PDC混合布齿钻头破碎非均质花岗岩数值模拟

非常规油气资源所处地层复杂,开采难度大,钻井过程中钻遇地层密实度高,对钻头性能提出了更高要求。普通PDC钻头主要依靠切削齿剪切破碎岩石,攻击性弱,不仅导致钻头寿命和破岩效率严重下降,而且增加了钻井成本。为探究混合布齿PDC钻头的破岩机理和效果,提升PDC钻头破岩效率和寿命,建立了非均质花岗岩模型,使用有限元方法对比了斧形、三棱形和圆形PDC齿混合布齿的破岩效果,优选了最佳布齿方案,并使用响应面法优化了齿间距,对前后排齿不同高度差情况下的钻头破岩效果及规律进行了分析,最后结合钻头的现场应用对比分析了混合布齿、斧形齿和三棱形齿PDC钻头的破岩过程。研究结果表明:①斧形齿攻击性强,有利于吃入岩石,适用于刀翼前排,而三棱形齿更稳定,适用于刀翼后排;②混合布齿最佳方案为前排斧形齿,后排三棱形齿与斧形齿交替布置,后排齿距离前排齿的最佳横向距离为10.0 mm、10.1 mm,最佳纵向距离均为7.0 mm;③前排齿破岩后能释放岩石内应力,便于后排齿的破岩,但产生的应力区域有限,建议前后排齿高度差不超过1 mm;④围压条件下按照最佳方案布齿的PDC钻头相较于单斧形齿和三棱形齿的PDC钻头,钻井进尺分别提升了21.4%和44.1%。结论认为,混合布齿钻头兼具高破岩效率和稳定性,在深部和难钻地层具有较好的钻进效果,具有良好的现场推广应用价值。

锥形与常规PDC齿混合布齿破岩机理研究及钻头研制

常规PDC钻头在砾岩地层中易发生崩齿和碎齿,钻头进尺短、钻速低,钻井周期长、成本高等问题突出。为了提高砾岩地层的钻进效率,本文开展了锥形PDC齿与常规PDC齿混合切削砾岩实验,探究了齿间距和齿高差等参数对切削力、破岩体积及破岩效率的影响规律,研制了Φ215.9 mm混合布齿PDC钻头,并在砾岩地层某口定向井中开展了现场试验。结果表明:随着齿间距增大,切削力和破岩体积逐渐增加,破岩效率先升高后降低,且在齿间距为18 mm时达到最大值;随着齿高差的增加,破岩体积呈线性增加,破岩效率先升高后降低,在齿高度差为0.5 mm时破岩效率最高;与邻井同井段用的牙轮钻头和常规PDC钻头相比,研制的混合布齿PDC钻头的机械钻速分别提高了37.93%和52.38%,进尺分别提高了117.45%以及86.87%。研究结果为适用于砾岩地层钻井的混合布齿PDC钻头设计提供理论依据。

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。

东海深部高研磨地层冲击钻井PDC齿优选研究

东海盆地深部地层机械钻速(ROP)低、PDC钻头钻齿易磨损、单个钻头进尺数少的问题日益突出。为此,开展了岩石可钻性、硬度与塑性系数、强度、研磨性及组分检测试验,明确了导致该区域深部地层低ROP的主控因素,并对ROP变化规律进行了验证;设计了冲击载荷作用下PDC钻头异形齿破岩试验装置,开展了单齿破岩试验,利用3D扫描技术量化了三棱齿、斧形齿在不同冲击速度下的侵彻深度和破岩体积,计算了冲击破岩过程中的能量吸收效率以及破岩比功,对PDC钻头异形齿进行了优选;同时结合优选结果开展了现场试验。研究结果表明:岩石的高研磨性和高强度是东海盆地低ROP的主控因素,当冲锤冲击速度小于7.1 m/s时,三棱齿侵彻深度和破岩体积更大,提速效果较为明显;当冲锤冲击速度大于7.1 m/s时,斧形齿的破岩比功要小于三棱齿,且能量吸收效率更优,在高研磨地层作用下磨损较小,能更好地延长PDC钻头的寿命;现场试验也验证了该结论。研究成果可为东海盆地深部地层冲击钻井参数的确定以及PDC钻头钻齿的优选提供有效参考。

