坚硬地层用低温电铸孕镶脉冲石油钻头的研制及其水力性能数值模拟

针对PDC钻头和牙轮钻头在坚硬、研磨地层中钻速较低、寿命短的问题,研制了一种低温电铸孕镶脉冲石油钻头,并对钻头的流场进行了数值模拟。现场应用表明,该钻头具有寿命长、机械钻速高的特点。     

国际油气井钻头进展概述(三）——PDC钻头发展进程及当今态势（上）

自1973年PDC钻头应用以来,油气钻井发生了很大变化。但是PDC钻头在早期约15年时间内发展缓慢。此后,由于加强技术创新,如多层聚晶金刚石层、非平面界面专利、防回旋技术、滤钴工艺、优化水力学设计以及计算机建模等,促进了PDC钻头迅猛发展、广泛应用。目前,PDC钻头在世界上所钻进尺数已占到约90%。NOV公司近年推出4种太阳神PDC切削齿,由其制作的PDC钻头提高了热稳定性、抗研磨性、抗冲击韧性与导向性等。这类钻头可以钻进硬岩与研磨性地层,以及一些难钻地层,具有较高的钻进效率和较好的耐用性。Helios太阳神系列PDC钻头成功地应用于挪威、中东、澳大利亚以及美国等地的油气田。斯伦贝谢公司推出的ONYX玛瑙360°滚动PDC可保持刀齿锐利、相对冷却及延长寿命,显著地提高了钻头耐用性。在美国许多油气田应用表明,这种滚动PDC制造的钻头比固定齿PDC钻头平均钻进效率可提高40%以上,而钻头的工作寿命则可提高40%～70%。     

低温电铸孕镶脉冲钻头及其水力性能数值模拟

对于特别坚硬、研磨性强、互层频繁、含有石英和砾石夹层的地层, PDC钻头无法钻进, 机械钻速较低, 且破坏形式磨损快, 复合片容易破裂, 因此寿命很低.而牙轮钻头钻进也因为该类地层坚硬等缘故, 钻进效率很低, 并容易造成孔内掉牙轮等事故出现.针对这种问题, 研制了一种低温电铸孕镶脉冲石油钻头, 对钻头的流场进行了数值模拟.该钻头在现场的应用表明, 它具有寿命长、机械钻速高的特点.      

脉冲磨料射流破碎岩石的实验研究

在淹没和非淹没状态下研究了脉冲射流的动态特性、振荡腔腔长、靶距、磨料浓度等参数与脉冲磨料射流的切割和冲蚀性能的关系,对比分析了脉冲磨料射流与前混合磨料射流在相同实验条件下对花岗岩及石灰岩等的冲蚀性能。实验结果表明,自激振荡射流频率随腔长增大而减小,随压力及流量的增大而增大;脉冲磨料射流的体积冲蚀速度在淹没状态下是前混合磨料射流的1.7倍,而在非淹没状态下为前混合磨料射流的1.4倍。     

用于砾石夹层钻进的新型PDC钻头的研制与使用

无压浸渍工艺生产的PDC石油钻头钻遇砾石夹层不适应。根据砾石夹层砾石坚硬、软硬互层、非均质、研磨性强的特点，研究了新型PDC钻头，在钻头结构上主要采取外抛内锥带辅助切削齿的结构形式，在复合片上主要采用非平面结合方式，即采用双向多条直槽非平面结合。按此方案设计与生产了3只钻头，分别在3口井试用，直接钻穿砾石夹层馆陶组地层井段，钻井效率提高26%，突破了砾石夹层钻进不能使用PDC钻头的禁区。     

温度对不同外形PDC切削齿性能的影响

为了探究不同温度下PDC切削齿性能,以适应不同的钎焊温度,并合理选用外形来提高效率,从影响金刚石复合片（PDC）质量的主要参数:耐磨性、磨削时间、平稳性、抗冲击韧性等出发,对不同厂家、不同外形的PDC在受热前后的性能进行试验,同时比较了平面片、微弧片和弧面片性能上的差异。结果表明:随着温度的升高,磨耗比呈现出降低的趋势;加热到750℃后,PDC磨耗比降低约30%~50%,磨削时间增加,进尺变慢;当温度达到800℃时,磨耗比小于10万,冲击功小于100 J;PDC切削齿对温度的敏感度不同,可根据不同温度下的性能对其分级,以满足不同的钎焊温度的焊接;对于不同外形的PDC,平面片磨削时间短,磨削效率高,而微弧片和弧面片磨耗比略低,磨削时间长,但冲击韧性大大提高。因此,在制造PDC钻头的过程中合理选择PDC形状,并将不同性能的PDC用于钻头的不同部位,能够有效提高PDC钻头的寿命。      

