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钻头切削齿破岩载荷规律的分析

对PDC钻头冠部形状及不同的布齿密度和切削齿在不同的磨损状态下对PDC钻头切削齿受力的影响进行了分析；用相邻的3个切削齿之间的关系(不同的切削齿与切削齿之间的径向距离和切削齿之间的高度差)来分析PDC钻头冠部形状和切削齿布齿密度对切削齿受力的影响，以及将切削齿的磨损状态简化成与切削齿在钻头上装配方向垂直的平面来分析切削齿磨损状态对切削齿受力的影响。     

锥形聚晶金刚石复合片和可旋转切削齿技术简介

PDC钻头有着较高的钻进效率,一直受到客户们的青睐,但它受所钻地层、孔深和温度等因素的制约,使得钻头切削齿寿命较低。最近几年,国内外专家针对如何提高切削齿性能开展了诸多研究,并取得了不少成绩。主要介绍了美国史密斯钻头的2项最新PDC切削齿技术——锥形聚晶金刚石复合片和ONXY 360旋转切削齿。实钻试验表明,采用这2种新型切削齿技术的PDC钻头,钻进效率和寿命都有了明显提高。     

基于不同母材的PDC钎焊强度的影响因素分析

随着聚晶金刚石复合片（PDC）钻头在复杂地层的应用范围不断扩大,对PDC复合片与钻头体材料的焊接强度要求越来越高,为了探究PDC复合片和不同钻头体材料的钎焊工艺,选用2种基体材料（胎体式和钢体式PDC钻头试样,以下简称胎体试样和碳钢试样）、2种钎料,采用火焰钎焊和高频感应钎焊,研究了钎焊温度、钎料、钎焊方式对PDC复合片和不同基体材料焊接性能的影响,得出了剪切强度随温度的变化曲线。同时,采用光学显微镜对PDC的焊缝断面进行了观测。结果表明,PDC复合片与胎体试样钎焊时,为硬质合金间的钎焊,钎料与母材润湿效果好,剪切强度值较高;PDC复合片与碳钢试样钎焊时,为硬质合金和异种材料间的钎焊,为了提高剪切强度,可适当提高钎焊温度或采用Ni含量高的钎料。      

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。     

高温硬地层钻进中PDC钻头切削齿磨损研究

随着新时代对绿色环保资源的需求日渐旺盛,地热资源即将进入大规模开发阶段。为经济、高效获取地热资源,目前主要应用的是PDC钻头。但是,部分钻取地热井存在遭遇高温硬地层的情况,常规PDC钻头存在耐高温性能差、硬度略低、耐磨性不足等问题。本文总结了深部高温硬地层钻进时PDC切削齿受到磨粒磨损,冲击磨损,热损伤等3种磨损机理,介绍了4种提高PDC切削齿耐高温性,硬度及耐磨性的方法：涂层技术、改善钻进参数,复合钻头和钎焊切削齿。根据目前研究情况,建议单个PDC切削齿实验可以从实现独立分析与切削齿关联性相结合方面展开,通过动态建模和工作状态实时模拟优化设计方案。     

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。     

PDC钻头切削齿布齿设计的新思路

切削齿布齿设计是PDC钻头设计的关键。为提高PDC钻头的钻进效率,综合考虑PDC钻头切削齿的设计特点和切削先后顺序等因素,并且通过对PDC钻头单切削齿实验结果进行分析,提出了以冠部轮廓法线为基准的切削齿布齿设计方法。     

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%。     

钢体PDC钻头修复技术之研究

介绍了一种钢体PDC钻头修复技术。首先对已使用过的钢体PDC钻头的可修复性进行确认，将符合修复条件的钻头进行预处理后，以8~10 ℃/min的速度对钻头体加热，加热到620 ℃左右时，焊接切削齿的焊料开始熔化，把符合条件的复合片切削齿取下，放入600 ℃的焊剂中保温待用，最后利用堆焊技术对钻头体进行修复。现场试验证明，修复后的钻头质量与新加工钻头质量无明显差别。以修复一只12 (1/4) in钢体PDC钻头为例，至少可节约成本4.14万元人民币，经济效益明显。     

PDC钻头切削齿受力随布齿密度变化关系研究

采用不同布齿方式的３个ＰＤＣ切削齿同步连续切削转动的岩石为模拟井底钻头切削齿实际工作状态，用切削岩石时相同的布齿参数切削砂轮来磨损切削以模拟切削的以模拟切削齿磨状态，试验研究了不同磨损程度的切削齿受力与布齿密度的关系。     

