Stress Analysis and Optimum Design of PDC Die for Offshore Drilling Engineering

The maximum internal tangential stress is a critical parameter for the design of the PDC （polycrystalline diamond compact） die that has been widely applied to offshore oil drilling. A new simple equation for the calculation of the stress is developed, and verified by the test data from Kingdream Corp. of China, the largest bit Company in China. An opti- mum method for the design of the PDC die is presented and demonstrated in detail, and software for the design and FEM analysis of the die is developed on the basis of the method. This software has been used in oil industry in recent years.

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。

新型单水口PDC钻头在铀矿地质钻探中的适用性研究

北方地区铀矿地质钻探施工地层大多为砂泥岩,在钻进过程中,冲洗液固相含量较高、孔底净化困难,严重降低钻探施工进尺效率以及成孔质量。为了提高铀矿地质钻探的效率,改善孔底净化条件,设计和研制一种新型3翼单水口PDC(Polycrystalline Diamond Compac,聚晶金刚石复合片)钻头,通过数值模拟验证该钻头在结构与材料方面的可靠性;通过流体场模拟验证该钻头水路结构设计的合理性;通过现场4个钻孔试验,并与传统4翼多水口PDC钻头钻探指标进行对比,验证该钻头在实钻中能够更快在泥岩地层钻进,提高机械钻速约20%,且能预防较为严重的烧钻事故。新型3翼单水口PDC钻头在铀矿地质钻探中具有较强的适用性和推广应用价值。

井底流固耦合环境下PDC钻头切削齿冷却仿真实验

PDC钻头已成为开发深部资源的主体钻头,但在钻井过程中产生的热损伤是影响钻进效率及钻头寿命的重要因素之一。该文针对PDC钻头切削齿热损伤问题,开展基于不同影响因素的井底流固耦合环境下切削齿冷却仿真实验。建立了PDC钻头井底冷却流固耦合模型,结合实际钻井工况制定了数值仿真方案,根据仿真实验结果分析了井底流固耦合环境中不同影响因素下钻头切削齿的温度变化规律,并通过正交试验对钻头冷却效果与各影响因素间的敏感性进行了评价。切削齿冷却敏感因素从大到小依次为:钻井液排量>钻井机械参数、钻井液温度>地层温度。研究成果为探索井底工况下钻头破岩过程中切削齿热损伤问题和优化PDC钻头设计提供了理论依据。

基于热应力PDC钻头胎体断裂失效分析及试验研究

聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在陇东致密油井作业时出现胎体裂纹和刀翼断裂的问题,严重影响了整个钻头的使用寿命和钻井时效。针对此问题,通过理化性能试验,分析PDC钻头胎体化学成分、力学性能、硬度和金相组织,采用电子显微镜扫描和能谱分析,对PDC钻头裂纹断面的物质进行定量。基于热-弹塑性理论,建立PDC钻头胎体热应力模型,探究预热温度和银钎焊温度对PDC钻头胎体的影响,提出了PDC钻头制造工艺改进措施,开展了现场试验。结果表明:热应力是引起PDC钻头开裂的根源,残余应力和组织应力共同作用是PDC钻头开裂的直接原因;PDC钻头胎体残余应力主要集中在刀翼根部和水眼部位,以1、4号刀翼和3、5号水眼最为显著;PDC钻头胎体与复合片钎焊温度过高会产生较大残余应力,钎焊温度在700℃、胎体预热温度在380℃为宜;改进预热温度和钎焊温度后的PDC钻头施工并未有断裂异常,可以安全作业。

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。

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。

PDC钻头钻进岩石破碎过程及其与钻进规程参数关系的分析研究

PDC复合片钻头在地质勘探和石油天然气钻井等领域得到了广泛的应用,取得了很好的技术经济效果。但是,对于其碎岩过程及其与钻进规程参数间的关系研究不够深入,影响了技术经济指标的进一步提高。俄罗斯钻探工作者在这方面做了很多工作,取得了一定效果,值得引起我们的注意。例如,他们建议,由于岩石破碎方式是变化的,所以,尽量使岩石破碎处于体积破碎状态;如果把钻头每转进尺能耗量指标作为一个评价指标考虑进去,则评价系统会更加科学和更加全面;钻头每转进尺,不是越高越好,有一个最优值,这个最优值与钻进规程参数密切相关;提出了临界钻进规程的概念,即当轴载和转速的乘积高达一定数值时,切削具温度急剧上升、钻头磨损明显加剧,冲洗液量再大也无济于事,因此,此时应该采取措施,及时调整规程参数,避免钻进过程处于临界规程状态,以便使钻进处于正常状态,继续钻进下去。