PDC-孕镶块混合齿钻头同轨布齿出露高差试验优选

PDC-孕镶块混合齿钻头具有破岩效率高和使用寿命长的双重优点。设计了一种前排PDC齿与后排孕镶块同轨布置的混合齿钻头进行破岩实验,探究PDC齿和孕镶块不同出露高差对破岩效率的影响,并与常规双排齿PDC钻头进行了对比。试验结果表明,当前后排齿出露高差小于1 mm时,双排齿PDC钻头破岩效率高于混合齿钻头破岩效率;当出露高差大于1 mm时,混合齿钻头破岩效率高于双排齿PDC钻头。用经过出露高差优选的全尺寸混合齿钻头和常规PDC钻头进行现场试验,结果表明混合齿钻头的平均机械钻速比常规PDC钻头的平均机械钻速提升了41.9%,单只进尺提高了36.9%。混合钻头取得了较好的现场试验效果,并为PDC-孕镶块混合齿钻头的设计提供了充分的依据。

PDC钻头的优选方法

应用室内岩石可钻性实验结果，确定了松辽盆地南部某区块应用 Ｐ Ｄ Ｃ 钻头和牙轮钻头钻进两种岩石可钻性级值的关系，给出了该区块 Ｐ Ｄ Ｃ 钻头和牙轮钻头各自所适用地层层段，建立了应用声波时差测井资料确定 Ｐ Ｄ Ｃ 钻头钻进时的岩石可钻性级值模型，应用该模型进行 Ｐ Ｄ Ｃ 钻头优选． 结果表明：应用声波时差计算的岩石可钻性级值的相关性因数为０ ．８５ ，可以满足工程需要． 当可钻性级值超过６ 级时，应换牙轮钻头钻进．

利用岩石三轴抗压强度优选PDC钻头

岩石三轴抗压强度是表征地层抗钻性质的重要参数之一,是PDC钻头优选的基础和主要依据。利用测井资料获取地层岩石三轴抗压强度并进行聚类分层处理,建立了PDC钻头切削结构参数与岩石三轴抗压强度之间的定量关系,提出了基于岩石三轴抗压强度的PDC钻头优选方法。通过实例计算得出了311.2 mm PDC钻头切削结构参数设计结果。该方法可为现场PDC钻头优选提供必要的理论依据,具有一定的实用性。

应用改进模糊综合评判法优选PDC钻头

为了克服传统模糊综合评判法优选PDC钻头时主观性强和信息易漏失的缺点,对传统模糊综合评判法进行了改进。改进后的综合评判法采用层次分析法计算权重集,克服了原始权重集确定过程中主观性过强的缺陷;采用加权法进行模糊运算时,全面、综合地考虑了所有评价因素的影响。对大港油田某区块的PDC钻头进行了优选,进尺最长和平均机械钻速最快钻头的隶属度均小于综合考虑各影响因素之后钻头的隶属度,说明优选PDC钻头时不能仅凭进尺和钻速确定,而要综合考虑所有因素。现场应用表明,改进后的模糊综合评判法具有较高的可行性,优选出的PDC钻头地层适应性更好。

准噶尔盆地环玛湖地区PDC钻头的优选与应用

准噶尔盆地环玛湖地区储集着丰富的油气资源,近年来为实现环玛湖地区的钻井提速,在该地区加大了对PDC钻头的应用。当前环玛湖地区钻头的优选和应用主要在侏罗系以上地层和三叠系地层,侏罗系上部地层可钻性好,但进入侏罗系底部及三叠系地层后,地层可钻性变差,对钻具的要求高。根据环玛湖地区地层情况分析了该地区使用个性化PDC钻头及配套工具的优势。阐述了PDC钻头及配套工具近年来在环玛湖地区的发展应用,并结合现场探索试验,通过对比钻头的使用效果,在不同地层层段对PDC钻头进行了合理的优选。最后优选出适应于侏罗系上部地层的X3切削齿、六刀翼PDC钻头(FX65DX3)和适应于三叠系克拉玛依组层段的扭力冲击器+PDC钻头,为推动环玛湖地区钻井提速进程起到了较大作用。

