牙轮—PDC混合钻头的破岩特性及温度场变化

较之于常规的PDC钻头或牙轮钻头,牙轮—PDC混合钻头有着更好的破岩效果,其破岩过程产生的热量对其使用寿命和钻井效率都有着重要的影响,但目前对其破岩过程中温度场和破岩特性的研究还不够深入。为了给混合钻头的优化和推广提供理论支撑,基于有限元法、弹塑性力学等建立钻头破岩仿真模型,据此研究了破岩过程中的混合钻头温度场变化规律和破岩特性。研究结果表明:(1)牙轮主导型混合钻头破碎岩石时牙轮切削结构先冲击岩石,形成破碎坑,PDC切削齿再进行剪切,而PDC主导型混合钻头由PDC切削齿对岩石进行刮切形成沟槽,牙轮切削齿再对岩石进行破碎;(2)混合钻头在破岩初始阶段温度上升较快,一段时间后趋于平稳且钻压越大温度越高;(3)较之于PDC钻头和牙轮钻头,混合钻头破岩过程中温度更低,混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和;(4)混合钻头在硬地层中的破岩温度高于在软地层中的破岩温度,而钻速则相反;(5)钻头破岩温度和破岩特性与其自身结构有关。结论认为,该研究成果有助于混合钻头的优化设计和推广应用。     

新型PDC钻头砾岩破岩技术及应用

油气钻探中,PDC钻头已成为钻进破岩不可或缺的井下工具,但砾岩地层是PDC钻头的破岩禁区,目前绝大部分地区依然选择牙轮钻头进行破岩。鉴于此,设计了新型个性化PDC钻头。新型PDC钻头在微受损的状态下,可替代牙轮钻头钻穿砾岩层。该钻头特征为前排齿采用PX齿设计,复合后排齿采用圆锥齿设计,利用压碎和切削复合破岩方式破碎砾岩、提高机械钻速。新型PDC钻头首次在大港油田现场试验,试验中顺利钻穿30～120 m的砾岩层,实现了多套地层单只钻头"一趟钻"工艺,创下大港油田同套地层最高平均机械钻速和最短钻井周期的新记录。现场试验结果验证了该新型PDC钻头砾岩破岩的可靠性。     

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.      

锥形PDC齿钻头的研制及室内试验评价

为了提高研磨性硬地层的破岩效率,设计了2种锥顶尺寸分别是5.5和3.0 mm的新型锥形PDC齿。这种锥形PDC齿采用"犁削"破岩方式,比常规PDC复合片"切削"破岩方式更具攻击性。为了验证这种锥形PDC齿破岩效率,采用锥形PDC齿和PDC复合片制造了3种类型、5种型号直径为100 mm的试验钻头,在室内完成了花岗岩和硬砂岩2种岩样在5种钻压(10、15、20、25和30 k N)、2种转速(49和101 r/min)情况下的破岩试验。试验结果表明,采用锥形PDC齿和常规PDC复合片的混合型钻头具有良好的破岩性能,该钻头同时具有牙轮钻头和PDC钻头的优点,更满足研磨性硬地层的破岩需求。这种锥形PDC齿钻头为深部硬地层破岩提供了新方法,具有良好的应用前景。     

锥形PDC齿和常规PDC齿混合切削破岩试验研究

混合布齿PDC钻头在油田现场取得了较好的提速和进尺效果，但其设计过多依赖于设计者的经验，缺乏理论依据和室内试验数据支撑。为了优选锥形PDC齿与常规PDC齿混合布齿参数，进一步提高混合布齿PDC钻头在硬岩地层中的钻进性能，针对花岗岩地层设计并开展了锥形齿和常规齿混合切削试验，探究了同轨道切削顺序、切削齿高差和异轨道锥形齿间距、切削齿高差对破岩效果的影响规律。研究结果表明：对于同轨道混合切削，采用先锥形齿后常规齿的切削顺序可以使锥形齿和常规齿的破岩效率都达到最佳，获得最佳的整体破岩效果；对于异轨道混合切削，随着锥形齿间距的增加，切削力和破岩比能先减小后增大，而破岩体积先增大后减小；当锥形齿间距为18 mm时，切削力和破岩比能同时达到最小值，分别为4 252 N和108 MPa,最优锥形齿间距为18 mm。所得结论可为适用于硬岩地层钻进的混合布齿PDC钻头设计提供指导。     

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°。      

盘形钻头复合破岩实验研究

在研究８１／２英寸ＸＨＰ５三牙镶齿钻头结构尺寸的基础上，设计了３种齿形参数不同的盘形钻头。在复合破岩实验机上实验了８１／２英寸ＸＨＰ５三牙轮镶齿钻头和盘形钻头各齿圈间距、牙轮刃间角、齿顶宽及牙轮轴线平移量等特性参数破岩效果的影响。实验数据统计表明，对于四川二迭系这样的极硬地层，８１／２英寸ＸＨＰ５三牙轮镶砂破岩效果并不好，钻头在有无偏移情况下钻压和扭矩都比条形齿圈的较大，而破岩体积却较小；盘形钻头     

