关于PDC钻头设计的分析研究

钻探工程中使用钻头的类型很多。近年来,金刚石复合片(PDC)钻头得到了广泛的利用,取得了很好的技术经济效果。但是,对于PDC钻头设计的研究工作不够充分,需要进一步加强,以便取得更好的技术经济效果和更好地推广使用。俄罗斯钻探工作者在这方面做了很多研发工作,获得多项发明专利,取得了较好的成果。以其中3个专利为切入点进行分析研究,包括切削型双节翼片式钻头、稳定型钻头、PDC螺旋状排列钻头。这些成果有较好的使用价值和推广前景,建议我国对此进行研究和试验。

国内外PDC钻头新进展与发展趋势展望

PDC钻头近年来发展迅速。为了能够及时掌握PDC钻头的最新进展,系统梳理了国内外油气井用PDC钻头新进展,介绍了中国石油在新型钻头研发与应用方面的工作,进一步阐述了国内PDC钻头研发面临的形势与挑战,展望了油气井用PDC钻头发展新趋势。研究结果表明:在油气资源勘探向着万米深层进军的大背景下,仍然面临地层可钻性差导致钻头破岩效率低、砾石层引起钻头振动先期损坏、大尺寸井眼钻井周期长等严峻挑战,技术与材料革新型高效钻头、混合式钻头、自适应钻头等能够明显提高钻进效率延长钻头寿命;智慧钻头所能提供的丰富井下数据能够提高对于深部破岩机理、岩石物性的认知,对于进一步优化钻头结构、识别可能存在的油气储层等具有重要的意义。应积极借鉴和移植这些成果,尽早研发出适用于深部油气勘探或深地科学钻探等领域的高端耐用钻头。研究结果可为高端PDC钻头国产化、系列化工作和相关从业人员提供借鉴。

孕镶金刚石钻头磨损研究现状与发展趋势

孕镶金刚石钻头广泛应用于各种硬岩钻进,尤其是深部硬岩钻探钻井的工程实践活动中,其碎岩机制表现为金属胎体包裹的金刚石出刃后压入、刻划和破碎岩石。金刚石钻头的磨损形式反映了孔底钻头-岩石的相互作用过程,以及磨粒(包括岩屑、胎体碎屑和金刚石碎屑等)在孔底的存在状态,它决定了金刚石钻头的钻进效率和使用寿命。目前关于孕镶金刚石钻头磨损理论、方法的研究大部分属于定性判断,且常局限于区域特殊情况,无法形成统一或可借鉴的实用指导体系。以地质钻探领域的孕镶金刚石钻头磨损相关研究文献为主,讨论了孕镶金刚石钻头磨损的研究现状。首先结合地质钻探工业实践和行业规程归纳了钻头的非正常磨损类型,然后从磨损图像、钻进信号2个方面介绍了钻头磨损评价方法,从钻头整体、金刚石和金属胎体3个方面梳理了钻头钻进过程磨损机理与影响因素,另外列举了主流的钻头磨损性能调控方法,介绍了磨损分析方程的研究进展,并探讨了机器学习方法如何辅助钻头磨损研究。孕镶金刚石钻头在深部硬岩钻探中有极大的潜力,而其磨损性能是决定其最终使用效果的关键。为此,对人工智能方法辅助数据分析、微观尺度计算模拟、增材制造和材料处理改性等研究方向进行了分析展望,探索先进的金刚石钻头的磨损监测分析和调控方法,以期满足地质深部钻探和地外星系钻探等远程监控钻进的需求。

