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。     

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。     

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。     

Φ118mmP433型PDC钻头在通61-侧223井的应用

１１８ｍｍＰ４３３型ＰＤＣ钻头在通６１－侧２２３井的应用张旭升薛风臣王振光（山东德州２５３００５）（山东东营２５７０１７）一、套管开窗侧钻小眼井技术特点在１７７．８ｍｍ以下老井眼中通过套管开窗并侧钻出新井眼，可以显著增加地层裸露面积，达到复活“死...     

PDC切削齿切削深度对PDC钻头黏滑振动影响动态实验

通过室内动态破岩实验,研究切削齿切削深度及岩石可钻性对PDC钻头黏滑振动的影响。选取了红砂岩、黄砂岩、白砂岩和花岗岩4种不同岩性、400 mm×400 mm×400 mm的天然岩石作为实验岩样,通过改变钻压,分析切削齿切削深度、岩石可钻性与钻头黏滑振动的关系。选取扭矩和转速波动作为黏滑振动特征参数来描述PDC钻头黏滑振动现象,对其进行无因次化处理,定义为黏滑严重度,并分别建立了PDC钻头黏滑严重度、扭矩振幅,与平均每转切削深度和岩石可钻性的二元非线性关系模型。实验结果表明:实验室条件下扭矩黏滑严重度差异性更加明显;实验的5种钻压下,扭矩黏滑严重度均随岩样可钻性级值的增加而显著增加;PDC钻头每转切削深度增加,扭矩黏滑严重度显著增加。     

PDC钻头切削齿的运动分析和破损机理

分析了PDC钻头在几种典型的回旋运动情况下其切削齿的运动速度和运动状态，发现回旋运动时切削齿有瞬时反向转动的现象，并讨论了回旋运动对切削齿工作状态的影响，认为PDC钻头回旋引起的冲击载荷和切削齿反转是导致钻头切削齿破损的直接原因。试验证明，切削齿反转具有极大的破坏性。研究表明，采用适当的钻头转速可以减少切削齿的损坏，而运用抗回旋技术减小钻头回旋幅度和回旋频率才是根本的出路。     

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。     

导向PDC钻头设计及其在临盘地区的应用

针对常规PDC钻头在胜利油田临盘地区定向井钻进过程中存在的工具面不稳定、井斜角和方位角难以控制、滑动钻进时钻速较低等问题,研究分析了PDC钻头的剖面形状、切削结构、保径设计等对钻头导向性能的影响规律,在此基础上,研制出一种适合临盘地区地层特性的BTM115H型导向PDC钻头。该型PDC钻头采用浅内锥、双圆弧剖面形状,特殊双重切削布齿、短保径设计和侧向力平衡设计,能够有效提高钻头的导向性能和机械钻速。多口定向井的现场应用效果表明,BTM115H型导向PDC钻头在定向钻进过程中,工具面可控性好,复合钻井速度和定向机械钻速较常规PDC钻头都有大幅度提高,为临盘地区的定向井快速钻进提供了有力保障。      

定钻压、定转速条件下PDC钻头单切削齿磨损规律研究

PDC钻头切削齿的耐磨性相当高，要通过大量的室内试验来找出其磨损规律来是不现实的，因此很有必要找出一种PDC钻头切削齿磨损规律的研究方法。在简要分析切削齿磨损机理的基础上，对切削齿磨损规律进行了理论分析推导，得到了切削齿切削岩石时的线磨损速度模式。定钻压、定转速条件下的单切削齿磨损速度试验结果表明，切削齿的线磨损模式是正确的。该方法是研究PDC钻头切削齿磨损规律的一个新途径。     

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。     

新型PDC钻头在南堡油田的应用

针对冀东南堡油田的地层特点,对PDC钻头的冠部、布齿密度和方法、水力结构、稳定性等进行设计,研制出新型PDC钻头——PK5363S-311钻头。在冀东南堡油田将该钻头的钻探效果与同尺寸同井段所有钻头的钻探效果做比较分析。结果表明,PK5363S-311钻头的总进尺最高,是其它同井段钻头进尺的1.58倍;且该钻头的机械钻速较高,寿命达到设计要求,具有较高的推广应用价值。     