锥形PDC齿和常规PDC齿混合切削破岩试验研究

混合布齿PDC钻头在油田现场取得了较好的提速和进尺效果,但其设计过多依赖于设计者的经验,缺乏理论依据和室内试验数据支撑。为了优选锥形PDC齿与常规PDC齿混合布齿参数,进一步提高混合布齿PDC钻头在硬岩地层中的钻进性能,针对花岗岩地层设计并开展了锥形齿和常规齿混合切削试验,探究了同轨道切削顺序、切削齿高差和异轨道锥形齿间距、切削齿高差对破岩效果的影响规律。研究结果表明:对于同轨道混合切削,采用先锥形齿后常规齿的切削顺序可以使锥形齿和常规齿的破岩效率都达到最佳,获得最佳的整体破岩效果;对于异轨道混合切削,随着锥形齿间距的增加,切削力和破岩比能先减小后增大,而破岩体积先增大后减小;当锥形齿间距为18 mm时,切削力和破岩比能同时达到最小值,分别为4252 N和108 MPa,最优锥形齿间距为18 mm。所得结论可为适用于硬岩地层钻进的混合布齿PDC钻头设计提供指导。

适合强研磨性硬地层PDC-金刚石孕镶块混合钻头设计与应用

为提高PDC钻头在花岗岩、石英岩等硬、超硬地层及强研磨性地层中的适用性,设计了一种前排为PDC齿、后排为金刚石孕镶块(简称孕镶块)的混合钻头,并通过室内实验对花岗岩和硬砂岩中混合钻头最优布齿方式进行了研究。实验结果表明:2种岩石中纯PDC钻头钻速均随PDC齿磨损高度的增加呈现先慢后快再慢的下降趋势,当PDC齿磨损高度超过临界值以后(花岗岩为1.0 mm,硬砂岩为0.5 mm),通过布置后排孕镶块可以再次提高混合钻头钻速,混合钻头同时具有PDC钻头破岩效率高和金刚石钻头工作寿命长的双重优点;花岗岩中钻头最优布齿方式为前排为PDC齿,后排孕镶块低于PDC主齿0.5~1.0 mm同轨布置,硬砂岩中钻头最优布齿方式为前排为PDC齿,后排孕镶块低于PDC主齿0.0~0.5 mm同轨布置。在室内实验基础上,设计2只混合钻头分别用于松辽盆地金山区块基底花岗岩和冀中雷家庄断层区块石英岩地层,现场应用表明,相比于常规PDC钻头和牙轮钻头,混合钻头具有更高的机械钻速和更长的使用寿命,有效缩短了钻井周期,节约了钻井成本,具有广阔的应用前景。

FC1井PDC钻头优选方法及应用

FC1井是准噶尔盆地中央坳陷内的一口风险探井,钻探层位深,需要提高钻井速度、节省钻井工期。根据岩石力学参数的计算公式,利用完钻邻井的测井、录井资料,计算得到岩石力学数据剖面,并对邻井钻头使用效果进行了分析评价。综合岩石力学特性与前期钻头应用情况,优选出适合于FC1井的最佳PDC钻头,并进行了现场应用。FC1井平均机械钻速为5.11 m/h,比邻井F3井和DD2井分别提高33.8%、48.4%,取得了良好的应用效果。

基于蚁群粒子群混合算法的PDC钻头侧向力平衡优化

为了突破PDC钻头结构对侧向力平衡优化设计的限制,尝试采用融合了蚁群算法和粒子群算法(PSO)的混合算法对PDC钻头侧向力平衡进行优化,充分利用PSO算法的快速、全局收敛性和蚁群算法的正反馈机制,建立了PDC钻头侧向力平衡优化设计方法。通过该混合算法对刀翼式PDC钻头侧向力平衡的优化设计,结果表明,与单独采用PSO优化的结果相比,能够得到更好的优化结果,算法收敛速度更快,优化的刀翼周向位置角更好。

PDC钻头混合布齿切削试验装置

现有PDC钻头单齿试验装置对单齿切削角度等参数的调整很不方便,需要进行多组刀具的频繁更换,不适用于多切削齿在交叉或重叠组合下的混合切削特性及破岩机理的试验研究。为此,设计了PDC钻头混合布齿切削试验装置。该装置通过特殊的混合布齿组合结构设计,能实现不同PDC齿在不同切削参数下的混合布齿组合,具备PDC混合布齿切削试验能力。试验结果表明:该试验装置可以方便地实现对PDC齿后倾角、切削深度、多切削齿布齿方式及组合等切削结构和参数进行调节,从而实现对不同切削齿在不同组合及布齿参数下切削规律和破岩机理的研究。研究结果为进行有针对性和适应性的PDC钻头切削结构和布齿优化设计奠定了试验基础。

