PDC钻头稳定性技术研究

文章编号:100123482(2002)022*******Ξ

PDC钻头稳定性技术研究

王福修,田京燕

(胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营257017)

摘要:文章对影响PDC钻头稳定性的回旋振动与扭转振动进行了分析与研究,提出了多种改善PDC钻头稳定性的技术措施,并简要介绍了应用效果。

关键词:PDC钻头;稳定性;振动

中图分类号:T E921.101 文献标识码:A

The technology study on PDC b it stab il ity

W AN G Fu2x iu,T I AN J ing2yan

(D rilling T echnology R esea rch Instu tity of S heng li P etroleum A dm in istra tion,D ongy ing257017,Ch ina)

Abstract:T h is p ap er describes the w h irl vib rati on and to rsi onal vib rati on they are having on PDC b it stab ility.It discu sses techno logy m easu res w h ich i m p rove PDC b it stab ility,and describes their po sitive effect b riefly.

Key words:PDC b it;stab ility;vib rati on

自70年代初,PDC钻头问世以来,PDC钻头在世界范围内得到了普遍应用。在均质的较软地层中PDC钻头具有破岩效率高、钻速快、进尺多、寿命长等优点。从80年代中期开始,国内先后投入了大量

3　4000m钻机应采用旋升式井架和底座井架及底座选择有3种方案,双升式(Slingsho t

Sub structu res平行四边形式)、旋升式(PYRAM I D 公司生产的“Sw ing U p”)和SO I LM EC B ranham公司生产的“Sw ing L ift”。进口的5000m以上电驱动钻机及国内生产的40D,50D,70D型钻机大部分采用的是双升式井架,但与后2种井架形式相比,一是结构件笨大,尤其是底座和钻台面,我国生产的ZJ40 2250DB型钻机采用这种井架形式,其底座质量为130×103kg,井架质量为47×103kg,搬家需要的车辆多;二是双套起升绳系,一套起升井架,一套起升钻台面,多了一套绳系;三是起升拉力大;据测算,起升钻台面时,起升力近2000kN,接近满负荷;四是钻井工况下整体稳定性差,振动比较大。旋升式井架克服了以上缺点,但搬家安装时,仍存在翻倒大绳的问题。B ranham公司生产的“Sw ing L ift”保持了“Sw ing U p”低位安装、稳定性好等上述井架的优点外,它还有自己的特点。

1)　起升井架后不用翻倒大绳,只需下放游车,把起升大绳挂在后台的导轮上就可起升绞车。由于井架的导轮设计在井架内侧,大绳的受力情况得到改善。

2)　井架不仅是单靠在人字架上,而是与人字架联结成一体,形成4点支承,井架的稳定性及受力更好。

3)　井架、底座,特别是后台质量减轻,运输单元进一步减少。该类型井架的设计提升能力范围从2500kN到11300kN,不仅适合4000m钻机,而且也适合50D,70D型钻机。

井架及底座采用“Sw ing L ift”形式,有明显的优势和便利。

2002年第31卷 石油矿场机械 第2期第7页 O I L　F IELD　EQU IP M ENT 2002,31(2):7～10　

Ξ收稿日期:2001209228

作者简介:王福修(19572),男,山东东营人,高级工程师,现从事金刚石钻头的研制与开发工作。

的人力物力从事PDC 钻头的研究与开发,并有多种PDC 钻头在国内得到推广应用。在研究开发与使用过程中,人们发现PDC 钻头的损坏是由于其不能在井下稳定地工作而造成的。为提高PDC 钻头的工作性能,使其获得更广泛的适用范围,胜利石油管理局钻井工艺研究院对“PDC 钻头的稳定性技术”进行了研究。在对影响PDC 钻头稳定性的因素进行大量调研及分析的基础上,在设计、制造工艺及现场使用操作参数等方面采取了诸多消除或减弱钻头振动的技术措施,改善了PDC 钻头的钻进稳定性,从而使其钻进性能有了显著提高。

1　影响PDC 钻头稳定性的因素

现场应用中,有许多PDC 钻头的钻进性能不理

想,进尺少、钻速慢、寿命短,分析其原因主要是由于在钻进过程中PDC 钻头发生了某种振动而使PDC 钻头不能够稳定工作所致。振动形式主要有回旋振动、扭转振动及轴向振动。111　回旋振动