具有独立缓冲结构的PDC—牙轮复合钻头研制

油气勘探开发过程中,难钻地层钻井效率低、钻头寿命短是影响深井、超深井钻井周期和成本的瓶颈问题。钻头工作过程中切削结构轮流与井壁接触而产生的多边形效应是导致钻头不稳定工作、切削齿冲击失效的主要因素。为提高钻头工作稳定性,提出了具有独立缓冲结构的PDC—牙轮复合钻头新结构,并针对四川盆地茅口组Ø311.2 mm井段常规PDC钻头冲击失效严重的问题,设计了3+3+3型(3个主刀翼、3个牙轮以及3个独立缓冲刀翼)的独立缓冲结构复合钻头,开展了全尺寸钻头室内钻进对比实验,并在川渝页岩气区块茅口组—栖霞组地层进行了实钻应用。研究结果表明:①独立缓冲结构复合钻头在常规复合钻头的牙轮切削结构和固定切削结构之间的空隙部位增设独立缓冲刀翼,有效缓解了多边形效应,对PDC齿形成很好的缓冲保护,同时分担了过大的钻压,限制了切削齿吃入深度,进而防止了钻头产生粘滑振动;②独立缓冲结构复合钻头钻压和扭矩波动小,扭矩为PDC钻头的1/5;③独立缓冲结构复合钻头取得了单只钻头进尺170 m的记录,比邻井同层位单只PDC钻头最高进尺提高了73.5%。结论认为,独立缓冲刀翼对提高钻头的稳定性起到了关键作用,不仅提高了钻头寿命,而且有效提高了复杂难钻地层及复杂结构井的综合钻井时效,有效降低了油气勘探开发成本。

降低井底岩石抗钻能力的钻速提高方法研究及钻头设计

为解决深部地层岩石硬度大、研磨性强、地应力高及可钻性差导致的钻头破岩效率低、钻井速度慢的问题,在分析现有提速技术的基础上,提出了释放地层应力、降低井底岩石抗钻能力的钻井提速新思路,基于该思路设计了井底应力诱导卸荷钻头、聚能攻击卸荷井底应力钻头、差压式钻头、中心差压式钻头、诱导卸荷与磨料射流联合作用钻头、阶梯式钻头和自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头等7种新式钻头。通过室内试验、现场试验,验证了其中2种钻头的提速效果:中心差压式钻头在室内试验中提速30.01%,现场试验最高提速318.11%;诱导卸荷与磨料射流联合作用钻头在室内试验中钻进石灰岩和红砂岩时分别提速59.0%和336.0%。该方法的提出及钻头的研制,为解决深部难钻地层的提速问题提供了新途径。

广谱性金刚石钻头国内外研究现状及发展趋势分析

随地球浅层资源消耗殆尽,资源勘探开发不断向深部进军,所遇地层条件愈加复杂,坚硬致密地层、强研磨性地层等复杂地层条件成为深部钻探的重大阻碍。金刚石钻头广泛应用于地质资源开发,因此对金刚石钻头综合性能要求也随之提高,然而现有的金刚石钻头只能适用于某一地层,需要经常更换,因此,研发地层适用性好、钻进效率高、钻头寿命长的广谱性金刚石钻头是克服深部钻探任务的重要内容。近年来,金刚石钻头发展迅速,在结构、品类与性能等方面都得到了较大提升,同时也存在一定提升空间。本文介绍了近年来广谱性金刚石钻头的研究现状与取得的重要进展,包括钻头结构及胎体性能方面的提升及应用,随后针对现有的广谱性金刚石钻头研究成果,提出了金刚石钻头的研究难题以及未来发展方向。通过本文对广谱性金刚石钻头的发展趋势总结,揭示了金刚石钻头制作技术和应用领域的新型研究方向,对我国油气勘探及矿产资源开发领域广谱性金刚石钻头研究有一定借鉴意义。

PDC钻头数字化选型技术及软件开发

钻井过程中产生大量与地层、钻头相关的工程数据,利用大数据分析技术优选钻头能用于指导钻头的选型、设计和使用,可使钻头的选用从依赖厂家和经验,转向依据科学的结构特征分析和大数据优选。通过开展PDC钻头结构特征数字化方法研究,建立基于统计数据分析的钻头结构特征推荐与选型技术,形成以数据提取与效能分析、钻头结构特征数字化,以及钻头结构特征重构选型3项内容为核心的基本步骤和分析策略,在此基础上建立了一套PDC钻头数字化选型技术和配套软件。较常规钻头进尺与钻速对比分析选型方法,该技术重点考虑了结构特征对钻头使用效能的影响,体现了实钻工程数据对钻头选型的指导作用。应用该技术与软件开展了准噶尔盆地某区块PDC钻头选型,并进行实钻验证。应用结果表明,选用的钻头钻进中钻速和进尺显著提升,缩短了钻井周期。研究技术与成果有利于提升钻井服务技术水平,可为油气田数字化、智能化发展奠定基础。

