破应力布齿和井底流场仿真计算等技术,减少了切削反扭矩对定向工具面的影响,钻进扭矩变化小、工具面摆放稳定、定向能力强、造斜效果好、机械钻速快、使用寿命长、技术水平先进,定向效果处于国内领先水平。定向PDC钻头作为特性钻头的一种,应用前景十分广阔。     

川东北海相地层PDC钻头优化设计及应用

针对川东北地区海相地层钻井速度慢、周期长等问题,采用室内试验、统计分析与理论研究相结合的方法,对海相地层抗钻特性进行分析,对高效破岩工具进行了优化设计,优选出适合海相地层PDC钻头的切削齿尺寸和后倾角。从剖面形状设计、布齿设计、力平衡设计和水力设计等方面对PDC钻头进行优化设计,研制出适合川东北海相地层高效钻进的个性化PDC钻头。现场应用结果表明,研制的P613MRR型PDC钻头能够大幅度提高机械钻速和钻头进尺,降低钻井成本,为海相地层的高效开发提供有力保障。     

PDC-牙轮复合钻头在南堡油田大斜度井的应用

南堡油田大斜度井采用PDC钻头或牙轮钻头进行定向钻进时,存在摩阻大、托压严重、扭矩波动大和工具面不易摆放等问题,为解决该问题,应用了将PDC钻头和牙轮钻头优点结合在一起的PDC-牙轮复合钻头,并根据该油田地层的特性,对其进行个性化设计,设计了"2 PDC固定刀翼+2牙轮"和"4 PDC固定刀翼+2牙轮"2种切削结构的PDC-牙轮复合钻头。"2牙轮+2 PDC固定刀翼"复合钻头和"4 PDC固定刀翼+2牙轮"复合钻头分别在NP2-33井和NP5-28井进行了现场试验,在定向钻进过程中均未出现托压现象,工具面稳定,扭矩波动幅度小,造斜性能与牙轮钻头相当,机械钻速与进尺均大幅提高,且返出岩屑粒度大,岩屑分选性好,有利于判别地层岩性和录井。现场试验表明,应用PDC-牙轮复合钻头能解决南堡油田大斜度井定向钻进时托压严重、扭矩波动大和工具面不易摆放等问题,为提高大斜度井定向井段的钻速提供了一种新技术。      

苏里格区块上部井段PDC钻头研究与应用

大量的钻井实践证明,PDC钻头的剖面形状、切削齿尺寸、后倾角的大小、布齿密度的高低和流道喷嘴设计,对PDC钻头破岩效率和使用寿命有着十分重要的影响。针对苏里格区块2800 m以上井段地层特点,采用现场实践和数值模拟相结合的方法,确定出合理的剖面形状、切削齿尺寸及后倾角、布齿密度和水力结构,研制出?215.9 mmG1943型PDC钻头,该型号钻头在苏里格地区上部井段应用了10井次,平均单只进尺2154.31 m,平均机械钻速26.21 m/h,与临井对比机械钻速提高了29.62%。该型号钻头使用寿命长、机械钻速高,具有很高的推广应用价值。     

水平井PDC钻头研制及应用探讨

在水平井钻井施工中常规PDC钻头使用经常遇到的难点是定向造斜段和水平段,定向造斜段PDC钻头在定向钻井施工过程中导向能力差,工具面不稳定,方位难以控制需要频繁调整工具面,无法正常钻进,大大延误了钻井时间;在水平井段钻头稳定性差,机械钻速低,寿命短,增加了起下钻时间。通过分析在水平井钻井施工中定向斜井段和水平井段使用的PDC钻头特点,介绍了水平井PDC钻头设计过程中对钻头轮廓、切削结构、水力结构、保径等特殊结构的设计方法,并且在长庆油田苏里格气田多口水平井进行了应用试验,试验结果表明钻头进尺和机械钻速较邻井钻头有很大幅度的提高,达到了预期目的,验证了水平井钻头设计方案的可行性。     

凸脊型非平面齿PDC钻头的研制与现场试验

常规PDC钻头在钻进塔里木油田库车山前巨厚砾石层时存在破岩效率低、机械钻速慢和钻井周期长等问题,分析认为,砾石对常规PDC钻头的平面齿产生较大冲击力导致切削齿崩齿或严重磨损是钻速低的主要原因。为此,设计了一种凸脊型非平面齿,并研制了配套PDC钻头,将钻头破岩方式由常规PDC钻头的面切削转变为线压裂和面挤压,大大提高了钻头破岩效率。室内试验表明,凸脊型非平面齿具有良好的抗冲击性能与抗研磨性能,抗冲击性能是平面齿的10倍以上。2只凸脊型非平面齿PDC钻头在库车山前地区博孜区块某井砾石层井段进行了现场试验,创造了机械钻速最高、单只钻头进尺最长的区块纪录,与邻井常规PDC钻头相比,进尺提高1.5倍以上,平均机械钻速提高64%以上,提速效果明显。研究与试验表明,凸脊型非平面齿PDC钻头能够较好地满足库车山前巨厚砾石层高效钻进的要求,可为库车山前深层天然气的高效勘探开发提供了技术支持。      