正向回旋,由于钻头瞬时旋转中心距原井眼中心较近,多数PDC 切削齿的运动状态与受力状态属于正常,因而危害小。回旋主要指瞬时旋转中心为钻头保径。钻头发生回旋时,钻头设计的几何中心使钻头的旋转中心不再成立,因而钻头的几何结构、PDC 切削齿的布置变得不合理。回旋运动改变了PDC 钻头切削齿的工作状态,切削齿有时正向运动、有时侧向运动、有时反向运动,每个PDC 钻头切削齿都承受着较大的冲击载荷。如图1,PDC 钻头切削齿的瞬时速度为

v =Ξ

r 2

+R 2

-2rR co s Η,(1)

式中,v 为PDC 切削齿运动线速度;Ξ为钻头运动角

速度;r 为PDC 切削齿与钻头中心轴线之间的距离;R 为钻头半径;Η为PDC 切削齿所在的钻头半径线与OO i 线之间的夹角。

从上式看出,PDC 钻头切削齿的运动速度和方向无时不在变化,尤其是每时每刻总有部分PDC 切削齿的切向运动速度与设计要求的方向相反,这叫瞬时局部反向旋转现象,对PDC 切削齿的破坏特别严重。现结合图2对瞬时局部反向旋转现象作进一步分析研究。

PDC 切削齿的切向运动速度为v sin Α(图示方向为正),由图中几何关系R

sin (

Π2

-Α)=

r 2+R 2

-

2rR co s Ηsin Η

(Α如图1),

得 v sin Α=Ξ(r -R co s Η

)。 (2)由式(2)知,当r -R co s Η<0时,v ?sin Α<0,实际方向与图中所示方向相反,即为反向旋转。r -R co s Η

<0的条件可转化为r

圆心位于O B O i 中点的一个圆。也就是说,位于圆r =R co s Η内部的PDC 切削齿均存在不同程度的反向旋转现象。圆r =R

co s Η的面积等于钻头端面面积的1 4,说明PDC 钻头在发生回旋运动时,每一时刻都约有1 4

的PDC 切削齿存在反向旋转现象。

O —井眼中心;O B —钻头中心;O i —钻头瞬时旋转中心

图1　PDC 切削齿的运动学分析

图2　PDC 切削齿受力状况

反向旋转是由于PDC 切削齿的承载特点所决定的。PDC 切削齿的结构和自锐特点只允许它承受来自正面的载荷,对来自侧面和反面载荷的承受能力很弱。如图2a ,切削力作用在金刚石层的正面,后面有W C 底层支撑着金刚石层,故可承受很大载荷;如图2b ,切削力主要作用在自锐出露的金刚石层反面上,正面无任何支撑,即使在较小载荷、作用时间较短的情况下,切削齿的金刚石层也会遭到严重破坏。

PDC 钻头发生回旋振动时,切削齿承受的冲击载荷很大。在较硬地层中,PDC 切削齿使得金刚石层凸缘被剪掉;使得部分或整个金刚石层碎裂。前者使钻头机械钻速减慢,但经过一段时间的热磨损后,凸缘又会自动形成。此过程反复进行,将加速PDC 切削齿的磨损破坏;后者使PDC 切削齿失去自锐能力,是导致PDC 钻头先期损坏的主要原因。

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1.2　影响钻头回旋的因素

1.2.1　钻头结构

促使钻头产生横向运动的任何因素都能增加钻头回旋倾向。钻头切削不平衡力愈大,冠高系数愈大或外锥愈长,保径部位愈粗糙,则愈易发生回旋。1.2.2　岩石性能

在软地层中钻进速度较快,没有足够的时间使井径扩大,因而钻头回旋不易发生。相反,由于某种原因,如,钻较硬地层,机械钻速就较慢,钻头就有可能发生回旋。易引起钻头泥包的粘性地层可减小回旋倾向。松散地层通常最糟,因为它极易引起井径扩大,所以很易导致钻头回旋的发生。

1.2.3　操作参数

转速越高,离心力越大,钻头越易发生回旋或回旋不易停止。因为相对不平衡力增大,使得钻压越小,越易发生回旋,。

2　扭转振动

2.1　扭转振动的危害

发生扭转振动时,钻头会发生卡滑现象,导致钻头转速时大时小,甚至静止不动,或反向旋转。这样会使PDC切削齿承受很大的冲击载荷,加速切削齿的磨损甚至引起金刚石层脱落,尤其是钻头反向旋转更容易导致PDC金刚石层的碎裂或脱落。由于钻头或井底钻具发生扭转振动时,钻柱承受着循环交变载荷,所以容易引起钻具的疲劳破坏。

