川中须家河组牙轮-PDC混合钻头钻井提速实践

四川高石梯-磨溪区块须家河组地层岩性致密、抗压强度高、研磨性强、软硬交错频繁,牙轮钻头磨损速度快、进尺短,不能满足快速钻进的要求,常规PDC钻头切削齿钝化较快,崩齿较为严重,长期以来都是高石梯-磨溪区块钻井提速的瓶颈地层。针对高石梯-磨溪区块须家河组地层特点,结合其他区块须家河组及类似复杂地层的钻头选型经验,选用的牙轮-PDC混合钻头,兼具牙轮和PDC钻头两者的优点,适合在须家河组地层长段钻进。牙轮-PDC混合钻头不仅单只钻头进尺大幅度提高,配合螺杆辅助钻进后,平均机械钻速也明显优于常规PDC钻头,实现了高石梯-磨溪区块须家河组复杂地层钻井提速瓶颈技术突破,积累了重要的实践经验。

牙轮-PDC混合钻头在迪北103井的应用试验

迪北103井是塔里木盆地库车坳陷东部依奇克里克构造带迪北斜坡的一口评价井,据邻井的实钻资料,预计该井在中新统吉迪克组、渐新统苏维依组、古近系库姆格列木群将钻遇砾石含量高、软硬交互频繁、可钻性差的地层,钻头选型困难,无论是牙轮钻头,还是PDC钻头,机械钻速和单只钻头进尺都很低。为此,在迪北103井的444.5mm井眼段尝试应用了牙轮-PDC混合钻头,该新型钻头由3个牙轮、3个PDC切削刀翼和钻头胎体构成,把PDC钻头优越的切削破岩机理及牙轮钻头的冲击破碎机理有机地结合在一起。试验从井深2 524m开始,一趟钻钻至2 866m,进尺342m,平均机械钻速1.70m/h,顺利钻穿吉迪克组—库姆格列木群组的复杂岩性段;与邻井(迪北104井)相同钻进井段相比,迪北103井钻头进尺提高了654%,机械钻速提高了157%,同时该井还刷新了444.5mm牙轮-PDC混合钻头单只进尺世界纪录。该钻头在迪北103井的成功应用为迪北区块钻井提速提供了有益的经验。

牙轮-PDC混合钻头的破岩特性及温度场变化

较之于常规的PDC钻头或牙轮钻头,牙轮-PDC混合钻头有着更好的破岩效果,其破岩过程产生的热量对其使用寿命和钻井效率都有着重要的影响,但目前对其破岩过程中温度场和破岩特性的研究还不够深入。为了给混合钻头的优化和推广提供理论支撑,基于有限元法、弹塑性力学等建立钻头破岩仿真模型,据此研究了破岩过程中的混合钻头温度场变化规律和破岩特性。研究结果表明:(1)牙轮主导型混合钻头破碎岩石时牙轮切削结构先冲击岩石,形成破碎坑,PDC切削齿再进行剪切,而PDC主导型混合钻头由PDC切削齿对岩石进行刮切形成沟槽,牙轮切削齿再对岩石进行破碎;(2)混合钻头在破岩初始阶段温度上升较快,一段时间后趋于平稳且钻压越大温度越高;(3)较之于PDC钻头和牙轮钻头,混合钻头破岩过程中温度更低,混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和;(4)混合钻头在硬地层中的破岩温度高于在软地层中的破岩温度,而钻速则相反;(5)钻头破岩温度和破岩特性与其自身结构有关。结论认为,该研究成果有助于混合钻头的优化设计和推广应用。

硬地层单牙轮-PDC钻扩联合钻头破岩特性

提出了新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头,先依靠单牙轮破岩钻孔,释放地应力,产生岩石损伤,再助推PDC钻头刮切破岩。运用有限元法,建立钻扩联合钻头、双级PDC和常规PDC钻头破岩的非线性动力学模型。通过对岩石本构关系进行D-P准则描述以及确定岩石破碎的判据,分析钻扩联合钻头钻进硬地层的破岩机理,开展了3种钻头动态破岩过程的对比研究。结果表明:钻扩联合钻头在钻进过程中井底井壁的岩石应力得到明显释放,大大提高了岩层可钻性;在硬地层中钻扩联合钻头钻进速度提高的主要原因是拉应力破岩;钻扩联合钻头在硬地层钻进过程中的扭转振动大大降低,破岩效率更高,钻头寿命更长;由于单牙轮领眼破碎岩石的作用,钻扩联合钻头对井底岩石的冲击破碎能力更强,在硬地层中钻进更快。研究结果为新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头的研发提供了参考。