PDC钻头混合布齿参数对破岩的影响研究

为优化混合布齿PDC钻头切削结构,提高破岩效率,采用自主设计的试验装置,开展了常规PDC齿与锥形PDC齿混合异轨布齿间距和布齿高度差对破岩效率影响规律的试验和数值模拟研究。研究结果表明:锥形PDC齿的预破碎使岩石切痕间的"凸脊"产生损伤,越接近根部损伤越严重,且随着锥形PDC齿布齿间距的减小,损伤对"凸脊"的影响也越严重;在"凸脊"损伤严重的区域容易形成裂纹,裂纹的拓展使"凸脊"岩石产生体积破碎,形成破碎坑,从而使整个破岩过程的均值切削载荷变小,效率提高;合理的混合布齿间距和布齿高度差更有助于"凸脊"岩石产生体积破碎,可以有效降低常规PDC齿破碎岩石的机械比功、提高混合布齿PDC钻头的破岩效率。研究结果对混合布齿PDC钻头切削结构和布齿的优化设计具有重要的指导意义。

参数化分析优选PDC钻头

PDC钻头的优选方法很多,但是都有待进一步完善。文中提出了一种参数化分析优选PDC钻头的方法,可以在现场结合钻头使用情况,分析PDC钻头的具体结构对钻头整体性能的影响,进一步提出钻头的优选方向和改进措施,是对现有PDC钻头优选方法的有效补充。通过建立相应的PDC钻头数据库,能够极大地提高对PDC钻头的认识,从而能够有针对性地改善PDC钻头的结构,更好地优选、制造PDC钻头。

基于混合布齿技术的新型PDC钻头设计与应用

为了提高PDC钻头在大庆地区调整井作业的机械钻速,并降低钻头制造成本,创新性地将混合布齿技术应用于PDC钻头个性化设计,针对混合布齿技术特点进行了合理的钻头冠部形状设计、切削结构设计和水力结构设计。结合目前胎体PDC钻头的制造工艺,设计制造了基于混合布齿技术的新型Φ215.9mm PDC钻头,相较于同尺寸常规钻头,单只钻头制造成本降低了721元。新型钻头在大庆地区南2区块进行了现场应用,钻头平均机械钻速38.6m/h,与常规钻头相比,提高了1.2m/h。

哈拉哈塘地区深井PDC钻头优选技术

针对塔北哈拉哈塘油田深井构造特征,利用钻井、测井和实验室资料等对哈拉哈塘区块的岩石可钻性和PDC钻头选型进行了研究,得出地层的PDC钻头可钻性级值、硬度、抗压强度、抗剪强度和研磨性等力学参数,建立了哈拉哈塘区块可钻性剖面,对区块部分完钻井钻头使用情况进行分析,并结合可钻性剖面优选了PDC钻头。通过现场试验取得了良好的效果,证明优选的钻头经济实用,能够有效提高机械钻速。

镇泾油田PDC钻头优选分析

由于镇泾油田地层承压能力低,岩石可钻性较低,孔隙裂缝发育,钻井液浸泡超过一定时间,极易引起井漏或井壁垮塌掉块等井下复杂事故,影响钻井周期。本文针对镇泾油田地层特性,对近两年的已完井资料中的PDC钻头的型号、机械钻速、单只钻头进尺和钻遇地层特性进行统计,对已使用PDC钻头进行优选分析。利用主成分法对优选PDC钻头结果进行评价,并通过现场使用验证优选结果,最终优选出S5665型号钻头。

基于泥包最小化的PDC钻头水力参数优选

PDC钻头在泥页岩地层中钻进时,如果水力参数选择不当,极易形成泥包,严重影响钻井效率。现有水力参数优选标准并不适用于PDC钻头,且对特殊工况(如钻头泥包)没有针对性。为此,在对PDC钻头泥包机理及井底水力性能对其影响规律分析的基础上,推导了井底岩屑输运率公式,建立了基于泥包最小化(井底岩屑输运率最大化)的PDC钻头水力参数优选标准,给出了水力参数优选步骤,并进行了实例应用分析。研究发现:输运岩屑的能量主要来源于井底漫流水功率;无论是原始泥包还是二次泥包,提高井底岩屑输运效率,都能够预防或减少PDC钻头泥包现象。