硬岩钻进用石油钻头研究现状及发展趋势

能源与矿产的持续安全供给是经济快速增长的保证,而中硬岩层钻进一直限制着油气钻井向深部发展。针对硬岩地层钻进,地质行业主要采用金刚石钻头钻进,而油气钻井行业除按传统方法采用牙轮钻头和金刚石钻头钻进之外,也逐渐开展了PDC钻头钻进硬岩的研究。本文分别介绍了牙轮钻头、金刚石钻头和PDC钻头在油气勘探硬岩钻进中的应用研究现状。其中,牙轮钻头研究主要集中在增强轴承密封性能、改进布齿结构和提高切削齿强度三个方面,而金刚石钻头研究则集中在碎岩机理、金刚石参数和胎体性能,以及钻头结构三个方面。提出了三类钻头的研究方向和发展趋势,为硬岩钻探技术发展提供参考。     

国际油气井钻头进展概述（一）——Kymera 组合式（Hybrid)钻头系列

针对油气钻井中钻遇坚硬地层、粘-滑（stick-slip)地层、软硬互层与含夹层地层,以及定向井、水平井等钻进中PDC钻头钻进效率、钻井方向控制方面的局限性问题,贝克· 休斯公司克里斯坦森（Baker Hughes Christensen )分公司于2011年四季度向国际市场推出了将金刚石复合片与牙轮相结合的钻头——Kymera组合式钻头。该新型钻头藉助于牙轮在硬岩层中的侵入能力,提高碎岩效率,改善PDC的冷却,还能明显降低钻头在井底的扭矩,提高钻井方向的控制能力。在世界各地现场实际应用取得了良好的钻井效果。介绍了Kymera组合式钻头的研发背景和历程,以及其在世界多地油气钻井中的现场应用情况。     

螺杆钻具在煤系地层地热井工程中的应用

在对煤系地层特点和螺杆钻具优势分析的基础上,介绍了采用螺杆钻具+PDC钻头或三牙轮钻头在煤系地层地热井工程的应用情况,并对其应用效果及经济效益进行了分析。结果表明,在煤系地热井工程中采用螺杆钻具+PDC钻头或三牙轮钻头的钻探工艺,可以提高机械钻速、缩短钻井周期,对降低钻井成本具有显著的现实意义。     

泉子街地区地层可钻性分析及钻头选型

泉子街地区页岩气参数井钻进过程中存在地层可钻性差、研磨性较强,钻进速度慢,单只钻头（牙轮、PDC）进尺少且报废率高等问题。本文通过对泉子街区块岩石可钻性进行分析、评价,可以为该区页岩气勘查钻井施工钻头选型和钻井工程设计优化提供依据,从而达到提高该区钻井施工效率、降低钻井成本、缩短项目工作周期的目的。     

涡轮钻井技术在梨树断陷区块的应用

梨树断陷区块登娄库组、营城组、沙河子组、火石岭组地层可钻性差、岩性较致密、局部含砾严重,并且沙河子组局部层位岩石硬度达到7级,采用常规钻井技术,存在牙轮钻头效率低、寿命短等问题;各种型号PDC钻头试用后效果不理想。通过采用涡轮钻井技术,平均机械钻速提高了4倍,钻井周期缩短,钻井综合成本大大降低。实践证明,高速涡轮钻具＋孕镶金刚石钻井技术是高研磨性、高抗挤强度、高温地层深井钻进提速的有效技术。     

地热钻井用钻头

一、前言钻井费用在地热开发所需费用中所占比例非常大，如何缩短钻进时间，减小钻进费用成为一大课题。过去，为提高钻进效率曾进行了种种努力。目前，地热钻井用的钻头大部分为三牙轮钻头。但是牙轮钻头在高温环境中使用，密封和轴承等容易损坏，寿命短。为此，各国都进行了地热钻井用钻头的研究开发，并已制作出性能良好的地热钻井用钻头，但其性能尚不充分。高温钻头除了耐热、耐磨、耐腐蚀外，还应该具有类似全面钻头的简单结构。美国进行了金刚石复合片高温全面钻头的研究开发，但是钻进硬地层的效果不理想。日本也进行了高温硬地层钻进用金刚石     