2.2　影响扭转振动的因素

研究证明,在钻头布齿密度大、钻头已磨钝、地层较硬、泥饼摩擦因数大、水敏地层、高钻压低转速情况下,钻头容易发生扭转振动。钻头布齿密度大,要想取得同样快的机械钻速,必须增加钻压,这样一是增大了切削齿与岩石之间的摩擦力;二是更易使BHA靠近井壁因而容易引起扭转振动。水敏地层或泥饼摩擦因数大,加大了BHA与井壁之间的摩擦力,所以易引起扭转振动。PDC钻头的一个固有特性是随着转速的增大而扭矩减小。对于磨钝了的PDC钻头,该特性更为明显。这是因为PDC钻头以剪切方式破岩,岩屑排出方便迅速,而磨钝了的PDC钻头部分地以挤压方式破岩,岩屑不易清除,因而扭矩增大,若转速增大,岩屑清除速度加快,因而扭矩就会减小。也就是说,井底岩屑不能及时清除,是引起扭矩随转速增大而减小的根本原因。说明,磨钝了的PDC钻头在低转速条件下容易引起扭转振动。3　技术措施

3.1　钻头结构方面

3.1.1　平坦的钻头冠部轮廓

试验表明,钻头冠部轮廓锥度愈大,其钻头旋转中心对钻头的横向偏移越敏感。而具有平坦冠部轮廓的PDC钻头不易发生横向移动,其稳定性较好。

3.1.2　钻头冠部轮廓深内锥

当PDC钻头发生横向偏移时,钻头深内锥上受力的切削齿与锥外受力的切削齿在方位上处于相反的两侧。这样内锥上受力的切削齿则阻止钻头作进一步横向运动。如果内锥较浅,则心部岩石易被横向运动的切削齿切削掉,因而起不到阻止钻头横向运动的作用。深内锥结构的另一个作用是防止内锥上的PDC切削齿受反向载荷的作用。此外,若内锥深度与外锥高度相当,那么钻遇由硬到软的地层交界面时,深内锥结构可使钻头中心和保径部位同时有PDC切削齿处在硬地层内,有利于钻头平稳钻进。

3.1.3　低摩阻保径

低摩阻保径是利用一个无切削作用的摩擦力很小的保径块来平衡钻头上的不平衡力。不平衡力指向低摩阻保径块,该保径块与井壁之间的摩擦比保径切削齿与井壁之间的摩擦小得多。由于在垂直于不平衡力方向上的摩阻很小,所以钻头可沿井壁滑动而不会滚动。如果该保径块相对较宽,那么不平衡力允许有较大的方向变化。只要不平衡力始终指向低摩阻保径块,钻头则不会发生回旋运动。这种低摩阻保径结构的关键是确定不平衡力的大小、方向和低摩阻保径块的包角(或宽度)。

3.1.4　轨径布齿

轨径布齿是将全部或部分PDC切削齿分布在钻头冠部端面上不同的同心圆环上,即某一个钻头半径上布置数个PDC切削齿,而各个同心圆环之间的PDC切削齿的重叠系数很小。这一径向布齿方式使钻头在钻进过程中产生不平滑的井底,使相邻的同心圆环之间形成地层岩石凸起环带。在钻头旋转钻进过程中,若由于某种原因引起旋转中心偏移, PDC切削齿会撞击相邻的岩石凸起环带。这一作用产生一个与偏移方向相反的稳定力,试图恢复钻头绕其几何中心旋转。该稳定力作用在垂直于钻头轴线的平面上,其大小与切削深度,岩石抗压强度及切削齿同心圆环的分布等因素有关。

3.1.5　力平衡设计

钻头在钻进过程中,PDC切削齿通常承受径向

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9

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　王福修,等:PDC钻头稳定性技术研究

力、切向力、轴向力等,还有弯矩作用,这些力的大小和方向取决于钻头设计参数、所钻地层的强度及钻井工作参数,其中设计参数包括钻头冠部轮廓、PDC 切削齿的前倾角及侧倾角、PDC 切削齿的径向布置、周向布置、轴向布置和装配角、各个PDC 切削齿的切削面积等。这些力的矢量和在垂直于钻头中心轴线的平面上产生一个静不平衡力,其值通常与钻压成正比,大小用所占钻压的百分比表示。它是导致PDC 钻头偏离几何中心旋转的根本原因,因此一般借助计算机将不平衡力设计为最小(低摩阻保径结构的PDC 钻头除外)。