新型耐磨损ONYX切削具制作的PDC钻头

PDC钻头在石油天然气钻井和地质勘探钻进中得到了广泛的应用,取得了很好的技术经济效果。但是,钻进中产生的PDC切削具非正常磨损,影响了这种先进方法的机械钻速和钻头进尺的提高。俄罗斯史密斯钻头(Smith Bits)公司研发了一种钻进过程中可以沿着自身轴线回转的ONYX切削具,抑制了PDC切削具的非正常磨损,具有创新性和实用价值。НecкopoMныx B.B.教授等对镶有ONYX切削具的钻头的结构和性能参数进行了分析研究。试验表明,这种ONYX切削具的耐磨性比常规固定式PDC切削具的耐磨性好,钻头钻进效果也比较好,俄罗斯正在积极推广使用,建议中国有关专家和部门对此进行研究和试验。

提高钻探效率的钻头与材料选择分析

钻探作业是能源勘探与开发过程中的关键环节,其效率和成本直接影响项目的经济可行性。在钻探技术不断进步的驱动下,钻头的创新设计与材料选择成为提高钻探效率的核心。本文深入分析了硬质合金钻头与多晶金刚石复合体(PDC)钻头的特性及其对钻探效率的贡献,探讨了定向钻探与非定向钻探应用下的钻头匹配问题。同时研究了耐磨性材料、高温高压条件下特种材料的性能和创新型材料的开发应用对提升钻探效率的重要作用。本文还着重分析了钻进速度、钻压调整与润滑系统优化等钻探参数如何与材料特性相结合以优化钻探操作。通过系统分析为钻探技术领域的工程师和研究者提供了一套完整的理论框架和实用参考。

特种孕镶块加强PDC钻头的研制与试验

为提高PDC钻头在研磨性硬地层中的机械钻速、延长钻头寿命,研制了特种孕镶块加强PDC钻头。该钻头以PDC切削齿为主切削元件,天然金刚石孕镶块为副切削元件,既具有常规PDC钻头破岩效率较高的特点,又具有孕镶金刚石钻头在研磨性硬地层寿命长的特点。在钻头开始工作时,主要为PDC切削齿"犁切"式破岩,当PDC切削齿磨损到一定程度后,天然金刚石开始磨削岩石,形成"犁沟",有助于PDC切削齿吃入并切削岩石。该钻头在东北金山气田金古1-1HF水平井基底花岗岩硬地层进行了现场试验,平均机械钻速达到4.46m/h,是同井同地层常规PDC钻头机械钻速的1.5倍,是2口邻井同井段牙轮钻头和常规PDC钻头机械钻速的2倍以上,其使用寿命也达到2口邻井同井段牙轮钻头和常规PDC钻头的2倍以上,取得了良好的现场应用效果。特种孕镶块加强PDC钻头的成功研制,为钻进强研磨性硬地层提供了一种新的高效破岩工具。

国内外钻头优选方法述评

在钻井工程中,钻头用于破碎岩石形成井眼。钻头的类型、质量优劣与岩性及钻井工艺条件是否适应对钻井速度、钻井成本和井身质量有直接影响。钻头的优选方法可分为三类:岩石力学参数法、钻头使用效果评价法及综合法。介绍常见的几种优选方法,分析目前各种钻头选型方法的基本思想、基本原理和简要的操作流程,及其适用情况和优缺点。最后指出,最佳的钻头优选方法应当是综合考虑钻头工作性能和岩石力学特性,同时兼顾钻头直接和潜在经济效益。

PDC钻头新进展及发展思考

为了提高钻井破岩效率和延长钻头使用寿命,减少起下钻次数,缩短钻井周期,降低钻井作业成本,国外近年研发了一系列新型PDC钻头。分析了全球PDC钻头市场发展趋势,总结了PDC钻头新进展及现场应用情况,包括基于加工制造的新型PDC钻头、基于切削齿形状设计的新型PDC钻头、基于切削齿布齿的PDC钻头、复合PDC钻头、用于页岩储层的定向PDC钻头以及用于地质评价的微芯PDC钻头。结合我国PDC钻头技术现状,提出了我国PDC钻头需要对破岩机理、高温耐磨材料、加工制造工艺、切削齿形状、结构和个性化钻头等方面开展攻关研究。同时指出,及时了解和掌握国外PDC钻头技术的最新进展,对优化我国PDC钻头技术的发展规划和科研方向,以及加快PDC钻头的研发具有重要意义。

