混镶金刚石钻头研制及应用

针对巴楚地区深井地层致密,可钻性差的特点选取了具有代表性的岩性在室内进行了岩石力学特性参数测定,并对所钻地层特性进行了分析,在此基础上研究了新型混镶金刚石钻头结构,布齿方式,对该类钻头合理使用进行了探讨。同时研制了相应的混镶金刚石钻头,并在巴楚地区棋北三井进行了现场试验,机械钻速比其它金刚石钻头提高了56%~73%,试验结果表明混镶金刚石钻头具有广阔的应用前景。     

PDC钻头技术的新进展

近年来,国外ＰＤＣ技术和ＰＤＣ钻头技术有了长足的进步,出现了许多新概念、新技术和新产品。简要介绍了几种新型ＰＤＣ切削齿,如装有两层金刚石片、可显著延长钻头寿命的ＴｅｃＭａｘ切削齿,为适应特定岩性而增加金刚石厚度、可提高新钻头耐用性的ＳｏｎｉｃＭａｘ切削齿,以及能在恶劣作业条件下增加使用寿命的ＣＬＡＷ和 ＲＩＮＧ ＣＬＡＷ切削齿。还分别介绍了近期开发出的几种新型钻头,包括根据以扭矩的有效控制为基础的双扭矩概念而设计的新一代ＰＤＣ钻头,通过重新优化钻头的机械钻速、稳定性和耐磨性之间的关系而设计的、具有独特切削结构的多（异）尺寸切削齿钻头,以及由孕镶金刚石刮刀、ＰＤＣ切削齿和热压孕镶金刚石组成的多重切削结构钻头等     

PDC钻头的新发展——PDC复合钻头

利用PDC钻头能在软地层获得高钻速的效果,利用天然金刚石钻头能在研磨性硬地层获得理想的钻速和寿命的特性,国外已出现了综合这两种钻头优点的PDC复合钻头。钻头的切削工作面沿其切削方向上相隔布着PDC齿和天然金刚石齿,而天然金刚石齿总是位于PDC齿之后,并且在出露尺寸上低于PDC齿;钻头的保径面上布有能抵抗研磨性地层磨损的几种性能各异的保径块。现场使用这种钻头的记录表明,其工作指标相当令人满意,而且单位进尺平均成本又低于其它类型钻头。     

基于PRO／E的PDC钻头三维参数化布齿设计

介绍了在PRO／E中利用自定义特征功能实现PDC钻头三维参数化布齿设计的方法，详述了利用PDC钻头布齿设计参数表完成布齿结构三维实体模型的过程。理论计算结果表明，利用这种参数化建模方法完成的PDC钻头三雏布齿模型是精确、可靠的。该方法为大幅度提高PDC钻头布齿设计的效率、提高PDC钻头新产品开发工作的综合效率提供了一种有效的途径。     

PDC钻头的应用现状与发展前景

PDC钻头是20世纪80年代研制出的一种以人造聚晶金刚石为切削齿的聚晶金刚石复合片钻头,该钻头能显著提高钻井效率而且使用寿命长。详细介绍了PDC钻头的应用现状,以及近年来在钻头水力学、PIV与PDA研究方法与应用、CFD研究和PDC钻头设计等方面取得的进展。最后就PDC钻头将来的发展前景做了展望。     

金刚石增强复合齿提高了牙轮钻头的性能

通过大量的试验数据介绍了ＤＥＩ金刚石增强复合齿的性能、特点和优越性。ＤＥＩ楔形齿一改传统保径齿的被动保径状态，通过优化金刚石的成分，增强齿的强度和韧性，修改现有碳化钨齿的几何形状，从而产生了新一代的进攻金刚石增强保径合金齿，提高了钻头的保持井径的能力，更可靠地保持了钻头的切削结构，延长了钻头的保持机械钻速的时间，使钻头的使用寿命更长，完井时间更短。     

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.      

基于PRO/ENGINEER的PDC钻头三维参数化布齿设计

介绍了在PRO/ENGINEER中利用自定义特征功能实现PDC钻头三维参数化布齿设计的方法。详述了利用PDC钻头布齿设计参数表完成布齿结构三维实体模型的过程。理论计算结果表明,利用这种参数化建模方法完成的PDC钻头三维布齿模型是精确、可靠的。该方法为大幅度提高PDC钻头布齿设计的效率,提高PDC钻头新产品开发工作的综合效率提供了一种有效的途径。     

PDC钻头力学模型的试验研究

利用PDC切削齿在不同性质的岩样上进行切削试验，研究了切削参数(切削面积和接触弧长)、后倾角、岩石可钻性等主要因素对PDC切削齿受力的影响规律，建立了PDC切削齿综合力学模型。并在受力分析的基础上，建立了PDC钻头受力计算模型。实例计算表明，计算结果与实钻参数有较好的一致性。这为PDC钻头优化设计和性能模拟提供了理论依据。     

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。