3.1.6　螺旋状刀翼

由于刀翼式布齿(或肋状布齿)排屑效果好,有利于提高机械钻速,因此PDC 钻头多采用刀翼式布齿,即将全部PDC 切削齿都布置在刀翼上。但与自由式布齿相比,这种布齿容易使切削载荷集中到某一个方向上,从而增加了钻头产生偏移的可能性。为此,多采用螺旋状刀翼结构,这样就分散了指向井壁的切削力,减小了钻头保径与井壁之间的接触应力,因而减小了钻头发生回旋运动的机率。

3.1.7　刀翼非均匀布置

理论分析和试验研究表明,若刀翼在钻头端面上均匀布置,那么它正好有助于维持其振动频率不变,甚至能增大其振幅。相反,刀翼呈非均匀布置,打破了某种振动发生初期所具有的频率,从而对振动产生了一种阻尼作用。

3.1.8　保径环结构

在360°圆周上,钻头的保径形成一个整体圆环,防止最外排PDC 切削齿间歇地冲击井壁地层。这种结构减小了扭矩波动和扭矩绝对值,较大程度地限制了钻头无控制地横向运动,可钻出光滑的井眼,减小了钻头发生回旋振动与扭转振动的可能性。对于定向钻井,具有该结构的PDC 钻头可导性强,方位易于控制。

3.1.9　大排屑槽结构

采用大排屑槽结构有利于井底岩屑及时排出,减小钻头切削扭矩,从而降低钻头发生扭转振动的可能性。

3.1.10　低密度切削齿布置

要想获得相同的机械钻速,PDC 切削齿密度低的钻头在较小钻压情况下就能实现。这样BHA 则不易发生弯曲变形,不致于由于BHA 与井壁摩擦增大而引起扭转振动;再者,钻压小,PDC 切削齿与岩石之间的摩擦力也小,不易发生钻头引起的扭转

振动。

3.1.11　混合切削结构

该结构的主切削件是PDC 切削齿,辅助切削件是天然金刚石孕镶柱或硬质合金柱或大块T SP 。辅助切削件一般布置在PDC 切削齿稍后一点,且露出适当低于PDC 切削齿。该混合切削结构的主要特点是在含有硬夹层的地层中钻进时,有利于保持切削齿的连续吃入地层,即保持机械钻速的连续不变性。也就是说,这种结构使钻头的机械钻速在软地层中不致于太快,而在硬夹层中也不致于太慢。因此,这种混合切削结构减小了钻头在软硬交界面处引发各种振动的可能性。

3.2　其他措施

a )　高钻压低转速的钻井参数有利于防止钻头

回旋振动或轴向振动的发生,但易于引起钻头或钻具的扭转振动。如果确实发生了扭转振动,现场实用的解决办法是将钻头慢慢提离井底,待扭转振动停止后再将钻头放到井底,采取小钻压高转速的参数。实践中,应采用高钻压低转速组合还是采用低钻压高转速组合,需根据现场具体情况而定。

b )　采用井底动力钻具可以避免由于BHA 弯曲变形而导致的扭转振动。在井底MW D 内安装振动测量装置,随时将钻头振动情况反映给司钻,以对钻井参数进行实时调整。

4　应用效果

通过对钻头稳定性的技术研究,结合制造工艺及钻井现场实际情况,近期开发的PDC 钻头新产品采用了多项稳定性技术措施,增强了钻头的稳定性,提高了钻头的工作性能。其中P 284M 2241.3型PDC 钻头单只进尺达10027.59m ,创国产PDC 钻头单只进尺最高纪录;P 274M 2311型PDC 钻头在中国海洋石油渤海公司Q K 17—2—P 27井使用,连续进尺达1980m (井段460～2440m ),以65.45m h 的高机械钻速钻完了直径<311mm 井段(完钻),受到用户好评;P 185M 2152.4型PDC 钻头在新星公司东北局使用,一只钻头可连续钻完直径<152.4mm 井段,单只进尺1476m ,机械钻速14.67m h ,其性能指标大大高于老产品;最新研制开发的P 264M F 2215.9型PDC 钻头又创出了胜利油田陆上地区一只PDC 钻头连续钻完一口深度为3050m 的井的新纪录。

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看世界PDC钻头的最新进展(一)