基于改进CNN-SVM的井下钻头磨损状态评估研究

现有钻头磨损评估方法中,存在人工特征提取过程可能无法完全提取正确分类所需的信号动态特征,及需要对各个统计量进行大量计算等问题。为此,提出了一种新的基于改进卷积神经网络支持向量机(CNN-SVM)的钻头磨损程度评估算法。该算法将采集的近钻头原始振动数据导入CNN-Softmax模型,通过训练好的CNN模型从近钻头数据中提取主要的特征参数,将提取的稀疏特征向量输入SVM并进行故障分类,利用遗传算法实现SVM参数的优化选择,最后应用t分布随机邻域法近邻嵌入,使其故障特征学习过程可视化,以评估其特征提取能力。采用该算法对钻头磨损的现场试验数据进行了分析。分析结果表明:基于改进CNN-SVM的井下钻头磨损状态评估算法准确率高达98.33%。所得结论可为实现钻头磨损状态的进一步监测提供理论支撑。

探管式智能钻头参数测量装置研制与现场试验

现有螺杆上游的测量装置无法获得钻头位置处的真实数据,智能钻井在决策控制层面存在严重的数据偏见与不可预测的实施风险。为此,研制了一种探管式智能钻头参数测量装置,可以安装在钻头内部,在不改变现有钻具组合与施工工艺的前提下直接采集钻头处的真实数据;硬件结构仿真优化结果表明,30 L/s排量与80 MPa环空压力下,理论水力压耗小于0.1 MPa、安全系数为3.06。同时,基于六面法与ARMA+移动Kalman滤波,实现了该装置的误差标定与降噪。该装置在胜利工区现场试验9井次,配套井下工程参数测量短节进行了装置功能验证与井下数据对比,融合综合录井数据进行了试验井提速分析与参数优化决策。试验结果表明,探管式智能钻头参数测量装置能够获取钻头位置处的真实数据,能够为针对性提速提效分析与钻井参数优化提供可靠依据。

钻探施工中孕镶金刚石钻头的适应性选择

孕镶金刚石钻头是进行地质岩心钻探必不可少的利器之一。本文总结全球3大知名公司金刚石钻头的特性及其与不同地层的对应选择关系,认为他们在钻头对地层的适应性及钻头分类方式方面较国内有一定的优势。在此基础上,针对国内目前存在的钻头胎体分类繁杂、选择困难、对地层的适应性较差的问题,本研究从钻头胎体类型、地层岩性和施工案例等3个方面,提出钻井施工中切实有效的钻头与地层对应选择方案,并研发出4种胎体配方能够满足从软岩层、中硬岩层—硬岩层、极硬岩层钻进需求,采用“字母+数字方式”对衍生的K系列、S系列钻头胎体进行标注,并在工程实践中取得良好应用效果。

孕镶金刚石钻头磨损机理研究

孕镶金刚石钻头通过钻头胎体的持续磨损实现金刚石的自锐和高效破岩。因此,研究金刚石钻头磨损的影响因素及其影响程度和影响机理,对孕镶金刚石钻头的设计和使用非常重要。本次研究探讨了岩石物理力学性质、钻头胎体性能和钻进工艺参数等因素对孕镶金刚石钻头磨损过程和磨损机理的影响。分析表明,对钻头磨损最为显著的影响因素是岩石中的硬质颗粒导致的磨粒磨损,其次是钻头胎体与岩粉之间的粘着磨损,以及冲洗液中岩粉颗粒导致的冲蚀磨损。在此基础上,以不同硬度的钻头胎体摩擦磨损试验结果为例,探讨了钻头胎体性能及其内部硬质点对钻头磨损的影响机理。该研究成果可为科学设计与合理使用孕镶金刚石钻头提供依据。