特种孕镶块加强PDC钻头的研制与试验

为提高PDC钻头在研磨性硬地层中的机械钻速、延长钻头寿命,研制了特种孕镶块加强PDC钻头.该钻头以PDC切削齿为主切削元件,天然金刚石孕镶块为副切削元件,既具有常规PDC钻头破岩效率较高的特点,又具有孕镶金刚石钻头在研磨性硬地层寿命长的特点.在钻头开始工作时,主要为PDC切削齿"犁切"式破岩,当PDC切削齿磨损到一定程度后,天然金刚石开始磨削岩石,形成"犁沟",有助于 PDC切削齿吃入并切削岩石.该钻头在东北金山气田金古 1-1HF 水平井基底花岗岩硬地层进行了现场试验,平均机械钻速达到4.46 m/h,是同井同地层常规PDC钻头机械钻速的1.5倍,是2口邻井同井段牙轮钻头和常规PDC钻头机械钻速的2倍以上,其使用寿命也达到2口邻井同井段牙轮钻头和常规PDC钻头的2倍以上,取得了良好的现场应用效果.特种孕镶块加强PDC钻头的成功研制,为钻进强研磨性硬地层提供了一种新的高效破岩工具.      

衡转矩钻井工具研制

PDC钻头在难钻地层钻进时有“憋跳钻”现象严重、钻头机械钻速低、单只钻头进尺低等问题。研制了一种衡转矩钻井工具,该工具采用弹簧+螺旋导向机构的机械传动方式,实时存储、释放钻井转矩能量; 通过对钻头的破岩能量实时优化,实现了钻井转矩波动的“消峰填谷”,平稳钻进。试验结果表明,衡转矩钻井工具设计合理、性能可靠,可满足直井和定向井工程需求,能够有效减少钻井转矩波动、提高钻头进尺及机械钻速。     

宣页1井新型PDC钻头设计与应用

为了提高宣页1井二开井段印渚埠组地层的机械钻速、减小井斜角,以加强PDC钻头的稳定性、耐磨性、降斜性为设计目标,设计出了新型311.1 mm六刀翼PDC钻头。设计钻头时采用了小锥角、浅内锥冠部及短保径、短接头结构、高密度布齿、硬质合金限位减振齿等方法。设计的PDC钻头配合垂直钻井系统AVDS,在宣页1井805.61~1 017.18 m井段进行了现场应用,平均机械钻速达到3.28 m/h,与同地层常规PDC钻头相比提高8.61%;最小井斜角达到1.09°,与常规PDC钻头钻进井段相比减小明显,井斜问题得到了很好的控制。现场应用表明,设计的新型PDC钻头具有较好的井斜控制能力、稳定性及岩石切削效果,可达到防斜打快的目的。      

适合多夹层地层PDC钻头设计及应用

PDC钻头在钻井破岩中所占的比例越来越大,但在软硬交错的多夹层地层钻进时效果却不理想,常常发生先期损失。针对胜利油田多夹层地层特点进行了PDC钻头的优化设计,开创了钻头切削结构设计新方法,改进了钻头的水力结构设计,采用了多种稳定性结构设计方法。根据该设计制造的一种新型复合式PDC钻头在多夹层地层中取得了较好的应用效果。与牙轮钻头相比,使用新型复合PDC钻头机械钻速高,进尺多,井身质量好,对加快油田勘探开发速度、降低钻井成本有积极的意义。     

定向钻井PDC钻头切削参数计算方法

定向钻井PDC钻头的优化设计和导向性能分析需要准确计算PDC切削齿的切削面积、切削体积和切削弧弧长等切削参数。针对弯外壳螺杆马达或推靠式旋转导向系统,运用空间解析几何理论和数值计算方法,分析了PDC钻头在井底的运动状态,建立了切削齿的运动轨迹方程和切痕曲线方程。综合考虑了钻头偏转角、钻头的复杂运动、钻头结构参数及切削齿切削的先后次序等因素的影响,建立了切削齿的切削面积、切削体积和切削弧弧长等切削参数的数值计算方法,为PDC钻头的计算机优化设计和定向钻井PDC钻头的导向性能分析提供了一种分析手段。实例计算表明,模型和方法具有实用性,可进一步推广应用。     

