定向PDC钻头

为解决常规PDC钻头在定向作业时产生的反扭矩大而造成工具面不稳定、造斜作业时常常停顿的问题,中国石油渤海装备中成机械制造公司研究开发了一种特殊的定向PDC钻头。该定向PDC钻头采用紧凑型结构设计、应用低扭矩高效破岩理论、预破应力布齿和井底流场仿真计算等技术,减少了切削反扭矩对定向工具面的影响,钻进扭矩变化小、工具面摆放稳定、定向能力强、造斜效果好、机械钻速快、使用寿命长、技术水平先进,定向效果处于国内领先水平。定向PDC钻头作为特性钻头的一种,应用前景十分广阔。     

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。      

水平井PDC钻头研制及应用探讨

在水平井钻井施工中常规PDC钻头使用经常遇到的难点是定向造斜段和水平段,定向造斜段PDC钻头在定向钻井施工过程中导向能力差,工具面不稳定,方位难以控制需要频繁调整工具面,无法正常钻进,大大延误了钻井时间;在水平井段钻头稳定性差,机械钻速低,寿命短,增加了起下钻时间。通过分析在水平井钻井施工中定向斜井段和水平井段使用的PDC钻头特点,介绍了水平井PDC钻头设计过程中对钻头轮廓、切削结构、水力结构、保径等特殊结构的设计方法,并且在长庆油田苏里格气田多口水平井进行了应用试验,试验结果表明钻头进尺和机械钻速较邻井钻头有很大幅度的提高,达到了预期目的,验证了水平井钻头设计方案的可行性。     

长庆油田“四合一”钻具组合轨迹控制能力力学分析

"四合一钻具"是把PDC钻头、单弯螺杆、短钻铤和稳定器四种工具合并运用的一种钻具结构。该钻具结构既利用了单弯螺杆的滑动可调能力,又实现了双稳定器刚性钻具结构的稳方位效果,还充分发挥了PDC钻头的快速钻进优势,能够满足直井段防斜、定向造斜、复合调整和稳斜稳方位的轨迹控制要求。它的应用打破了以往定向后强增斜的轨迹控制思路,达到了减少起下钻和滑动调整、提高机械钻速、降低井下风险的效果。     

螺杆加PDC钻头复合钻进技术

阐述了螺杆加PDC钻头复合钻进技术及其应用效果。结果表明，该技术在中原油田钻井中可用于深部地层的快速钻进，大倾角易斜地层中的防斜快打，定向井中造完斜后原钻具的直接稳斜钻进和深井、小井眼中的高效钻进，对中原油田提高机械钻速，缩短建井周期，节约钻井成本，加快勘探开发步伐具有重要意义。     

PDC钻头的布齿及性能预测

以PDC钻头的切削齿工作参数计算程序为基础,对PDC钻头的等体积破岩的布齿方法进行了研究,同时讨论了PDC钻头侧向载荷的计算方法、切削齿位置参数对破岩体积的影响。此外,还对PDC钻头的钻进特性曲线,以及采用不同设计方案时的钻头性能进行了预测。     

定向喷嘴布置对PDC钻头齿清洗能力的影响

PDC钻头齿的清洗能力对PDC钻头破岩和清岩影响很大,定向喷嘴则有利于钻头齿的清岩,研究定向喷嘴的布置具有重要意义。使用数值模拟的方法研究了定向喷嘴数量、孔径、喷速等因素对PDC钻头齿清洗效果的影响。研究结果表明,5喷嘴的PDC钻头齿清洗能力较强;钻头齿清洗能力随喷嘴孔径增大而增强;喷射角小的喷嘴射流流场不利于流体向上举升岩屑。将定向喷嘴优化并配合常规水力结构设计可以在PDC钻头预防和清除泥包方面发挥自身的优势,最终达到提高机械钻速的目的。     

哈拉哈塘超深定向井钻井技术

针对塔里木油田哈拉哈塘地区超深定向井存在的造斜速度慢、井眼轨迹控制难度大等技术问题,开展了超深井井眼轨迹控制与提速技术研究。在分析超深定向井钻井技术难点的基础上,通过在斜井段井眼轨迹控制与钻井提速等方面进行技术攻关并制定技术方案,首次在该地区超深定向井ψ241.3 mm井眼造斜段钻进时试验应用了PowerDrive Archer高造斜率旋转导向系统,并在φ171.5 mm井眼稳斜段优选中低转速大功率螺杆配套抗冲击、抗研磨性强的螺旋6刀翼PDC钻头和抗高温MWD无线随钻测量仪器,以有效控制井眼轨迹并提高钻速,同时选用防漏防涌防硫、抗高温的钻井液体系以保障超深定向井安全施工。哈拉哈塘地区4口超深定向井钻井施工情况表明,定向井斜井段平均机械钻速提高13.53%,平均定向工期缩短38.58%。这种根据造斜段、稳斜段不同需求分别考虑技术可操作性的集成技术,对塔里木油田哈拉哈塘地区超深定向井轨迹控制与提速具有很好的借鉴作用。      

锥形PDC单齿破岩试验研究

为优化锥形PDC齿钻头的结构设计并提高其钻进硬地层的能力,通过锥形PDC切削齿在玄武岩上的破岩试验,分析了切削角、锥顶角及钻压等因素对锥形PDC切削齿破岩效率的影响规律。结果表明:锥形PDC齿适合其锥尖指向钻头轴线安装在钻头上;随着切削角增大,切削深度先增大后减小,当切削角为25°时,切削深度最深;破碎相同体积的岩石,锥顶角小的锥形PDC齿所需的水平切削力小,更易破碎岩石;切削深度与钻压呈指数关系,随着钻压增加而增大。试验结果可为锥形PDC齿钻头结构设计提供依据。      