钻井过程中的技术创新，看世界PDC钻头的最新进展（一） 研磨性页岩地层驱使着新钻头的设计，以应对坚硬岩石及高温井的钻探。 在金刚石切削齿与碳化物基岩面相互作用期间，贝克休斯的休斯克里斯滕森Quantec Force强力PDC钻头获得了最佳效果，表现出更高的耐用性和热稳定性，通过获得的有限的切削齿分析，切削刃上的残余应力被迁移。 随着北美油气井页岩层的不断出现，钻头公司迫切地公关，以应对这些地层钻探的挑战并不让人惊讶，对于具体的应用，随之而来的是新钻头的设计，或是改进现有钻头的设计。 一些近期的设计，包括一些应对研磨性地层或高温地层钻井的新切削材料，也有一些8刀翼钻头的外形设计，这些设计都吸收了新切削齿技术和新材料技术，还有一些更新的钻头体材料技术，这些技术都是为了增强钻头的耐用性和提高钻头的性能表现，唯一的目的就是为了降低作业者的钻井成本。 一位服务于Varel国际公司西半球的现场工程经理卡尔罗斯（Karl Rose）说：“在开发钻头切削齿方面，许多钻头技术基本上都是材料技术，使钻头能够承受钻极硬的研磨性地层，切削齿能够在钻硬地层、软地层和夹层地层的变化中不会损坏”。 在钻头本身的材料特性方面也有了新的进展，为了使钻头更加结实和耐用，促使设计者设计出应对更硬地层类型的PDC钻头，罗斯先生说：“随着更坚硬材料的出现，切削齿材料的密度也会增加，使钻头从根本上更加坚韧耐用，这会让作业者在钻硬地层和研磨性地层时，用一只钻头打更多的进尺”。 一位史密斯国际公司的技术支持经理弗莱明克雷格同意说：“切削齿越好，钻头在井里滞留的时间就越长，就能打更多的硬地层和研磨性地层，作业者花费的成本就会越少”。 弗莱明先生说：“我们首先要能让一个切削齿应对更硬和更高研磨性地层，以便能使整个PDC钻头切削齿吃入这些地层，另一方面，钻头的刀翼越多，触到井底的金刚石体就越多”。

国外石油工程技术的最新进展

国外石油工程技术的最新进展 近年来给世界石油工业带来技术革命的几项高新技术成果主要有以下几个方面：地质巡航系统给水平井技术和复杂油井结构的发展带来了无限的生命力，使水平井从过去边缘和高风险技术变成今天提高原油采收率的常规技术。钻井监控系统使石油钻井工艺技术迸入了全球实时监控时代，人们可以在办公室与远在万里之遇的井场工程师和技术总监通过网络进行通讯，提高了钻井的安全性和效率。智能完井技术对石油资源提供了一种更智能化、更灵活可变的管理，同时，智能完井系统给油藏参数监测和生产参数的计量提供了一个强有力的手段。先进的完井技术在疏松砂岩油藏的长水平井段裸眼完井获得成功，实现了油井长期的无砂生产。新的人工举升系统在油田的应用可提高产量和减少井下故障，降低采油成本。近年来，水平井技术带动了世界石油工程技术的飞速发展，该技术在提高原油采收率方面的优势明显。水平井钻井过程中，钻头钻遇油层靠新一代的地质巡航（Geo－Navigaion）系统进行井眼轨迹的准确导向，100％中靶，确保其最大限度地钻遇油层。在实现油藏和采油生产一体化的优化管理方面，借助网格技术的钻井井眼结构实时监控（Realtime Well Construction Monitoring）技术实现了20世纪80年代初人们的设想，已经可以使相距万里 之遥的钻井现场总监与地质师之间进行有效通讯，交换钻井意见，共同查看钻井的全过程和修改井眼轨迹，真正实现优化钻井。智能完井系统（Intelligent Completion system）可使人们目睹井下油藏变化的动态参数，并能随时根据生产需要遥控井下各个不同油水层的开关，实现油嘴或水嘴的无级调速，油井管理更高效、更科学和更灵活。先进的完井技术主要体现在高难度的疏松砂岩油藏的水平井裸眼完井技术，该技术应用近年来发展起来的水压裂（Water Fracturing）技术结合下入具有独特结构的防砂管（Stand－Along Pre-packing Screen）和管外砾石充填（Gravel Packing）完井技术，成功地实现水平井和多分支井的裸眼完井，从而达到长期的无砂生产。 国外石油工程技术的最新进展——有杆采油技术 （一）有杆采油技术 作为有杆采油的主要设备，国外抽油机的发展十分迅猛。近年来，国外研制和应用了自动化抽油机和智能抽油机。为适应各油田不同情况的需要，国外还研制了相适应的抽油机。例如，低矮型、前置式、紧凑型无游梁长冲程等抽油机能够适应各种自然地理条件的需要：液压缸式、增大冲程游梁式等抽油机能够适应高含水、含砂、含石膏、含石蜡等石油 抽汲和稠油低渗透油层的开采．斜井抽油机、丛式井抽油机、双驴头抽油机、双井平衡抽油机、紧凑型抽油机等能够适应垂下井、斜井、定向井、丛式井、水平井抽汲的需要；适应深井抽汲的大型抽油机的最大载荷达到 2 130 kN，最大下泵深度达到4 420 m；近年未美国研制出了冲程长度为30．48 m的超长冲程抽油机以适应长冲程抽油的需要，这是目前世界 上最大冲程的抽油机；为节约动力消耗，还研制应用了异相型、前置式、大圈式、轮式、玻璃钢杆、六连杆等新型节能抽油机。 在有杆泵开采井下工具方面，为提高机采效益，延长检泵周期，国外研制出了很多配套设施。例如，加拿大Harbiso。Fischer有限公司生产出了一种高排量、