硬地层破岩工具最新进展

钻井速度慢、钻头寿命短、钻井周期长及钻井成本高等问题是制约深部地层和复杂地质条件下油气资源勘探开发速度和效益的主要技术瓶颈。介绍了国内外在硬地层钻头和辅助破岩工具方面的最新产品和技术,包括国外Smith公司的狗骨形楔形齿牙轮钻头、孕镶金刚石钻头和采用特殊工艺制造的PDC钻头,Novatek International公司的锥形PDC钻头,Baker Hughes公司的混合钻头,Ulterra Drilling Technologies公司的扭转冲击器,Weatherford公司的环形保径稳定器,国内江汉石油钻头股份有限公司的新型牙轮钻头、中石化西南油气分公司工程技术研究院研制的异形加长齿PDC钻头,以及中国石油大学(华东)研制的脉冲振动工具及井下钻柱减振增压装置,同时分析了各产品的性能特点及硬地层破岩工具的未来发展趋势。     

深部及复杂地层中PDC钻头综合改进方法

深部及复杂地层条件下岩石普遍具有硬度大、非均质强、可钻性差、研磨性高等特点,因此钻速慢、寿命短、成本高等问题一直是制约PDC钻头在上述地层中高效应用的主要技术瓶颈,开展PDC钻头改进方法研究十分必要。通过对国内外PDC钻头最新产品及相关技术进行研究,从提高破岩效率、延长使用寿命、增强稳定性、优化定向性4个方面系统地提出了深部及复杂地层条件下PDC钻头综合改进方法,进而应用该方法设计了6只PDC钻头用于华北、东北等油田的花岗岩、硬砂岩、砾岩等难钻地层,均取得了优于常规PDC钻头及牙轮钻头的破岩效率和使用寿命,说明该综合改进方法具有较好的适用性和使用价值。研究成果可对深部及复杂地层条件下PDC钻头个性优化设计提供指导。     

复合冲击条件下PDC钻头破岩效率试验研究

为分析纵向冲击与扭转冲击复合条件下PDC钻头的破岩效果,以及不同钻进条件和冲击参数对破岩效果的影响规律,设计了一种具有纵向和扭转冲击功能的旋扭复合冲击发生装置,利用粉砂岩、石灰岩和花岗岩3种岩性的岩样开展了PDC钻头常规破岩和复合冲击破岩试验,研究了复合冲击条件下钻压、转速、冲击力和冲击扭矩等参数对PDC钻头钻进速度的影响规律。试验结果表明:钻压和转速是影响破岩效率的主控因素;相较于常规PDC破岩,复合冲击钻井方式产生的岩屑粒径更大,破岩效率更高;冲击力和冲击扭矩越大,破岩效率越高,复合冲击方式在硬地层钻进中的钻速最高可提高50%。研究PDC钻头在复合冲击条件下不同钻井参数对破岩效率的影响规律,为复合冲击工具设计和性能参数优化提供了理论依据。      

非均质地层锥形辅助切削齿PDC钻头设计与试验

为了提高PDC钻头在非均质地层中的机械钻速和延长钻头使用寿命,研制了带有锥形辅助切削齿的PDC钻头。该钻头以PDC齿为主切削元件,锥形齿和PDC齿为副切削元件,开始工作时以PDC切削齿剪切破岩为主,当PDC切削齿吃入地层到一定程度后,锥形齿开始犁削岩石形成裂纹,有助于PDC齿以较小切削力破碎岩石;相邻2个刀翼的后排齿分别布置锥形齿与PDC齿,用于钻头钻进后期的提速提效,既具有常规PDC钻头破岩效率稳定的特点,又具有锥形齿在非均质地层破岩效率高的特点。现场试验表明,与常规PDC钻头相比,锥形辅助切削齿PDC钻头在非均质地层中使用寿命长、机械钻速高。锥形辅助切削齿PDC钻头的成功研制,为钻进非均质地层提供了一种新的高效破岩工具。      

直井牙轮钻头碎岩功率研究

针对国内外现用计算钻头碎岩功率的经验公式不能完全反映功率与各参数之间的定量关系的现状，在考虑牙轮钻头和岩石各向异性的基础上，首先建立了牙轮钻头与岩石碎屑间的摩擦力所消耗功率和牙轮钻头破碎岩石所消耗功率的模型，综合两模型建立了更适用直井牙轮钻头碎宕功率的模型。由此模型可知：合理增加钻压、选择合理的转速和牙轮结构能提高牙轮钻头的碎岩功率，从而达到提高机械钻速的目的。这对实际的钻探工程来说具有十分重要的指导意义。     