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。     

PDC钻头在寺河煤矿瓦斯预抽放钻井中的应用

在寺河矿区一期瓦斯地面预抽放钻井施工中，使用传统的镶齿三牙轮钻头钻进，钻进速度低，仅为2.0m／h，且井斜不易控制、钻头寿命短、成本较高。通过对寺河煤矿地层特征的分析，在二期工程施工中，9#煤以上地层优选六翼内凹式PDC钻头钻进，采取一定技术措施并合理调整钻压、转速及泵量等钻进参数，钻速可达7．0m/h，井斜也得到有效控制，降低了钻井成本。     

牙轮钻头钻井参数探讨

在水井等钻井工程中,广泛采用牙轮钻头钻进硬岩。为了更好地发挥牙轮钻头高效钻进的优越性,进一步提高钻进效率,延长钻头使用寿命,降低钻井成本,有必要深入讨论牙轮钻头在钻进中的钻压、转速及冲洗液等钻进参数与钻进效率的关系。１　钻压牙轮齿对岩石的破碎作用有３种：即压碎、冲击和剪切。压碎是牙轮在钻压的作用下对岩石的静力压碎作用,其效果主要取决于钻压的大小和岩石的硬度;冲击是牙轮滚动时轮齿交替作用于岩石,而使牙轮轴心产生上下往复振动,冲击作用与牙轮的齿数、转速和钻压有关,冲击力与齿数成反比,与转速和钻压成正…     

煤矿井下硬岩定向钻进PDC钻头选型及试验分析

为了提高煤矿井下硬岩定向钻进的效率,在分析硬岩定向钻进PDC钻头的结构要求的基础上,选择了3种不同类型的PDC钻头进行煤矿井下硬岩定向钻进试验。试验结果表明,平底型PDC钻头不适用于定向钻进硬岩,而三翼抛物线型钻头和四翼平角型钻头在定向钻进硬岩时,表现出长寿命、高效率等特点,适合于定向钻进硬岩地层,大大提高了煤矿井下定向钻进硬岩地层的效率。     

软岩钻进用新型复合片钻头的研制与应用

为提高复合片在软岩钻进中的效率及寿命,提出了改变复合片切削齿形状,运用新的布齿方式和新的保径设计,设计制造的Φ76 mmPDC钻头在软岩钻进中取得了良好的效果。详细介绍了该软岩钻头的结构设计及现场应用效果。     

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。     

PDC钻头在中硬岩钻进中的应用

PDC钻头是在高温、高压下由人造金刚石与硬质合金一次合成的超硬材料制成的一种新型钻头,具有强度高,耐磨,抗冲击性强、出刃大等特点。以某勘探区为例,介绍该钻头的应用情况,并与普通硬质合金钻头进行了时效和成本的对比,从对比结果来看,使用PDC钻头钻进效率比合金钻头钻进效率提高57%-69%,钻头成本比合金钻头降低61%-67%,同时还对PDC钻头如何钻进破碎带进行了探讨,并对该钻头在使用中的注意事项进行了说明。     

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%。     

PDC肋骨钻头单动双管钻探工艺在铝土矿地层的应用

结合铝土矿地层特点,分析探讨铝土矿地层钻探工艺,通过常规绳索取心钻探、普通双管钻探与PDC肋骨钻头单动双管钻探工艺理论探讨及现场试验对比,得出了在铝土矿地层钻进采用常规钻探方法常产生卡钻事故、钻探效率低的原因,同时验证了采用PDC肋骨钻头单动双管钻探能较好地解决粘附孔壁而卡钻的问题并提高了钻探效率。     

