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。     

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钻头布齿方法研究

PDC钻头布齿是影响PDC钻头性能的关键, 而布齿的关键是确定各切削齿的结构角和空间位置参数, 具体的参数跟钻头的冠部轮廓曲线密不可分。依据布齿的原则, 从沿冠部轮廓曲线均匀布齿和非均匀布齿两个角度进行了讨论, 并给出相应具体的布齿方案, 具有较强的可操作性, 为PDC钻头的布齿设计提供了一定的指导和借鉴。最后对计算机辅助布齿设计进行了介绍和展望。     

PDC钻头在胜利油田的应用分析

全世界已将PDC钻头广泛应用于钻软地层和中硬地层。它具有机械钻速高,钻头使用寿命长,起下钻次数少,井斜控制好以及钻井设备及套管磨损小,钻井费用低等优点。     

新型PDC钻头切削齿的发展

PDC钻头切削刃与钨-钴合金基体的磨损情况和较大接触应力、冲击载荷及较高的摩擦面温度引起的加速磨损，是导致PDC钻头钻遇硬的研磨性地层时磨损失效的主要原因。国外已研制出双刃齿、预倒角边缘加强齿、复合结构齿、覆盖硬质合金保护层切削齿及楔形齿等，使PDC钻头的工作性能和适应的地层范围都有了较大的进步。国内应加强破岩和磨损机理、材料及制造工艺、处理技术和切副齿的形状、结构设计等方面的研究，开发自锐性好、比较坚韧的、更耐冲击的、耐磨性更高的、受温度影响小的切削齿，进一步拓宽PDC钻头适用的地层范围。     

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。     

双心PDC钻头设计及应用

双心ＰＤＣ钻头可用于钻流动性较强的盐层，膨胀性页岩地层，或用于套管开窗侧钻。也可通过小尺寸井眼。该工具特征是有两个中心轴线。结构采用胎体镶复合片，天然金刚石保径。钻头有三个可换式喷嘴，每排切削刃前有较深的放水道冷却钻头。在沙参４２井应用取得明显效果。     

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。     

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     

东营凹陷北部砂砾岩储层描述方法

东营凹陷北部陡坡带是砂砾岩体发育地区。断层的活动使砂砾岩体构造复杂，储层非均质性突出，增加了储层描述和预测的难度。利用钻井、测井及地震等方法综合研究砂砾岩储层的发育规律；结合测井约束反演技术，以测井分析为基础，提出了基于自然电位重构声波和实测声波两次反演，联合进行储层预测的方法，不但提高了测井约束反演的精度，而且大大地提高了砂体的分辨率，解决了灰质泥岩速度接爱砂岩速度时对单砂体描述的地质难题。利用反演波阻抗资料对砂砾岩体进行描述及预测，提高了钻探成功率。     

适合柯柯亚区块的PDC钻头优化设计与现场应用

柯柯亚区块是吐哈油田2009年的主要开发区块之一,针对该区块地层岩石强度高、研磨性高、夹层多、倾角大的特点,优化设计了一种个性化钻头——?215.9 mm七刀翼M433PDC钻头,该钻头拥有浅锥轮廓的冠部形状、螺旋刀翼、高密度布齿、合适的后倾角（10~15°）及灵活性较强的非对称布置喷嘴和深水道布置的水力结构设计等特点。在柯19-10井的试验钻进过程中,在降低钻井周期、提高平均机械钻速（157%）、缩短复杂时效等方面取得了较为理想的效果,达到了降低钻井成本、提高综合经济效益的目的。     

PDC钻头等切削体积布齿优化设计

在PDC钻头切削齿几何描述的基础上,考虑到钻头旋转钻进时因切削齿周向角不同,即切削次序不同而造成的相互覆盖,建立了切削体积的计算方法和利用线性规划进行PDC钻头等切削体积布齿优化设计的方法,并编制了计算机程序。程序设计的实例结果表明,该方法能较大幅度地提高切削体积均匀度。该方法的提出使得PDC钻头优化设计更加系统化、参数化、自动化。     

关于PDC钻头形态设计的探讨

针对原有PDC钻头井底流场存在局部流速过大而对钻头表面造成破坏 ,局部流速过小容易产生泥包的问题 ,对原有钻头做如下结构改进 :增加大胫板的长度 ;降低胫板的高度和减小宽度 ;增加小胫板的数量 ,同时减小水槽截面积。对改进的钻头结构建立井底流动模型 ,并进行数值模拟。分析改进结构的流场表明 ,新结构钻头井底流场分布更合理 ,减少了流体对钻头中心区的直接冲蚀 ,有利于延长钻头寿命 ;合理降低切削齿高度后 ,加大了井底漫流区面积 ,提高了切削效率。     