美国十大钻头公司的十大钻头新技术

美国十大钻头公司的十大钻头新技术 Maggie Lee 编译:申守庆(江汉石油钻头股份有限公司)审校:周润才(大庆油田公司设计院) 摘　要:以美国十大天然气和石油钻头制造厂商为主线,对这些厂商当前所开发的钻头制造新技术及其推出的各类新产品进行了详细的描述,产品及技术范围涉及牙轮钻头、金刚石钻头、随钻扩眼钻具、双中心钻头以及相关钻头零部件等,这些新技术和新产品可满足当前各种钻井方式的不同需求,并都已在世界范围内各种钻井环境下得到了验证,使钻井效率得到大幅度提高。 主题词　PDC钻头　牙轮钻头　新技术　钻井效率 一、前言 近期,随着对钻井需求(尤其是对天然气钻井需求)的激增,陆上及墨西哥湾海上的钻井活动达到了近20年来的最高平均水平。为了增加供应、满足需求,钻井作业者不但要增加钻井数量,其所设计的井眼结构和井眼轨迹也更为复杂,同时还要提高钻速,实现最大的流量和采收率。为了帮助钻井作业商实现这些目标,各大钻头制造商也相继推出新型产品结构及改进措施,以满足自硬岩地层到淤泥与页岩夹层地层的各种钻井需求。下面分10部分逐一介绍这些新型钻头产品及技术。 二、RBI公司的新型切削齿技术 由E BI公司(牙轮钻头国际公司)推出的Vectored@(矢量)牙轮钻头镶齿技术充分反映了“将明天的技术用于今天”以帮助钻井作业者改进钻井性能、提高钻井效率这一理念。RBI公司的技术人员认为,虽然有很多设计因素都会影响钻头性能,但最为关键的还是钻头的切削结构,理由是钻井作业的动力学过程是通过钻头切削结构与井眼地层相啮合来实现的,切削结构必须能承受住钻井作业过程中所施加的各种力,并有效地钻凿所钻地层。因此,在钻头切削结构的强度及其传递进攻性切削动作的能力之间必须保持一种平衡,而与这种平衡密不可分并且与牙轮轮廓和偏移值有关的因素是牙齿的碳化钨牌号、露齿高度、齿的形状及其规格。采用了矢量镶齿技术后,钻头牙齿的镶装方向便成为选择钻头的一个重要标准。 RBI公司任何使用凿形齿的牙轮钻头都能采用这种矢量技术以减少齿的损坏并提高机械钻速。每一排齿都与牙轮中心线呈一定的角度,每一排内的齿倾角都是一致的,但自钻头中心开始随着牙齿位置的不同这种角度却有所变化。 在建造井下钻井动作模型的基础上,该公司的工程技术人员通过计算发现钻头上每排硬质合金齿在井底都有其自己独特的运动方向,而且,由于牙轮的偏移,所有的齿在接触地层时都会产生内向和径向运动。另外,根据其在牙轮上位置的不同,切削齿有的是朝着旋转方向切削地层,而有些齿则是逆着旋转方向切削地层,这种动态运动常常使某些齿排中的凿形齿以其齿顶的外角冲击地层,从而会导致过大的点负荷,并因而造成齿的早期掉块、磨损和断齿。 而在采用了矢量镶齿技术的钻头上,技术人员对内向和径向运动作了计算,切削齿都是以与切削地层时的入射角相关的一定的斜交角被压到牙轮上去的,这样,在矢量齿减小牙齿损坏倾向的同时,压齿角度又保证了负载能够沿齿顶的全长均匀分布,且一般都与齿的运动方向一致。使负载均匀分布可以减小切削齿外角上的点负荷,使齿上最结实的部分承受最大的点负荷,减少齿的失效情况。这种几何形状以及在凿形齿齿顶全长范围内钻进运动的均匀分布能在凿形和圆锥形切削齿之间提供一种中度抗断齿能力。 通过现场应用发现,这种采用了矢量镶齿技术的钻头具有良好的切削结构性能。在美国路易斯安那州H osston地层中使用的RBI公司的一只71875in C35V LRG T M钻头和一只8175in C5V LRG T M钻头都说明了这一点。另一家主要石油公司在科威特某油田也采用了这种钻头,与常规轴向对正镶齿钻头相比,这种新型钻头为该公司带来了可观的经济效益。 为了提高钻头在软地层中的机械钻速,对切削齿的矢量处理是使其齿顶的宽侧更具进攻性地吃入地层,原因是齿的宽大表面能切除更大的地层岩屑,进而提高机械钻速。另外,随着矢量齿的磨损,它们能呈现出自锐性能,所以,与采用轴向对正切削齿的钻头相比,镶装了矢量齿的钻头在其整个使用寿命期间都能保持较快的机械钻速。