定向井PDC钻头在中原油田的应用

根据中原油田的地层特点和钻井工程的需要设计的定向井ＰＤＣ钻头，具有进尺多，钻速高、井径规则的特点，本文叙述了该ＰＤＣ钻头的设计和使用方法及效果。     

应用改进模糊综合评判法优选PDC钻头

为了克服传统模糊综合评判法优选PDC钻头时主观性强和信息易漏失的缺点,对传统模糊综合评判法进行了改进。改进后的综合评判法采用层次分析法计算权重集,克服了原始权重集确定过程中主观性过强的缺陷;采用加权法进行模糊运算时,全面、综合地考虑了所有评价因素的影响。对大港油田某区块的PDC钻头进行了优选,进尺最长和平均机械钻速最快钻头的隶属度均小于综合考虑各影响因素之后钻头的隶属度,说明优选PDC钻头时不能仅凭进尺和钻速确定,而要综合考虑所有因素。现场应用表明,改进后的模糊综合评判法具有较高的可行性,优选出的PDC钻头地层适应性更好。      

PDC钻头切削齿破岩温度场有限元仿真分析

基于有限元法对PDC钻头切削齿破岩过程中温度场做了研究,利用有限元软件模拟分析动态破岩,并采用温度-位移耦合显式侵彻接触算法研究破岩过程中切削齿的温度分布,建立了三维切削齿-岩石仿真模型,分析了单齿破岩过程中温度场的分布规律。分析结果表明,采用三维曲面岩石模型使仿真环境更接近PDC钻头切削齿破岩的实际工况,在切削齿施加转速边界条件的情况下,更能反映出切削过程中切削齿不同位置的温度分布情况;同一个齿的齿刃上因各点的线速度不同,温度分布也不同,齿刃切削区域上靠近钻头轴线侧的温度低于远离钻头轴线侧的温度。     

基于ABAQUS的PDC钻头参数化布齿与破岩仿真

近年来PDC钻头在结构与类型上均发生了较大变化,这对布齿设计提出了更高的要求,而合理的布齿设计是保证PDC钻头使用寿命的关键。为此,提出了一种基于ABAQUS的PDC钻头参数化布齿设计与破岩仿真方法。该方法通过编写Python脚本代码对ABAQUS内核程序进行控制,可以自动读取数据库中PDC钻头的几何参数,实现PDC钻头的参数化布齿;快速完成模型网格的自动划分、接触对的自动设置以及载荷与速度等条件的定义等,简化了PDC钻头切削齿与岩石的破岩仿真模型的建立过程,实现仿真结果的输出与保存,方便对布齿模型破岩性能进行分析。通过与常规建模方法建立的布齿模型进行对比分析,证明了采用该方法建立布齿模型的正确性;对仿真结果中的扭矩进行了分析,并与前人试验结果进行对比,证明了仿真模型的正确性。采用该方法可大幅度提高布齿设计和破岩分析效率,缩短PDC钻头的研发时间。     

硬地层PDC钻头切削齿尺寸及后倾角优化设计

PDC钻头是目前石油钻井中使用较为广泛的一种破岩工具,但其在硬地层中的使用效果不佳,钻进效率低,使用寿命短。PDC钻头的切削齿尺寸、后倾角等是影响其钻进性能的重要参数,通过室内微钻头试验,综合考虑硬地层PDC钻头布齿设计中切削齿的重叠和覆盖情况,以相同钻压下微钻头在岩样表面旋转一周的切削深度作为评价其破岩效率的指标,分析了切削齿尺寸、后倾角等对硬地层PDC钻头破岩效率的影响。结果表明:在钻进可钻性超过Ⅵ级的硬地层时,.切削齿尺寸越大,其破岩效率越低;钻进可钻性为Ⅵ—Ⅶ级的硬地层时,13.44 mm.切削齿的破岩效率最高,其最佳后倾角为15°。      

苏里格气田PDC钻头的优选与应用

针对苏里格气田目的层深、地层老、可钻性差,常规钻井钻速慢、牙轮钻头很难提高钻速等实际问题,对苏里格气田的岩石可钻性和钻头选型进行了研究,建立了 岩石可钻性剖面图和钻头选型剖面图;优选了适合苏里格气田钻井的PDC钻头;通过现场试验,大幅度提高了苏里格气田的钻井速度,取得了显著的效果。