中硬岩层钻进孕镶金刚石复合片钻头的研究与应用

针对中硬岩层的特点设计了一种孕镶金刚石复合片钻头,介绍了其切削结构、特点及切削原理。在钻进中硬岩层时,复合片切削齿和孕镶金刚石后支撑能够共同发挥切削作用,提高钻头钻进效率和钻头的稳定性并且能使钻头具有较长的寿命。     

唐山马头营干热岩M-2井钻井工艺

M-2井为马头营干热岩开采试验井组的采出井,为解决M-2井在钻进过程中新生界地层坍塌、钻头泥包、太古界花岗岩地层钻进效率低、溢流、掉块以及高温钻井液等施工难点,进行了钻井关键技术研究。通过增加钻井液比重、降低滤失量、提高黏度,维护了新生界井壁稳定性; 采用双泵大排量、转盘高转速旋转,解决了钻遇新近系钻头泥包问题。在井深3 880 m处,通过提高泥浆比重,并加入随钻堵漏剂,有效遏制了溢流、大消耗和掉块; 通过改进耐高温钻井液,提高了泥浆的流变性,降低了摩阻和转盘扭矩,保障了M-2井的顺利完井。通过更改钻具组合,采用大螺杆、大钻压、大排量、粗径钻具,使M-2井在太古界变质花岗岩地层中平均钻速达到2.46 m/h,比M-1井同地层纯钻速提高了69.7%,降低了钻探成本。旋锤机配合金刚石复合片(polycrystaline diamond compucts,PDC)钻头提速实验,证明了该方法可有效提高钻进效率,但变质花岗岩地层较硬、研磨性强,PDC片易崩坏,钻头性能仍有待改进。相比而言,采用ϕ203 mm螺杆+牙轮钻头钻进整体效益更高,可作为后续施工中的优选方案。     

弹塑性致密泥岩用新型尖齿PDC钻头的研制与应用

分析了常规复合片钻头钻遇弹塑性致密泥岩钻进效率低的主要原因,并在此基础上研制了适用于该种地层的新型尖齿PDC钻头。通过对PDC切削齿几何结构的改进、切削结构和水力结构的优化设计而研制的新型钻头,在现场试验中取得了良好的钻进效果。平均寿命高达300 m,平均钻进时效3～4 m,解决了弹塑性致密泥岩钻进效率低的难题,为类似地层的钻探施工提供了一种高效实用的新产品。     

硬岩PDC定向钻头优化设计及其表面增材技术研究

定向长钻孔是煤矿瓦斯、水害治理的主要技术手段,PDC定向钻头性能是影响坚硬地层钻进效率的重要因素。针对煤层顶底板岩层定向长钻孔施工中出现因PDC钻头体断翼、PDC崩齿等问题导致的频繁起下钻、施工效率低等现象,采用等切削布齿原则对刀翼布齿进行优化,有效降低切削齿冲击破坏;通过流体力学仿真分析,优化钻头水力参数,保证岩屑及时排出孔底,防止切削齿因重复破碎岩石导致过早损坏;通过仿真分析,优选大直径PDC异型齿,提高切削齿耐磨和抗冲击性能;引入表面增材制造技术,通过优化等离子(PTA)增材制造工艺参数,实现了兼具胎体耐磨耐冲蚀和钢体强韧性的WC基复合钻头体加工工艺。新研制的PDC定向钻头,在淮南顾桥煤矿北区底板探放水钻孔中进行了现场试验。结果表明:钻进致密、坚硬灰岩地层时,2只钻头寿命分别达到827、810 m,相对于以前的?120 mm胎体式定向钻头平均寿命300 m有较大幅度的提高,并降低了上下钻等辅助作业时间,提高了施工效率,达到了硬岩定向长钻孔提速增效的目标,为硬岩定向长钻孔用PDC钻头设计和制造工艺开发提供了新的解决方案。