钻头优选和合理使用技术

钻头优选与合理使用技术 一、概述 在旋转钻井中，钻头是破岩造孔的主要工具，它的质量优劣及其与地层、岩性和它钻井工艺条件的适应程度，直接影响着钻井速度的高低，因而根据地层条件合理选择钻头类型和钻井参数，则是提高钻速、降低钻井成本地重要技术环节。在深井钻井过程中钻头要钻遇、钻穿多套地层中和多种岩石，由于岩石是具各向异性的非均质体，其品种极多且性质各异，因而从事钻头选型工作研究的石油钻井科技工作者，面对的是一庞大而复杂的集合体。故钻头类型优选方法的先进性及其所选钻头类型与地层的适用程度，从一定意义上讲制约着深井钻井速度的大幅度提高和钻井成本大幅度下降，是目前国内外钻井工程技术领域相当重视与关注的一项重要研究工作，多年来各国都在下大力,投入大量资金和众多人员进行该方面的试验与研究,以期获取行之有效且能为优质高效钻井提供技术支持的钻头选型方法。 石油勘探开发高速度与低成本目标的实现，很大程度上取决于钻井的高速度。目前国内外畅行的提高钻井速度的主要技术途径，是实施优快钻井配套技术，该项技术的核心内容是由软件技术－高水平的钻井工艺技术和硬件产品－与地层适用性强的高效钻头两部分内容组成。因而欲求获取钻井的高速度，即实现提高钻井速度、缩短建井周期的工作目的，除应在不断进行钻井工艺技术方面技术创新、研究开发外，另一重要技术途径是注重研制新型钻头和合理选择及使用钻头。 二、国内外相关钻头选型方法综述 自钻井应用于探矿工程开始至今，新型钻头研制与钻头选型工作，一直是钻井技术领域中研究的主要课题，随着钻井工艺技术的不断进步与提高，钻头选型方法在不断提高与完善，但此项工作将永远是该项技术领域中研究的主题。现将国内外有代表性的几种钻头选型方法予以归类综述。 （一)经验钻头选型法 本方法俗称现场钻井资料选型法，其提出和应用开始于钻井工程的初始阶段，后经从事石油钻井工程现场施工和科研人员几代人的不断完善提高、逐步形成为一套行之有效的实用方法，目前现场钻井技术人员多采用这一方法选择钻头类型。 本方法的技术路线梗概为：以现场钻井资料为基础，通过统计分析目标井所在地区大量的邻井实钻资料，按照各种类型钻头在相同地区、相同地质层段、相同井深条件下，其平均进尺多、平均机械钻速较高的理念选择和使用的钻头类型。本方法具有简单实用、在相同地区和相同地质层段适用性强的优点。其不足之处表现在： 1.由于统计分析资料中涵盖的钻头种类有限，其所选定的钻头类型是否为最优； 2.钻井工程的流动性较大，其选型结果受所钻地区与地层的影响较大，当地区或地层变化后，其推广应用价值和适用性就大打折扣；

全球钻完井技术发展趋势研究(上)