国际油气井钻头进展概述 (四)——PDC钻头发展进程及当今态势（下）

近年来,非平面PDC切削齿,如浅凹面PDC齿、Stinger毒牙中心锥形齿、Stinger毒牙刀翼锥形齿、AxeBlade斧式脊形PDC齿和StayCool保持冷却PDC齿等制造的钻头,逐步在油气钻井中得到有效的应用。这些钻头能够以较高的钻进效率和工作寿命钻进某些硬岩和研磨性地层。为了满足水平钻井,特别在页岩气水平井中能够强力排除岩屑,并具有优良的钻井导向性能,国际著名公司推出了许多新型钻头,如ONXY Ⅱ矛式PDC钻头、Seeker导向PDC钻头、CounterForce反力PDC钻头、Speed快速PDC钻头等用于当代油气钻井,取得了良好的效果。文章还介绍了Defyer DPA套管钻头与CuttPro PDC防剪切保护帽。提出了以下建议：继续深入研究PDC钻头,以提高其性能,更好地满足油气钻井的要求;组合化钻头是油气钻头发展的重要趋势;比金刚石性能更好的钻头切削材料有可能今后发现或合成,可用于制作更佳钻井钻头;我国钻头企业需重组和发展状大;各种钻头技术创新应该加强。     

国内外PDC钻凿特性检测试验研究

针对PDC钻头在钻复杂硬地层中容易出现崩齿、碎裂、剥蚀脱层和过度磨损等问题,本文采用自主研发的PDC钻凿/磨铣特性检测试验装置对五种φ19 PDC片、五种φ16 PDC片和七种φ13PDC片进行了钻凿/磨铣特性进行了检测及评价。结果表明,不同厂家、不同规格PDC片切削性能各不相同,PDC钻凿特性有后期出刃型和直接出刃型两种。在相同条件下,后期出刃型钻速表现出由低到高再到低,直接出刃型表现为由高到低的特性,因此,在制造PDC钻头的过程中应合理选择PDC片规格尺寸,从而有效提高PDC钻头质量。     

基于ANSYS的PDC钻头钎焊裂纹应力场和应力强度因子分析

金刚石复合片(PDC)钻头钎焊裂纹尖端两侧临近界面处应力高度集中,是导致其断裂失效的主要原因。基于ANSYS对PDC钻头钎焊裂纹进行数值模拟,针对焊缝裂纹形状、厚度、位置的不同,能对裂纹尖端应力场等值线图及应力强度因子进行数值计算。借助这一计算PDC焊缝裂纹应力强度因子的新方法,阐述了PDC断裂失效机理,用以指导钻头焊接工艺,稳定和提高PDC钻头焊接质量。      

PDC钻头综合受力模型的试验研究

模拟钻头上的切削齿的不同的切削断面形状、重叠切削状态及磨损状态,利用PDC切削齿对多种岩样进行了切削试验,研究了切削面积、接触弧长、切削齿后倾角、岩石抗钻强度、切削齿磨损高度等因素对PDC切削齿受力的影响规律。结果表明,切削面积相同情况下切削齿受力随接触弧长、岩石可钻性极值、切削齿磨损高度分别呈线性,幂函数和指数函数趋势变化;切削齿受力最小的后倾角在5～10°区间内。引入弧长系数、磨损高度系数,建立了PDC切削齿综合受力模型。根据力的平衡原理,推导得出完整的PDC钻头受力计算模型,为PDC钻头优化设计和合理使用提供了理论依据。     

高压水射流钻完井技术进展及发展思考

利用有效的钻完井技术,缩短建井周期,提高单井产能,对于经济高效开发深层油气、致密油气、煤层气等油气资源具有重要意义。高压水射流钻完井技术是利用高能流体进行破岩的前沿技术,不仅能用于提高钻井机械钻速,还能用于割缝增产,国外在高压水射流钻完井技术方面开展了大量尝试性研究工作,通过不断创新和改进,已有部分技术实现了商业应用。在总结高压水射流钻完井技术进展的基础上,分析了商业应用存在的问题,针对国内高压水射流钻完井技术发展现状,提出了开展超高压双管连续管水射流钻井技术研究、开展超高压水射流割缝增产技术试验、开发专用的井下喷射和切削系统、深化脉冲水射流技术研究等发展建议。围绕这些关键技术进行攻关研究,通过室内和现场试验,尽快形成我国的高压水射流钻完井技术及配套装备。      

应用水力空化射流技术提高灰岩地层钻速

水力空化射流技术具有安全、可靠、效果好等特点,在石油钻井中得到了推广应用。针对伊朗Y油田中下部中硬灰岩地层可钻性差、机械钻速低的情况,试验应用了水力空化射流工具。研究了试验油田的地层强度及可钻性参数,优选了水力脉冲空化射流装置和下部钻具组合,优化了机械及水力参数。现场实钻资料表明,水力空化射流工具提高钻速明显,对中硬地层的灰岩具有良好的钻进效果。     

脉冲空化射流钻井技术研究与应用

通过空化射流发生器的结构对提高机械钻速的机理分析,同时结合现场应用,介绍了空化射流在国内外石油行业的市场前景,提出了目前解决钻井机械钻速慢的一种比较简单可行的钻井方法。     

