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。     

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。     

新型旋转PDC切削齿钻头技术研究与应用

新型旋转PDC切削齿钻头技术可有效解决固定PDC切削齿偏磨问题,延长使用寿命,提高机械钻速,有利于提高钻井效率,降低钻井施工成本,是钻头技术的一大进步。介绍了传统固定PDC切削齿技术的缺陷和新型旋转PDC切削齿技术的技术原理、耐用性测试及钻头规格,分析了新型旋转PDC切削齿钻头的现场应用效果,并针对其发展趋势提出建议:建议研发能在更坚硬、研磨性更强的地层岩石中钻进的旋转PDC切削齿钻头,为干热岩储层开发和超深井钻井提速提效提供技术支撑;建议将旋转PDC切削齿技术应用于扩眼器,以延长其使用寿命。     

PDC钻头异形切削齿研究进展

为满足不同硬度、强研磨性及非均质地层岩石的需要,提高钻井效率,国外一些公司在PDC钻头常规圆柱状切削齿的基础上持续创新,研发了一系列创新型几何设计的新型PDC钻头异形切削齿。介绍了脊形切削齿、楔(V)形切削齿、凿形切削齿和其他异形齿的结构和性能。个性化异形切削齿是未来发展的主要方向,深入开展常规圆柱状切削齿和各种异形切削齿混合式个性化PDC钻头的研发,对钻头的切削结构进行优化,合理布置各种切削齿,充分发挥各自的优势,以解决深部地层可钻性差导致的机械钻速慢、钻井效率低的难题。     

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。     

钻井用PDC切削齿的发展

1972年，钻井工业界首次从国外引进PDC产品，而现在，PDC钻头已占到钻头市场总份额的45％。这主要是过去十年间PDC产品和钻头制造工艺技术持续发展的结果。目前，各类PDC产品已经能够为钻头制造商和钻井作业单位提供灵活、耐用和性价比高的选择。PDC产品对固定切削齿钻头市场的成长、钻井效率的提高和钻井成本的大幅降低都做出了很大贡献。     

单弯螺杆复合钻井时PDC钻头切削齿的工作参数

在采用单弯螺杆复合钻井时,PDC钻头切削齿的工作参数设计影响着钻头的工作性能以及钻井效率.PDC钻头在钻进过程中,钻头相对于井底做复合运动,一方面钻头绕自身轴线旋转并向下钻进,为螺旋运动;另一方面钻头在井底做规则或不规则的回旋运动.通过严格的数学推导,得出了切削齿的特征线方程,给出了刃前角和刃倾角的计算公式.利用计算公式,针对钻头结构参数,研究了侧转角、齿前角对刃前角和刃倾角的影响规律.     

金刚石油井钻井公司的加强型PDC钻头产品

为提高机械钻速，美国金刚石油井钻井公司(DOWDCO)的Torque Master^TM系列PDC钻头应用了新的专有刮刀设计结构和增强型切削齿布置技术；同时，为改进钻头的耐用性，采用了盾形镶齿。     

精密钻井公司的优质PDC钻头

美国精密钻井公司的联合金刚石分公司目前可生产50多种规格的PDC钻头,其钻头特点是无柄部、单体式结构、平形轮廓,从而能够优化自钻头中心到规径部位的切削深度.该公司通过应用最新的切削齿技术,使其新型优质非平面齿能够具有更好的抗冲击性能和耐磨性能,进而提高钻井效率.独特的设计结构、布齿方式、钻头轮廓以及非平面型切削齿的采用,使其钻头能够产生恒定的扭矩且造斜率稳定.     

休斯·克里斯坦森公司的新型PDC钻头及牙轮钻头

美国休斯·克里斯坦森公司新近推出一种称为Gerlesis XT的新型PDC钻头,能够用于钻进硬度和研磨性更大的地层。Genesis XT型PDC钻头采用了该公司的新一代切削齿和已获专利的切削深度控制技术,以便能在恶劣的钻井环境中提高钻头的稳定性和耐用性。其新一代切削齿称之为OdysseyTM系列齿,工程技术人员对齿上碳化钨基体与人造金刚石层之间的界面进行了优化,从而使这种齿的韧性大为改善。由于采用了EZSteerTM切削深度控制技术,该钻头在钻进一般性地层时更为平滑和稳定,而在钻进有夹层的地层时,其SmoothCutTM(平滑切削)技术则又能使钻头获得良好的钻进效果。另外,该新型钻头因采用了多层式金刚石层技术而具有优良的耐磨性能。这些技术的综合运用延长了钻头寿命、提高了钻井效率。     