锥形聚晶金刚石复合片齿破岩特征与机制研究

锥形聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)齿是一种具有较强抗冲击性和耐磨性的新型PDC齿,在坚硬、强研磨性和软硬交错地层中取得了非常好的钻井提速效果。为了揭示锥形齿破碎硬岩机制,开展锥形齿破碎花岗岩试验与数值模拟研究,分析了切削深度和前倾角对锥形齿切削力和破岩比能的影响规律,采用高速摄像机和透明K9玻璃观测了锥形齿作用下岩屑形成过程及微裂纹萌生与扩展过程,通过数值模拟分析了破岩过程中岩石应力响应与损伤演化特性,结合对切削槽和大尺寸块体岩屑表面形貌及断口微观特征分析,建立了锥形齿破碎花岗岩机制模型。结果表明,锥形齿破碎花岗岩的过程可以分为挤压成核和块体崩裂两个阶段,前倾角对岩石破碎过程影响较小,切削深度的影响显著;锥形齿周围的裂纹主要由压实核、纵向裂纹和横向裂纹组成,纵向裂纹和横向裂纹扩展的最大深度分别为切削深度的6.69倍和4.53倍;齿尖周围压应力集中,岩石发生压剪破坏,压应力区外围形成弧形条带状拉应力区,并在齿尖及压应力区边界处诱导出拉伸微裂纹;微裂纹向齿前扩展形成弧形拉伸主裂纹,发生块体岩屑崩裂,提高破岩效率,向岩石内部扩展劣化...     

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。     

聚晶金刚石复合片残余热应力的影响因素

残余热应力是影响聚晶金刚石复合片(PDC)性能好坏的最重要因素之一。考虑聚晶金刚石层(PCD)与硬质合金层厚度比以及PDC压制过程中烧结温度的波动对聚晶金刚石复合片残余热应力的影响,在ANSYS中建立PDC模型,运用热-结耦合法分析PDC的残余热应力。计算表明,随着PCD层与硬质合金层厚度比由0.067增加到0.333,PCD层表面中心的压应力由1.61 GPa降低到380 MPa,PCD层最大径向压应力由1.61 GPa降低1.03 GPa左右,而PCD层边缘靠近界面附近最大轴向拉应力逐渐增大;随着PDC压制过程中烧结温度由1000℃升高到1500℃,PCD层的最大径向压应力、最大轴向拉应力以及最大剪应力等均逐渐增大。认为,在研究PDC合成新工艺过程中,应在保证PDC使用寿命的前提下尽量降低PCD层与硬质合金层厚度比;必须尽量切断原材料以及人为操作对温度的影响。      

低温电镀复合片石油全面钻头的研制

采用低温电镀工艺（室温）生产复合片石油全面钻头,或者说复合片镶嵌在钻头钢体上而形成完整的复合片石油全面钻头的整个生产过程中完全不受高温影响。因而最大限度地保护复合片和金刚石,提高了钻头使用品质。现已获得理想的经济指标,受到生产用户好评。     

新型仿生PDC齿高效切削机理及试验研究

利用仿生耦合理论,根据贝壳和蝼蛄等动植物的非光滑形态结构研制了一种新型的仿生PDC齿,并利用有限元软件abaqus对单个齿磨损前后的运动过程进行分析,与普通PDC齿的应力分布状态进行对比,可以看出,在同等条件下,非光滑PDC切削齿的应力大小及分布情况要明显优于普通的PDC切削齿,具有良好的碎岩效果。此外还对这2种切削齿进行了磨耗比试验,试验结果进一步证明了仿生PDC齿具有一定的优越性。     

室内岩石破岩机制试验及应用研究

聚晶金刚石复合片切削齿钻头的合理选取与使用,关系到它技术优势的发挥。在简要介绍国内研发的聚晶金刚石复合片切削齿钻头岩石可钻性测定方法与分级标准的基础上,详细叙述了室内试验的情况、数据处理分析过程及其获取的定性定量结论;从利于实际应用出发,提出了基于有效吃入岩石、岩石种类与切削齿相融、钻进技术参数互补三原则的聚晶金刚石复合片切削齿钻头的选取和使用原则与基本方法。     

仿生高效切削齿试验研究

在仿生高效耐磨理论的指导下,以鼹鼠爪趾为仿生原型,引入了其经长期进化而具有的高效、耐磨的特性。选用CVD多晶金刚石为切削齿的切削单元,采用真空热压烧结工艺制备仿生高效切削齿,并将其与常规PDC齿、仿生PDC齿的耐磨性和切削效率进行对比试验,结果显示：仿生高效切削齿的耐磨性较常规PDC齿提高23%;切削效率较常规PDC齿提高1.49倍,较仿生PDC齿提高48%。初步证明了仿生高效切削齿工艺的可行性,为下一步高效切削钻头的研究奠定了坚实的基础。