复合齿形牙轮钻头及其破岩机理研究

针对现有牙轮（钢齿、镶齿）钻头已难以对一些复杂地层进行有效钻进这一现状，根据对牙轮钻头破岩机理的新认识，研制了一种新型复合齿形牙轮钻头。该新型钻头是一种具有新型齿面结构的牙轮钻头，其牙轮上的牙齿由齿形齿和盘式齿复合而构成，并且各牙轮上齿形齿和盘式齿的布置方式可根据硬地层等复杂地层的特性和钻井要求进行调整。两种齿对岩石的破碎作用将会互相影响，使得破碎岩石更加容易。为此，概述了国内外在复合齿形牙轮钻头方面所做的研究工作，并详细分析了这种新型钻头的结构特点和破岩机理，指出要研制出具有良好性能的复合齿形牙轮钻头，主要应从破岩机理、布齿方法与齿面结构、齿面强化工艺、钻头整体性能台架试验及复合齿形牙轮钻头结构设计等方面进行深入研究。     

玉北地区深部地层扭力冲击器提速工艺

新疆玉北地区古生界沙井子组地层埋深4 000 m以上,岩石强度高;加之泥质岩含量高、塑性强,地层可钻性较差,提速困难。前期实践表明,沙井子组高塑性地层牙轮钻头的纵向冲击压碎破岩效果不佳,常规PDC钻头钻井反扭矩大,易产生“黏滑”现象,破岩效率低。为提高机械钻速,降低钻井综合成本,引入了国外的新型钻井提速工具——TorkBuster扭力冲击器,并通过匹配个性化PDC钻头、提高钻井液排量、合理控制钻压等配套技术措施,大幅度地提高了平均机械钻速。“PDC钻头+螺杆钻具”、“孕镶PDC石钻头+涡轮钻具”和“PDC钻头+扭力冲击器”3种钻井工艺的现场试验结果表明,扭力冲击器提速效果明显,平均机械钻速为6.42 m/h,与前期相比机械钻速提高了2~3倍。扭力冲击器钻井克服了深井高强度塑性地层的钻井难题,可进一步推广应用。     

PDC钻头钻井时地层岩性的随钻评估方法

在随钻过程中,在线识别地层岩性一直就是地质人员和钻井工程技术人员十分关心的问题。使用 ＰＤＣ钻头钻井时,岩屑破碎很细,通过岩屑录井来判断地层岩性十分困难。镇压ＰＤＣ钻头的切削机理,本文从ＰＤＣ钻头切削刃受力平衡角度出发,建立了ＰＤＣ钻头钻井时地层岩性随钻评估模型。现场初步试验表明,本文所给出的模型具有一定的合理性和实用性。     

元坝陆相高压致密强研磨性地层钻井提速技术

针对元坝气田陆相深部自流井组和须家河组地层岩性致密、硬度高、研磨性强,牙轮钻头进尺少、寿命短,以及综合效益低的问题,通过分析地层的可钻性、钻头的破岩原理,结合现场实钻情况优选高效钻头,并根据钻头与钻井工具的合理匹配原则优选合适的动力钻具,进行了"进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮"复合钻井技术、"国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆"复合钻井技术和牙轮-PDC混合式钻头钻井技术现场试验。以钻头每单位进尺消耗的比能作为选择钻头的依据,并应用盈亏平衡理论对3种钻井技术进行了经济评价。现场试验结果表明:高压致密强研磨性地层首选"国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆"钻井技术;砾石含量高的珍珠冲组地层推荐采用"进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮"复合钻井技术;砂泥岩互层较多的高压致密地层推荐采用牙轮-PDC混合式钻头钻井技术。经济评价结果表明,元坝气田应用"国产孕镶金刚石钻头+高效特殊螺杆"钻井技术的经济效益最高,其次是牙轮-PDC混合式钻头钻井技术,"进口孕镶金刚石钻头+高速涡轮"复合钻井技术最差。      

适用于长庆油田陇东地区的PDC钻头研发与应用

针对长庆油田陇东地区地层的岩性特征,在优化PDC钻头冠部剖面设计、布齿方法、切削角度和水力结构等的基础上,成功研制了PS263MF-222．3型钻头,在董63—61井和桐29—26井进行了试验应用并获得成功,打破了“长庆油田陇东地区不适宜用PDC钻头钻井”的旧观念。目前,该地区共推广应用该型钻头20余只,平均机械钻速27．85m／h,与牙轮钻头相比提高了77．86％,每钻进1000m可节约钻井时间27.95h,加快了长庆油田的勘探开发速度,具有较高的经济效益和社会效益。该钻头在陇东地区现场应用表明,螺杆配合PDC钻头的机械钻速比转盘配合PDC钻头的机械钻速低,这是由于地层较硬、门限钻压较高、对转速不敏感所致,因而P5263MF-222．3型钻头更适合于采用“低转速、高钻压”钻井参数模式钻进。     

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。