旋流喷嘴钻头在NP32-3646井的现场应用分析

南堡32-3646井是一口四开三段制定向井,设计井深5798 m。3864～4265 m（井斜29.18°的稳斜段）试验了五刀翼旋流喷嘴PDC钻头（主切削齿直径16 mm, 3个φ11 mm常规水眼和4个φ18 mm旋流喷射水眼）。针对深井超深井钻进中常采用的相对较高的钻井液密度和粘度,不利于提高钻头破岩效率的问题,在系统介绍旋转射流发生机理和破岩机理的基础上,对NP32-3646井五刀翼旋流喷嘴PDC钻头现场应用情况进行了分析。试验结果表明,旋转射流因具有切向、轴向和径向三维速度,可在高粘钻井液条件下更好地改善井底清岩效果,并通过剪切、冲蚀、拉伸和磨削等多种方式实现辅助破岩,从而提高钻井效率。试验钻头进尺401 m,平均机械钻速4.45 m/h,可较好地满足现场钻进需要,具有良好的推广应用前景。     

尖齿状金刚石复合片钻头在油页岩矿区的钻进实验

松辽盆地青山口组和嫩江组含油页岩系,夹有数十层白云岩透镜体或条带。在对该油页岩系进行钻探时,由于经常遇到硬度较大的白云岩层,使用普通的硬质合金钻头不仅进尺极其缓慢,而且钻头损坏严重,寿命短。为解决此钻探难题,研制开发具有高耐磨性和穿透能力强的钻头势在必行。为此,研发了尖齿状金刚石复合片钻头,并进行了现场钻进实验。结果表明,这种钻头在含白云岩层的油页岩地层钻进时,不仅钻进速度高,而且具有高耐磨性、寿命长,其综合技术经济指标远远优于常规硬质合金钻头。     

特殊保径结构PDC钻头在渤海油田应用

随着石油勘探开发技术的不断进步,旋转导向钻井系统在现代钻井中的应用越来越多。但当面临更加复杂及曲率更高的井身结构时,单依靠Xceed指向式旋转导向工具不能完全满足钻井作业的要求。针对这一情况,提出一种特殊保径结构的PDC钻头,其特殊在于上部1 in标准保径,下部3 in保径为0.6°倒角保径。经过计算机模拟分析,这种PDC钻头相较于常规PDC钻头不但可以提高钻具组合的造斜能力还能提高钻具工作稳定性。在渤海油田现场使用表明,这种特殊保径结构的PDC钻头具有更强的造斜能力,保证旋转导向工具和其它井下工具稳定性,减缓井下仪器由于井下震动导致的失效。     

PDC钻头的新发展及应用

聚晶金刚石复合片钻头的发展及应用，大大提高了钻井的机械钻速，减少了钻井时间，降低了钻井成本，本文主要介绍ＰＤＣ钻头的发展与应用概况，几种新型的ＰＤＣ钻头与应用，以及ＰＤＣ钻头的偏转与解决办法。     

奇偶齿鱼脊式聚晶钻头的设计及在油页岩地层的钻进效果

在壳牌石油公司油页岩资源项目钻探施工中，针对复合片钻头产生滑槽式的研磨回转而出现憋泵、糊钻、烧钻、进尺慢等问题，研制了奇偶齿鱼脊式聚晶钻头，并设计了合理的水路系统，与复合片钻头相比钻进效率成倍提高。     

大港油田优快钻井配套技术研究

大港油田深井、超深井提速困难主要是由于馆陶组厚层底砾岩和沙河街组致密泥岩的岩石可钻性差、深部油气藏存在异常高温、高压现象,且钻井液具有高密度和高粘度的特点。为探索适合大港油田的深井、超深井优快钻井配套技术,结合滨深24-5-27井的钻井实例展开了研究。通过优选钻井液体系、应用精细控压钻井技术,以及高效PDC钻头+螺杆马达复合钻井技术,实现该井完钻井深4510 m,钻井周期36天,全井平均机械钻速为11.56 m/h的快速钻井效果。研究结果表明,该井钻井周期的缩短主要得益于全井机械钻速的提高,以及生产组织的有序衔接和保证。相对所在区块的历史指标井,该井机械钻速提高15.27%,二开和三开的生产组织时间缩短31.68%,钻井周期缩短18.78%。该优快配套钻井技术可为大港油田高效开发深部油气藏提供工程技术保障。     

哈萨克斯坦KKM油田钻具强稳降振提速技术研究

KKM油田下部砂泥岩互层非均质性强导致井下钻具振动剧烈、PDC切削齿寿命低,且井眼易偏斜。目前在用PDC钻头多采用5刀翼或6刀翼16 mm切削齿以降低井下振动保证PDC钻头寿命,但降低了钻头攻击性导致机械钻速较低。针对KKM油田下部地层特点,优选了4刀翼19 mm复合片PDC钻头。该钻头具有较高的破岩效率和攻击性,可大幅度提高机械钻速;同时通过底部钻具组合动力学分析,优化形成了双稳定器+单稳单弯（0.5°）钻具组合,3个稳定器串联具有较强的稳定降振作用,配合小弯角螺杆钻进可有效提高防斜能力,降低了井下振动,配合大尺寸聚晶金刚石复合片PDC钻头实现了三开井段一趟钻完成的目标,机械钻速提高115.35%。