高压水射流PDC钻头结构参数数值模拟研究

以中硬细砂岩为岩石材料,应用动态有限元法对高压水射流PDC钻头参数做了数值模拟研究。得出如下结论:(1)高压射流入射角对不同岩层存在最优值,对于中硬地层细砂岩最优入射角为40°;(2)PDC钻头钻进中钻齿所受扭矩随作用半径增大成指数规律增长,在硬地层钻进钻齿前倾角为-15°时破岩效果最佳;(3)采用直径1.8mm的高压小喷嘴射流能显著改善PDC钻头钻齿受力,避免钻齿冲击破坏,延长钻头寿命;(4)高压水射流与机械齿联合破岩时,喷嘴与钻齿相对位置对破岩效果有显著影响,喷嘴处于钻头外锥时,可均化钻齿受力,提高破岩效率。     

定向钻井PDC钻头切削参数计算方法

定向钻井PDC钻头的优化设计和导向性能分析需要准确计算PDC切削齿的切削面积、切削体积和切削弧弧长等切削参数。针对弯外壳螺杆马达或推靠式旋转导向系统,运用空间解析几何理论和数值计算方法,分析了PDC钻头在井底的运动状态,建立了切削齿的运动轨迹方程和切痕曲线方程。综合考虑了钻头偏转角、钻头的复杂运动、钻头结构参数及切削齿切削的先后次序等因素的影响,建立了切削齿的切削面积、切削体积和切削弧弧长等切削参数的数值计算方法,为PDC钻头的计算机优化设计和定向钻井PDC钻头的导向性能分析提供了一种分析手段。实例计算表明,模型和方法具有实用性,可进一步推广应用。     

PDC钻头厚层砾岩钻进技术探索与实践

为了降低海上钻井作业成本、提高作业效率,开发了PDC钻头厚层砾岩钻进技术。在保持普通PDC钻头快速切削性能的基础上,通过优选新型高强度PDC切削齿、改进钻头切削结构提高钻头的整体强度,通过采用后倾角渐变、力平衡设计、加强切削齿保护等方法提高钻头的稳定性,并且在使用中通过优化钻具组合、采用合理的钻井参数和"中低排量-中低转速-中高钻压"的平稳钻进模式预防PDC钻头在砾岩段的先期破坏,有效延长了钻头在砾岩钻进中的寿命。应用该技术实现了用PDC钻头在辽东湾一次性钻穿馆陶组和东营组上部疏松地层中垂厚近80m的砾岩段,有的井钻穿砾岩段后又直接钻下部中硬地层至完钻井深。采用PDC钻头厚层砾岩钻进技术,可以大量节省海上钻井作业时间,显著降低钻井费用。     

衡转矩钻井工具研制

PDC钻头在难钻地层钻进时有“憋跳钻”现象严重、钻头机械钻速低、单只钻头进尺低等问题。研制了一种衡转矩钻井工具,该工具采用弹簧+螺旋导向机构的机械传动方式,实时存储、释放钻井转矩能量; 通过对钻头的破岩能量实时优化,实现了钻井转矩波动的“消峰填谷”,平稳钻进。试验结果表明,衡转矩钻井工具设计合理、性能可靠,可满足直井和定向井工程需求,能够有效减少钻井转矩波动、提高钻头进尺及机械钻速。     

宣页1井新型PDC钻头设计与应用

为了提高宣页1井二开井段印渚埠组地层的机械钻速、减小井斜角,以加强PDC钻头的稳定性、耐磨性、降斜性为设计目标,设计出了新型311.1 mm六刀翼PDC钻头。设计钻头时采用了小锥角、浅内锥冠部及短保径、短接头结构、高密度布齿、硬质合金限位减振齿等方法。设计的PDC钻头配合垂直钻井系统AVDS,在宣页1井805.61~1 017.18 m井段进行了现场应用,平均机械钻速达到3.28 m/h,与同地层常规PDC钻头相比提高8.61%;最小井斜角达到1.09°,与常规PDC钻头钻进井段相比减小明显,井斜问题得到了很好的控制。现场应用表明,设计的新型PDC钻头具有较好的井斜控制能力、稳定性及岩石切削效果,可达到防斜打快的目的。      

复合PDC钻头在桩西地区定向井中的应用

PDC钻头在胜利油田桩西地区的成功应用，大大地提高了该地区的机械钻速。但由于PDC钻头在结构与钻进参数上的特殊性，造成了其在定向井中井眼轨迹控制方面的难度。总结PDC钻头在桩西地区定向井中应用所表现出的部分规律，提出了在该地区采用PDC钻头的改进技术，并介绍了典型的成功实例。     

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。     

小位移直井钻井综合防斜纠斜技术

由于小位移直井允许水平位移小、且部分井有方位限制，因此钻井难度很大，采用常规的防斜纠斜技术难以满足油田勘探开发的需要。本文介绍了一套小位移直井钻井综合防斜纠科技术，重点是地层自然造斜规律的利用、螺旋钻铤、PDC钻头、偏心接头防斜技术，以及定向纠斜技术。