强研磨性地层中PDC钻头井底热-流-固三场耦合研究

PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头在强研磨性地层中破岩时,其钻齿在刮切破碎岩石的同时与岩屑、岩石剧烈摩擦,产生的局部高温加快了钻齿的磨损失效,这会极大地缩短整个钻头的使用寿命。因此,探究温度对PDC钻头磨损的影响并改进其水力结构对提升单个钻头的进尺深度和降低钻井经济成本有显著意义。为此,通过钻齿切削实验来验证其温度与磨损之间的关系,并在考虑井底钻井液流动状态及其与钻齿之间对流换热的基础上,建立了PDC钻头井底热-流-固三场耦合模型,分析了井底钻井液与PDC钻头之间的相互作用,同时针对原有的PDC钻头水力结构提出了优化措施。结果表明:1)在钻齿切削过程中温升现象十分明显,说明温度是影响PDC钻头磨损的重要因素;2)PDC钻头井底流场呈热-流-固耦合状态,且钻井液流动状态对其钻齿换热的影响大,这为钻头水力结构的优化提供了方向;3)通过调整喷嘴的流量及角度等水力结构,降低了钻齿的平均温度,可有效改善PDC钻头的磨损情况。研究结果对强研磨性地层中钻头的优化设计有重要指导意义。

适合强研磨性硬地层的新型混合钻头设计及现场应用

为提高金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)钻头在强研磨性硬地层中的破岩效率和使用寿命,设计2只由PDC切削齿和金刚石孕镶块组合作为切削单元的PDC–金刚石孕镶块新型混合钻头,并在冀中某断层区块石英岩地层进行现场试验。试验结果表明:与同井段使用过的牙轮钻头的平均值相比,1#PDC–金刚石孕镶块混合钻头的平均机械钻速提高52.30%,平均钻头进尺提高97.30%;与牙轮钻头的平均值和M1375D PDC钻头相比,2#PDC–金刚石孕镶块混合钻头的平均机械钻速分别提高30.85%和32.30%,平均钻头进尺分别提高70.50%和47.40%。PDC–金刚石孕镶块混合钻头极大地提高了强研磨性硬地层中的钻进效率,降低了钻井成本。

金刚石钻头在强研磨性地层中的应用研究

针对钻探施工中常遇见的坚硬致密强研磨性地层,通过钻头胎体设计和钻头结构设计对金刚石钻头进行了试验研究,并在水电站中进行了推广应用,取得了良好的效果:采用HRC35-40金刚石钻头在坚硬致密的玄武岩中钻进,其平均寿命可以达到70m,平均机械钻速为2m/h;在粗粒花岗岩等地层中钻进,钻头平均机械钻速最高可达2.7m/h,寿命最高能达到50m,比原定指标提高了25%,大大缩短了施工周期,降低了施工成本,满足了钻探施工的要求。

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。

东昆仑成矿带强研磨性地层岩石力学性质研究

东昆仑成矿带钻进地层研磨性较强,对针对性较强的7个矿区进行采样,在分析岩石的矿物组成和结构的基础上,进行岩石的硬度和研磨性的测试。岩石样品硬度在5~8级之间,平均硬度在7级左右,岩石硬度相对较高;岩石的研磨性等级集中在Ⅳ-Ⅵ级,岩石的研磨性相对较强。石英含量增高,硬度和研磨性均增强。岩石颗粒形状与尺寸、胶结物性质等也是岩石硬度和研磨性的重要影响因素。

强研磨性硬地层中应用的PDC-金刚石孕镶块混合钻头设计分析

为促使聚晶金刚石复合片(PDC)钻头能够在花岗岩等强研磨性地层中的适用程度有效提升,需要进行PDC-金刚石孕镶块混合钻头设计和应用,并且也需要通过进行必要的使用实验等方面,能够促使花岗岩和硬砂岩中混合钻头最优布齿方式等方面不断得到优化。在这一过程中,在相关实验的时候,其结果能够有效显现出来,岩石中所存在的纯PDC钻头钻速会随着PDC齿磨损高度的增加而出现由慢到快出现下降的情况,在PDC齿磨损的高度超出临界值的时候,可以在进行布置之后,排孕镶块能够对混合钻头钻速再次提升,并且其在具体应用的时候,也具有PDC钻头破岩效率高和金刚石钻头工作寿命长等特点,其中花岗岩中的钻头最优布齿方式主要是前排为PDC齿而其后排孕镶块主要在PDC主齿0.5~1.0 mm之间实施同轨布置处理,而硬砂岩中钻头最优布齿的方式主要是前排为PDC齿,其后排孕镶块要比PDC主齿低0.0~0.5 mm,从而进行同轨布置处理。在强研磨性硬地层中应用的PDC-金刚石孕镶块混合钻头设计分析的过程中,能够有效发现混合钻头和普通钻头相比具有更高的机械钻速和更长的使用寿命,使得钻井周期能够得以缩短,并且也促使钻井的成本能够减少,使得其具有更加宽广的发展前景。