兰陵铁矿小口径定向钻进PDC钻头设计与应用

小口径定向钻进是解决高精度控矿勘探钻进的重要技术。针对兰陵铁矿区中硬岩石薄软互层小口径定向钻进施工碎岩PDC钻头广谱适应性问题,通过对钻头的冠部形状、刀翼布置、PDC切削齿镶焊角度、钻头水力结构及钻头胎体等几个方面的优化设计,研制了Ø98 mm定向钻进PDC钻头。经过中等硬度以上非均质地层3个定向钻探孔的应用验证,PDC钻头在抗冲击破坏、耐磨性、钻头寿命等方面取得了满意的效果,达到高效碎岩、连续稳定控向钻进的目的,为小口径定向钻进PDC钻头的设计及制造提供了一个有效解决方案。

深水表层PDC钻头喷射钻井技术研究与应用

深水钻井二开表层套管入泥深度增加,地层可钻性降低,φ660.4 mm牙轮钻头钻井存在机械钻速低、牙轮钻头耐久性差等挑战,亟需设计专用PDC喷射钻头进行深水表层喷射钻井。在分析?444.5 mm PDC钻头喷射φ914.4 mm表层导管技术优势基础上,针对PDC喷射作业风险、作业难点,通过钻头选型与改进、喷射水力优化、钻具优化、井身结构优化等措施构建了深水表层PDC钻头喷射钻井技术,并在南海流花、白云、荔湾等区块6口深水井取得成功应用。应用效果表明,深水表层PDC钻头喷射钻井表层二开机械钻速较常规牙轮钻头可提升2倍,可为深水表层钻井作业提供参考。

龙凤山气田火山岩地层个性化PDC钻头设计与应用

长岭断陷龙凤山气田主力储层主要分布在火山岩发育的营城组和火石岭组。储层岩石石英含量高、研磨性强,导致机械钻速低、单只钻头进尺短,大幅增加了起下钻换钻头等非生产时间,严重制约钻井提速。本文通过开展岩石力学实验研究,利用测井资料建立并修正岩石力学剖面,开展了异型PDC齿研发和钻头切削结构设计优化,研发出一种适合该区块火山岩地层的6刀翼异形齿PDC钻头,现场应用3井次,较其他普通PDC钻头平均进尺提高42.2%,平均机械钻速提高36%,提速降本效果显著。

浸渍合金对PDC钻头胎体性能的影响

PDC钻头胎体的浸润比对其力学性能和微观形貌的影响较大,为了探究浸渍合金对胎体性能的影响规律,采用Cu-Ni-Mn-Zn和Cu-Ni-Mn-Sn 2种浸渍合金制作不同高度的工作层和非工作层试块,得出不同浸渍合金下钻头胎体工作层和非工作层的浸润比及力学性能差异,同时利用扫描电镜对试块的微观形貌和元素含量进行分析。结果表明:试块的浸润比为定值;胎体钻头工作层的浸润比小于非工作层的,微观形貌上表现为工作层中浸渍合金的岛状组织大而分散,非工作层的岛状组织小而致密;对于同种类型的试块,通常浸润比越大密度越大;采用Cu-Ni-Mn-Sn得到的试块硬度均大于Cu-Ni-Mn-Zn试块的,但其抗弯强度和冲击韧性远低于Cu-Ni-Mn-Zn试块的。

连续管钻井个性化PDC钻头降扭机理及试验研究

由于连续管自身管径小、柔性大等特性,在进行井下钻进时容易导致摩擦自锁和管柱屈曲,存在钻压施加困难、进尺低下等问题。为提高连续管在低钻压情况下的钻进能力,个性化设计了连续管钻井专用小尺寸PDC钻头。通过单齿切削试验、水平井钻柱微钻头破岩试验、全钻头破岩试验开展小尺寸PDC钻头的降扭机理研究,对比不同齿形对破岩效果的影响。研究结果表明:在PDC切削齿前倾角较小时,破碎相同体积的岩石,宽刃齿所受切削力平均值比常规齿小10.35%~24.56%;同机械钻速情况下,宽刃齿钻头的扭矩小于常规齿钻头,最高降扭37.64%;同转速和钻压情况下,宽刃齿钻头最高降扭28.58%,钻压越大,降扭效果越显著。个性化设计的宽刃齿PDC钻头更适用于连续管实现低钻压、低扭矩、高转速破岩。研究结果可为改善连续管钻井技术在低钻压钻进时的适应性提供新的解决思路和理论支撑。