全球钻完井技术发展趋势研究（上） 2014-1-23 17:41:58 标签：钻机钻头钻井技术旋转导向钻井液连续管海洋钻井极地钻井 分享到：0 文|汪海阁等 中石油勘探开发研究院钻井所副所长，研究生导师 当前，世界油气工业正逐步走出金融危机的束缚，步入复苏的时期；新兴市场不断涌现，页岩气、致密油、致密气等非常规油气，可燃冰、地热等新能源，深水油气、极地钻探等成为当今的焦点和热点。加拿大的油砂、巴西的盐下石油和美国的“致密油气、页岩油气”正改变着世界的能源版图。 全球钻井活动伴随着勘探开发的进程掀起了以水平井为核心的新一轮高潮，钻井工程技术在各大综合性工程技术服务公司的引领和众多具有专业特长的小公司的推动下正发生着深刻的变化。 新材料、新装备、信息化技术为极端环境下的资源钻探提供了越来越多的可能，随钻技术、远程控制和自动化操作成为解决复杂地质条件难题、涉猎极端环境区域和满足越来越高要求的HSE 标准的金钥匙。

1、国外钻井技术新进展 近年来，国外在高效起下钻机和自动化钻机、高效PDC 钻头和辅助破岩工具、高造斜率旋转导向工具、井下信息高速上传、连续管技术、套管与尾管钻井技术、深水钻井和极地钻井、页岩气钻井、钻井实时优化与远程监控技术、新型钻井液及堵漏材料等方面发展迅速。 近两年，世界钻机及其配套设备呈现出能耗越来越低、机械化与自动化程度越来越高的发展趋势。陆地和海上钻机承包商一直致力于通过自动化提升移动性、提高装备的灵巧性和专业化、满足必要时适应苛刻的环境条件。装备制造商和钻井承包商在装备研发设计和改进上秉承着最大限度减少非生产时间、同时使之更安全、更环保的目的进行着不懈地努力。 RT Energy Services公司的Versa-Rig 300模块化钻机专为在Bakken 地区应对北达科他州平原严寒冬季而设计，可抵受120mile/h的强风。特意设计的卡瓦窗可以防止钻机液压系统受冻；可收缩的隔离墙包裹的温控室，保护员工不受严寒，沟通、操作更容易高效；下套管时钻机能承受300000lb拉力和150000lb压力；钻机操作人员只需6 人；钻机从一个井眼移动到另一个井眼只需1h，钻机拆解和安装只需12h，12h内可复合压裂23 级；最大钻深8230m，可打大位移井。 Patterson-UTI 新一代高效可移动钻机APEX 具有可视化电子钻井系统，良好的安全性贯穿EDS 整个系统，包括Wichita DM 236 电力制动、先进的天车和钻台防护；钻机的专业移动系统搭配管扣实现钻机向前、横向或旋转移动，完成灵活的井口布置和定位；电子悬挂系统、多功能出油管线和钻井液循环系统实现了钻机本身按井眼设计移动超过150ft 而不需移动其他配套设施；采用Ross Hill 1400 SCR驱动系统，操作简单、可靠、性能优异、易于维护；Wrangler 3500型液压平台替代了手工操作，其远程控制功能让作业者在起落管件时远离危险的钻台。 正在研发中可能引领未来钻机方向的是挪威West公司的连续运动钻机，它以750t 钻机为基础，对连续运动钻机（CMR）概念进行工业有形化可行性研究。采用双井架和专门的自动接卸扣设备，使钻柱在起升或下放的运动过程中，完成钻杆立柱的上卸扣和排放，改变传统起下作业过程中每起下一个立柱长度必须停下在转盘上进行上接卸和立柱排放的做法，提高了起下钻作业效率。三单根、二单根和单根下入速度分别达3 6 0 0 m / h、2700m/h和1800m/h。钻机的提升系统需要设计紧凑的双井架、两个井架机器人、两套自动管子操作设备、两套提升系统、配备顶驱和自动上卸扣装置。该钻机允许带接头的钻杆以连续的方式下入和起出装备。钻井时间节约15%～25%，有望节省30%～40%。连续运动钻机实现了钻井作业过程的全自动，可减少或避免压差卡钻。预计连续运动钻机2015 年能达到工业化应用水平。 NOV公司的Varco新一代顶驱TDX-1250增强了部件的可靠性和模块化，是目前世界上最先进的顶驱；Deep Casing 工具公司突破常规钻井工艺研发的新型下套管工具Turbocaser Express为业界首个可钻穿式下套管工具，能够实现深层钻、扩、固一体化套管坐放作业。Statoil、ExxonMobil、Schlumberger、NOV、Baker Hughes和巴西国家石油公司等都在进行钻井自动化方面的技术研发。Shell 公司在这方面的发展最快，并已联合中国石油集团为澳大利亚煤层气开发建造新一代自动化钻机。H&P 公司、Nabors