增强造斜易控性的新型PDC钻头工作特性

为提高特殊赋存条件下的油气井定向钻进过程钻头的造斜可控性,提出一种新型的PDC钻头设计方案。综合考虑钻头心部锥角、冠部形状、过渡圆弧半径和中心线位置等因素,研究其造斜易控特性。进行了钻头的线型轮廓设计,建立了造斜段钻头的力学分析模型,并在此基础上分析了钻头破岩过程的造斜特性;根据实验测试结果,分析轮廓设计参数对钻头破岩特性的影响。研究结果表明:心部锥角和过渡圆弧半径对PDC钻头的造斜能力及造斜曲率影响较大;心部锥角太深,使钻头偏转能力下降,进而导致其造斜曲率过大;心部锥角太浅,钻头稳斜能力显著下降,使实际稳斜阶段曲线较设计曲线偏离较大;在定向井实际钻进过程中,增强造斜易控性的新型PDC钻头能较好地解决现有常规PDC钻头偏转能力弱、造斜曲率过大的缺点。建立的分析模型综合考虑了钻头在定向钻进时的复杂工况,并对相关研究进行了修正和完善;同时,通过相关参数的调整,可将分析模型应用于其他情况下的分析研究,研究结论对定向井技术的发展及钻井工具的研制具有重要参考意义。     

PDC钻头厚层砾岩钻进技术探索与实践

为了降低海上钻井作业成本、提高作业效率,开发了PDC钻头厚层砾岩钻进技术。在保持普通PDC钻头快速切削性能的基础上,通过优选新型高强度PDC切削齿、改进钻头切削结构提高钻头的整体强度,通过采用后倾角渐变、力平衡设计、加强切削齿保护等方法提高钻头的稳定性,并且在使用中通过优化钻具组合、采用合理的钻井参数和"中低排量-中低转速-中高钻压"的平稳钻进模式预防PDC钻头在砾岩段的先期破坏,有效延长了钻头在砾岩钻进中的寿命。应用该技术实现了用PDC钻头在辽东湾一次性钻穿馆陶组和东营组上部疏松地层中垂厚近80m的砾岩段,有的井钻穿砾岩段后又直接钻下部中硬地层至完钻井深。采用PDC钻头厚层砾岩钻进技术,可以大量节省海上钻井作业时间,显著降低钻井费用。     

伊拉克艾哈代布油田快速钻井技术

艾哈代布油田可采储量丰富,但新近系-古近系地层存在易蠕变的大段盐膏层、易坍塌的大段泥岩和泥质灰岩,盐膏层段和下白垩系地层可钻性较差,造成钻井过程中复杂情况频出、机械钻速低,从而导致钻井周期长。为了提高艾哈代布油田的整体开发进程,进行了钻井技术集成,形成了艾哈代布油田快速钻井技术。根据地层压力剖面优化水平井井身结构;根据地质特征、开发要求及钻井工艺水平,将水平井设计为双增剖面、中曲率半径的水平井;采用统一防碰设计进行井眼轨道整体设计;根据室内综合评价结果优选出了抑制性强的、抗盐钙侵的聚磺钻井液;将利用地层可钻性剖面优选出的PDC钻头与螺杆钻具配合进行复合导向钻进;丛式井组利用滑轨整体移动技术进行钻机搬迁安装。现场应用表明,快速钻井技术有效控制了缩径、阻卡等复杂情况,各井型机械钻速提高1倍以上,钻井周期平均缩短近50%。该快速钻井技术为艾哈代布油田高效开发提供了工程技术保障。      

复合PDC钻头在桩西地区定向井中的应用

PDC钻头在胜利油田桩西地区的成功应用，大大地提高了该地区的机械钻速。但由于PDC钻头在结构与钻进参数上的特殊性，造成了其在定向井中井眼轨迹控制方面的难度。总结PDC钻头在桩西地区定向井中应用所表现出的部分规律，提出了在该地区采用PDC钻头的改进技术，并介绍了典型的成功实例。     

新型PDC钻头设计与现场试验

为充分发挥PDC钻头在软到中硬地层钻进时钻速高、寿命长的特点,同时减少大尺寸PDC钻头钻进扭矩大的不足,进行了PDC钻头新型结构研究,以提高深井大尺寸井眼钻井速度。针对深井开孔尺寸较大的特点,对PDC钻头几何结构和切削结构进行了分析研究,提出了新型切削结构理论——钻扩型切削结构,该结构特点可降低PDC钻头的破碎功,改变切削力的分布,从而达到提高钻速、减小扭矩的目的。根据该理论设计、制造出的PDC钻头,在上部地层的大尺寸井眼钻进中取得了较好的应用效果,扩大了PDC钻头的应用范围。现场试验结果证明,新型切削结构设计降低了钻进大尺寸井眼的扭矩,合理地分配了破碎能量,提高了钻头稳定性和钻柱的抗振性,降低了钻头回旋趋势,从而达到较高的机械钻速和较好的定向控制。