天阳盆地高温硬岩地热钻探PDC钻头的研究应用

在天阳盆地高温地热钻探施工中,受变质岩系硬岩地层岩性和高温的影响,牙轮钻头机械钻速低、磨损严重、使用寿命短,严重影响钻探施工。对PDC钻头的应用进行了探索研究,针对地层岩性特征,对钻头体、刀翼、剖面轮廓及复合片的选择和布设等关键技术进行了探索,并在钻探实践中优化改进,研究出了一种抗冲击性能较好、适宜于变质岩系硬岩地层的PDC钻头。有效地提高了机械钻速、降低了钻井成本,为天阳盆地高温地热钻探项目的顺利实施提供了技术支撑。

螺杆加PDC钻头复合钻进技术

阐述了螺杆加PDC钻头复合钻进技术及其应用效果。结果表明 ,该技术在中原油田钻井中可用于中深部地层的快速钻进 ,大倾角易斜地层中的防斜快打 ,定向井中造完斜后原钻具的直接稳斜钻进和深井、小井眼中的高效钻进 ,对中原油田提高机械钻速 ,缩短建井周期 ,节约钻井成本 。

PDC钻头发展与应用概况

PDC钻头有多种失效形式,本文根据PDC钻头失效的部位对其进行了分类,分析了PDC钻头失效的原因。从提高PDC钻头材料品质、优化制造工艺与结构几个方面介绍了PDC钻头品质提高的途径,最后总结了提高PDC钻头工作效率的方法。

新型定向井PDC钻头的研制与应用

针对常规PDC钻头在胜利油田临盘区块定向井钻井施工中,工具面不稳定、难以控制、滑动钻进时钻压较小、钻速低的问题,研制出了一种新型定向井PDC钻头。该PDC钻头采用短剖面形状,特殊双重切削布齿结构,又对钻头进行了力平衡设计,把钻头的侧向力减到最小,增加了钻头工作时的稳定性。在临盘区块多口定向井的现场应用表明,新型定向井PDC钻头滑动钻进时钻压变化的敏感度小,工具面可控性好,复合钻进机械钻速和定向井机械钻速较常规PDC钻头都有较大幅度提高,且提高了钻井和下套管效率及井身质量。

俄罗斯减速器涡轮钻具驱动PDC钻头在西西伯利亚油田的成功应用

涡轮钻具由前苏联研制出来以后,得到了迅速发展,目前已发展到减速器涡轮钻具阶段。现在,俄罗斯西西伯利亚地区普遍使用减速器涡轮钻具钻井,而减速器涡轮钻具驱动PDC钻头的使用还是空白。采用俄罗斯生产的几种不同型号的减速器涡轮钻具,在西西伯利亚进行了驱动PDC钻头钻井的阶段性试验。试验结果表明,在优选PDC钻头结构的情况下,用减速器涡轮钻具驱动PDC钻头,钻头进尺和机械钻速都较牙轮钻头有显著的提高,经济和社会效益显著。介绍了试验中使用的3种俄罗斯减速器涡轮钻具(TPM-195,TPⅢ-195和TPO3-195)的结构特点和主要技术参数。

削减PDC钻头泥包提高机械钻速的技术途径

采用PDC钻头与水基钻井液配合方式钻进泥页岩地层时,如何防止钻头泥包成为提高钻速的一大技术难点。为此,首先介绍了国外水基钻井液和水基钻井液添加ROP增速剂的钻头提速室内模拟实验取得的成果;然后用典型实例分别评述了PDC钻头优化(结构、氮化处理)以及在泥岩段地层中应用水基钻井液添加ROP增速剂的提速效果。考虑到钻井液的费用和环保问题,认为加入ROP增速剂的水基钻井液配合抛光PDC钻头将是软泥岩地层提速的有效技术途径,其应用一定会有更广阔的前景。

预防PDC钻头泥包的钻井液工艺技术

钻井液的性能恶化是造成PDC钻头泥包的主要因素之一,通过综合分析PY36-2-1井2次泥包时的钻井液性能,探讨了如何通过对钻井液性能的优化和宏观调控预防PDC钻头泥包。分析结果指出,在正常钻进时控制好钻井液的黏度和切力,使其达到实现平板型层流的要求;在软泥岩段易发生泥包的地层采用注稀胶液或是向循环池大量补充稀胶液的方法来制造紊流;钻进期间尽量保证离心机、除砂器和除泥器的全程开启,必要时使用稀释的方法 ;振动筛的用法应以钻井液覆盖筛网总长度的75%～80%为宜;推荐直井润滑剂加量为1%～2%,斜井水平井加量为2%～3%;对于聚合物水基钻井液,应控制包被和抑制剂的浓度分别为5～8和30～50 kg/m3。