东营北带深层砂砾岩体储层伤害机理研究

东营北带广泛发育深层砂砾岩体,结构复杂,但对其储层伤害机理研究甚少。从孔渗关系、敏感性、液相伤害和固相伤害等方面出发,探讨了深层砂砾岩体储层伤害因素。研究发现,深层砂砾岩体储层属于低孔低渗储层,其产量与孔隙度大小没有直接关系;存在弱到中等水敏、弱碱敏和强应力敏感性;存在很强的液相伤害,水锁情况严重;固相伤害较为严重,且随着压差的增加而增强;该区块井漏事故较多,漏失量越大,对储层的伤害越严重;温度对其水敏性影响很大。研究结果可为研制适合该区块的钻完井液提供支撑。     

适用于特定地层的PDC钻头个性化设计

破碎性地层的井下掉块常常导致常规设计的PDC钻头出现卡钻现象,严重的甚至会造成钻头掉齿、断刀翼等井下事故,严重影响了PDC钻头的推广使用。为此,对Φ215.9 mm六刀翼PDC钻头进行了全面改进设计：冠部形状为“直线-圆弧-直线”,相邻刀翼之间夹角约为60°;主切削齿直径为16 mm且按照“中密度”方式布置;将刀翼尾部的保径块整体上移一定距离,且4个保径块围绕钻头轴线成90°。之后采用PDC钻头数字化钻进仿真系统和CFD软件对设计方案进行了力平衡和井底流场优化分析：优化布齿参数的钻头横向力约为钻压的3.9%;高的流速分布在1号、5号刀翼工作面鼻部位置及2号、3号、4号、6号刀翼背面,有利于岩屑及时清除出PDC齿表面。改进后的新型Φ215.9 mmPDC钻头在吐哈油田破碎性地层中应用总进尺1 339 m,与邻井同井段相比,节约了5次起下钻工作量和作业时间,钻头出井后,仅两颗齿损坏,其余PDC齿磨损均衡,冠部冲蚀情况与钻头的井底流场分析的结果完全吻合,说明PDC钻头的个性化设计能够为此类地层钻井提速提供切实可行的技术思路。     

偏心PDC钻头的研制和应用

江汉油田下第三系潜江组盐层特别发育,从潜一段到潜四段存在着大段盐岩,油浸泥岩,泥岩组成的韵律层段,以前使用牙轮钻头及常规ＰＤＣ钻头钻井该类地层,频繁地发生缩径和卡钻事故。使用偏心ＰＤＣ钻头在流动性盐岩地层中钻进,因偏心ＰＤＣ钻头能钻出超尺寸井眼,没有发生卡钻头和下部钻具组合的事故,提高了钻井速度,降低了钻井技术。     

东营凹陷北带沙四段砂砾岩体储层增产潜力

由于砂砾岩体储层的岩性结构、含油性和非均匀性等特征极为复杂,在勘探试油中还存在一些技术难题未解决,尤其是在储层潜力评价方面存在较大偏差.统计分析了东营凹陷北带沙四段砂砾岩体储层的酸化和压裂效果,总体上压裂效果比酸化效果好.通过典型井例分析,揭示了砂砾岩体储层横向有效渗透率变化的复杂性,阐明了压裂后增产的主要因素.提出了砂砾岩体储层改造的选井选层原则,并进行了实际应用,取得较好的增产效果,为该类储层的下步挖潜进行了有益的探索.     

用于含砾石且软硬交错地层的新型PDC钻头设计

PDC钻头用于软到中硬的均质地层钻进具有钻速高、寿命长等特点 ,但不适合含砾石地层和软硬交错地层。鉴于此 ,针对含有砾石和软硬交错地层的特点 ,提出了混合切削结构设计 ,并制造了新型PDC钻头 ,在含砾石的地层和软硬交错地层中取得了较好的使用效果。混合切削结构增强了PDC钻头的使用可靠性和穿越砾石层的能力 ,减轻了切削齿的先期损坏。用 1只新型PDC钻头可以钻成 1口 2 5 0 0m以浅的中深井 ,减少了起下钻次数 ,缩短了建井周期。     

PDC钻头冠部设计的原理与方法

冠部设计是PDC钻头总体设计的一个重要组成部分，过去一直是凭经验设计，缺乏理论依据，随意性较大。鉴于此，根据PDC钻头冠部设计的基本要求，推导出了按等切削、等磨损和等功率原则设计的理论冠部曲线方程式，解决了PDC钻头设计中长期存在的理论问题，并建立了计算机辅助冠部设计的方法和相应的计算机程序。运用该方法进行冠部设计，可以提高设计的科学性和准确性。该方法已在生产实践中得到应用，取得了很好的使用效果。