川渝地区须家河地层涡轮钻具配套孕镶金刚石钻头钻井提速技术

川渝地区须家河地层研磨性强、硬度高、可钻性差、单只钻头进尺低、钻头消耗量大、机械钻速低、钻井成本高、针对上述难题,采用自主研发的涡轮钻具配合孕镶金刚石钻头钻井技术。经龙岗X1井的现场试验,单只钻头进尺392 m,纯钻时间240 h,平均机械钻速2.73 m/h,与邻井同层钻头对比,机械钻速提高95%以上,单只钻头平均进尺提高了334.1%。试验结果表明,涡轮配合孕镶金刚钻头钻井技术在强研磨性地层具有较好的提速效果,可为川渝、新疆等地区强研磨性地层钻井提速提供技术支持。

大连金石滩地区复杂基岩地热井施工工艺

阐述了在大连金石滩地区复杂基岩地层中施工地热井造成井斜的原因。通过采用"满眼"钻具和"塔式"钻具相结合的钻具组合,并合理选择钻头,能够降低井斜,提高效率,降低成本。

新型钻井提速工具在龙岗气田软硬交替地层中的成功应用

自21世纪初在四川盆地发现龙岗气田以来,机械钻速低、钻井周期长等问题长期制约着该气田勘探开发的进度和效益。为此,对该气田的钻井地质特点和影响钻井周期的因素进行了系统分析,认识到该气田侏罗系沙溪庙组、自流井组中的砂泥岩软硬交替频繁造成钻头泥包和PDC崩齿,以及上三叠统须家河组定向钻进托压严重是使机械钻速变慢最重要的影响因素。进而提出了不同地层的针对性提速技术方案,即侏罗系采用旋转冲击器带专用PDC钻头钻进,配合钻井液性能调整、钻井参数优化等专项技术措施的应用来预防处理PDC钻头泥包,实现侏罗系快速钻进;在三叠系须家河组的定向钻进井段,采用高速弯涡轮带孕镶金刚石钻头进行高转速低钻压快速钻进,该钻进方式充分利用孕镶金刚石钻头切削齿自锐的特点,以延长钻头使用寿命。最后,在该气田的2口井上进行了现场应用试验,大幅度提高了应用井段的机械钻速、缩短了钻井周期,取得了良好的试验效果。

SY系列深孔硬岩孕镶金刚石钻头的研究与应用

针对山东莱州纱岭、前陈,招远水旺庄等典型的深孔硬岩强研磨性地层情况,对孕镶金刚石钻头在原料、配方、模具以及各项生产工艺等方面做出设计、研发和改进,并对钻头进行长时间、多层次的试验,根据各项理论指标结合试验数据,确定钻头的设计参数,研发出了适合深孔硬岩强研磨性地层使用的孕镶金刚石钻头。

青海东昆仑、祁曼塔格地区金刚石钻头的研究

针对青海省东昆仑、祁曼塔格地区的典型硬岩强研磨性地层情况,对孕镶金刚石钻头胎体材料、金刚石浓度、烧结工艺等方面进行分析研究,并对钻头进行了台架、野外试验。根据各项理论分析结合实验数据,确定了钻头的设计方案,研发出了适用于该地区硬岩强研磨地层钻进的孕镶金刚石钻头。

非平面齿PDC钻头研制与应用

长庆油田刘家沟组地层具有岩石致密、砂泥岩互换频繁、研磨性强、可钻性差、石英含量高的特点,常规PDC钻头在此类地层破岩效果不佳,钻头进尺和钻头寿命得不到有效保障。为此,公司自主设计并制造了一种新型PDC钻头——非平面齿PDC钻头,并开展了室内模拟实验和现场入井试验。通过现场应用表明,该新型钻头能突破均质性差和研磨性强地层PDC钻头的应用禁区,在机械钻速和钻头进尺方面,其使用性能能比肩国外优质钻头,具有较高的推广应用前景。