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     

PDC钻头布齿计算方法的研究现状及发展

PDC钻头布齿计算是为了确定钻头上各个切削齿在空间中的坐标位置。针对同一优化目标不同的计算方法得出的切削齿位置差别很大,设计出的PDC钻头性能也会截然不同。以近年来国内外PDC钻头布齿设计研究的文献为基础,论述了PDC钻头3原则布齿和力平衡布齿的最新进展,提出了研究中存在的问题。经分析知,PDC钻头布齿设计的计算方法大多以经典3原则为基础,且以等体积为布齿原则进行计算的研究较多;力平衡布齿是PDC钻头稳定性设计的核心,但由于对切削载荷模型研究的限制,其结果与实际差距较大。PDC钻头布齿设计计算方法的研究仍处于对计算模型简化的阶段,随着PDC钻头个性化设计的提出,针对不同钻头性能与要求,综合考虑整个钻井因素进行布齿是今后PDC钻头设计研究的重点。     

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。     

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.     

胜利油田东营北带砂砾岩体PDC钻头个性化设计与应用

针对胜利油田东营北带丰深1与盐227区块沙四下砂砾岩体地层岩石研磨性强、可钻性差、机械钻速低、钻头寿命短的技术难题,开展了旋流PDC钻头个性化设计与应用研究。通过室内实验,优选出了适合该地层特点的PDC切削齿类型;通过电脑模拟,优化了钻头的冠部轮廓、切削结构和切削齿后倾角设计;研制出旋转射流喷嘴,设计并试制了水力与机械联合破岩的新型PDC钻头。在丰深1-平1井的砂砾岩体地层中进行了钻井试验,与其他类型PDC钻头相比,机械钻速提高了46.8%,单只钻头进尺提高了69.6%;与牙轮钻头相比,机械钻速提高了48.1%,单只钻头进尺提高了156.5%。在盐227井工厂砂砾岩体井段推广应用也取得了明显的提速效果,机械钻速提高26%,平均单只钻头进尺提高102 m。研究成果对PDC钻头个性化设计具有一定的借鉴意义,对硬的强研磨性地层钻井提速具有推广应用价值。     

PDC钻头切割齿磨损分析及改进建议

指出PDC钻头切削磨损包括:崩齿、掉片、金刚石层脱落及齿柱冲蚀等。因此,提出PDC钻头应改进切削结构、完善制造工艺、规范操作规程,旨在提高PDC钻头的切削功能,延长其使用寿命,减少钻井成本。     

新型PDC钻头设计

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,常常发生先期损坏。针对胜利油田多夹层地层特点进行了PDC钻头的优化设计,突破了PDC钻头单一切削元件模式。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,复合PDC钻头机械钻速高、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。     

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。     

脊形金刚石元件钻头技术研究与应用

针对圆柱形PDC切削齿易热磨损、撞击损坏、形成泥包及锥形切削齿需要较大钻压的问题,研究了脊形金刚石元件钻头技术。该技术将Axe*脊形金刚石元件集成到PDC钻头上,当Axe*脊形金刚石元件与岩石接触时,脊形金刚石层施加集中载荷在尖端周围,其产生的应力远大于传统PDC切削齿产生的应力,不仅剪切而且压碎岩石,脊形金刚石层周围的钻井液易于接近并冷却切削齿,从而延长切削齿寿命。现场应用结果表明:与传统PDC切削齿钻头相比,AxeBlade*钻头的使用寿命大大延长,可提高单只钻头的钻进进尺和机械钻速,减少起下钻更换钻头次数,缩短钻机运行时间,显著提高钻井效率。最后提出以下发展建议:充分利用脊形金刚石元件的超耐磨性、岩屑分散性和散热性,研发适合某一特定地层岩石的个性化钻头;开展脊形金刚石元件PDC钻头的研发,以适应超硬和超研磨性地层。研究结果可为深水钻井、超深井钻井和干热岩钻井奠定一定的技术基础。     

PDC钻头的轨迹方程及切削参数计算方法

准确计算PDC钻头切削齿的切削面积、切削体积和切削弧弧长等切削参数,对PDC钻头的优化设计和性能分析等都具有十分重要的意义。运用空间几何和数值计算理论,对PDC钻头的轨迹方程和切削参数的计算方法进行了研究。建立了描述PDC钻头在井底的几何位置及运动轨迹的坐标系统,给出了PDC钻头的运动轨迹方程和切削齿在井底的切痕曲线方程。综合考虑了钻头冠部形状、切削齿的布置、切削齿的工作角、切削齿的形状及尺寸、切削齿的相互作用及切削齿的先后次序等因素的影响,提出了切削齿的切削面积、切削体积、切削弧弧长等切削参数的数值计算