井底压力下牙轮钻头浮动套轴承性能分析

为了探究井底压力下215.9 mm牙轮钻头浮动套轴承的平衡转速比、摩擦学性能、油膜压力分布随内外间隙比的变化规律,修正了考虑浮动套轴承实际井下环境压力和牙轮钻头密封压差的Reynolds边界条件,利用MATLAB中的PDE Toolbox对浮动套轴承Reynolds方程进行数值求解,分析内外间隙比对浮动套轴承平衡转速比、油膜压力及摩擦因数的影响规律,结果表明:当环境压力为60 MPa、密封压差为20 MPa时,随内外间隙比增加,浮动套平衡转速比呈现先增大后减小的趋势;以轴承的摩擦因数和油膜压力作为综合评价指标,钻头浮动套轴承内外间隙比为2.0时,轴承的摩擦因数较小,油膜压力较高,其轴承综合性能较优;而当浮动套轴承内外间隙比为2.0时,随着环境压力的升高,浮动套轴承的摩擦扭矩和摩擦因数增加,从而加剧轴承的磨损。该研究为牙轮钻头浮动套轴承的结构参数优化及性能提升提供了基础理论支撑。

基于正交切削理论的PDC钻头切削齿动态破岩温度分布

在油气钻探过程中,PDC钻头的动态破岩行为表现出高度的非线性特性,这一过程涉及复杂的位移场与温度场的耦合问题。在切削过程中,由摩擦产生的热量在切削齿上积聚,导致切削系统的温度显著上升。过高的温度会加速切削齿的磨损,甚至可能导致切削齿失效,从而对钻井效率产生负面影响并增加钻井成本。为了预测和分析PDC钻头切削齿破岩过程中的温度分布规律,并揭示其动态破岩特性,基于正交切削理论和岩石弹塑性力学,构建三维耦合位移场-温度场模型,用以模拟PDC钻头切削齿在破岩过程中的非线性动力学行为,分析不同切削参数和结构参数下切削力的大小和温度分布规律。研究结果表明:切削齿的高温区位于切削刃附近的椭圆区域内,且角度在以切削刃为中心的90°~230°范围内;最佳的切削深度为0.001 m,前倾角优选为7.5°。此类参数设定可降低切削齿的磨损,同时避免高温失效,从而最小化切削力和最高温度。本文所提方法为研究PDC钻头整体结构设计和切削齿热损伤提供了理论依据和分析方法,使设计出的PDC钻头对复杂地层具有更好的适应性。

滚轮式PDC钻头工作机理的试验研究

针对页岩气钻采中定向钻进的PDC钻头扭矩波动大、冲击振动大、工具面不稳定等问题,笔者提出一种刀翼上设置有双侧支撑的滚轮新结构钻头,通过滚轮单元破岩实验以及全钻头钻进破岩实验来开展新型钻头减扭、缓冲机理研究,主要研究6种滚轮轮廓形状、4种滚轮的吃入深度、6种滚轮径向位置、7种PDC齿相对高度等因素对新型钻头扭矩、钻压的影响规律。结果表明:6种轮廓滚轮的等效摩擦系数均低于PDC齿,且为PDC齿的18.65%~43.73%,得出滚轮减扭能力高于PDC齿;6种不同径向位置的滚轮缓冲能力均强于PDC齿,为PDC齿的1.59~9.17倍,滚轮式PDC钻头的扭矩为常规PDC钻头的71.72%~98.33%;随着滚轮与PDC齿相对高度的减小,钻头扭矩逐渐减小,滚轮钻压的占比也逐渐增加,钻头减扭能力、缓冲能力均增加,为适用于页岩气钻采的新型钻头产品设计与研制提供理论支撑。

绳索取心钻头在钾盐勘探的应用及优化技术——以JG-2井为例

JG-2井是中国地质科学院矿产资源研究所为进一步查明思茅盆地勐野井组钾盐资源而布置于景谷凹陷盆地的地质调查井,设计井深1800 m。全孔取心分别采用金刚石和PDC绳索取心工艺技术,施工中出现岩盐、泥岩、砂岩及泥砾岩互层频繁、反复交替,致使岩石可钻性及研磨性变化快,钻头机械钻速快-慢不均、泥包及岩心磨损严重等问题,对钻头选型带来较大的困难、影响了钻进效率。本文针对上述问题,分析总结了钻遇地层岩性特征和使用钻头类型、结构后,优选了八刀翼PDC绳索取心钻头类型、同时优化了孕镶金刚石钻头结构与钻进参数,改善泥浆流变及清洁性能,较好地解决了上述问题,提高了钻头时效及取心质量。最后终孔深度1829.44 m,终孔直径133 mm,钻获了直径≥78 mm的优质岩盐矿心,岩矿心平均采取率达到97.51%,为类似地质条件钾盐调查勘探提供一定的借鉴依据。