混合式单牙轮钻头破岩性能研究

在石油钻探过程中,优质的钻头对于降低钻井成本和提高钻井效率至关重要。通过设计,将牙掌结构与牙轮结构相连接,并且分别在牙轮和牙掌上安装锥形齿和PDC齿,从而设计出一种新型的混合式单牙轮钻头。该混合式单牙轮钻头较一般单牙轮钻头多了PDC齿,利用冲击和剪切原理破岩。牙轮大端通过井底中心,所有齿圈与井壁接触,在破岩的同时可以起到保径作用。建立了混合式单牙轮钻头与岩石相互作用的有限元模型,并对钻头井底模型、牙齿主切削力和破岩体积进行了仿真分析。通过台架实验对数值模拟得到的钻压和进尺量进行验证。研究结果表明,数值模拟得到的钻压和进尺量与台架测试结果相符,破岩载荷规律与钻头结构设计特点一致。混合式单牙轮钻头与球形单牙轮钻头相比,侧向力减小39.6%,破岩效率提高37%。使用该混合式单牙轮钻头钻井时稳定性更高,可以减小井斜发生的概率。根据结果可知,数值模拟在研究该混合式单牙轮钻头破岩规律中是有效的,该方法为钻头进一步设计及其工作特性的评估提供了依据。

混合钻头在元坝须家河组高研磨性地层的应用

元坝气田主力气藏埋深超过7 000 m,是中国埋藏最深的海相气田。陆相地层岩性致密、硬度高、非均质性强,机械钻速低,特别是须家河组地层,硬度高、研磨性强、可钻性极差,牙轮钻头磨损速度快、进尺短,PDC钻头难以满足高研磨性的要求,钻头合理选型困难。针对须家河组地层硬度高、砂泥岩交错的地层特点,研制出了KPM系列牙轮-PDC混合钻头,采用3刀翼和3牙轮设计,兼具牙轮和PDC钻头两者的优点。在元坝须家河组应用3井次,较好克服了地层硬度高、软硬交错的影响,进尺和机械钻速均获得大幅提高,为元坝钻井提速探索新的方向。

非自洁式牙轮钻头齿圈混合布齿优化设计及仿真

自洁式牙轮钻头考虑自洁效果,牙轮齿圈布齿形式单一,钻遇深部硬-极硬地层时破岩效率不理想,而非自洁式牙轮钻头通过单齿圈混合布齿可以在复杂难钻地层具备较高的破岩效率。文中开展花岗岩三轴力学性能试验获得岩石基本力学性能,建立非自洁式牙轮钻头与自洁式牙轮钻头齿圈数值仿真模型,分析比较两种单齿圈的破岩效率。从布齿数量、露齿高度、牙齿直径和布齿方式4方面对非自洁式牙轮钻头单齿圈布齿设计进行优化。仿真分析结果表明,齿圈上布齿数量为21颗,布齿方式为大小齿交替均布布齿,露齿高度为7 mm,牙齿直径为13 mm和11 mm时,齿圈破碎比功最低,岩石破碎效率更高,并通过单齿圈破岩试验进行验证。

混合钻头破岩特性研究

现有的常规PDC钻头和牙轮钻头均无法满足深硬地层、难钻性地层以及软硬交错地层的破岩要求。混合钻头在国内外的成功应用证明其具有较好的破岩效果,但对其破岩特性的研究还不够深入,导致混合钻头设计优化和推广受限。鉴于此,基于有限元分析法和弹塑性力学理论,以Drucker-Prager准则为岩石的本构关系,建立了混合钻头破岩仿真模型,开展了混合钻头破岩特性研究。研究结果表明:混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和,这与现场结论一致;牙轮主导型混合钻头适用于硬地层,PDC主导型混合钻头适用于软地层;混合钻头破岩特性与其自身结构有关。混合钻头破特性研究为促进混合钻头的优化设计和混合钻头的现场应用奠定了基础。

贝克休斯公司Kymera混合型钻头

最近，贝克休斯公司发明了一种适用于夹互层地层的Kymera混合型钻头。该钻头集成牙轮钻头与PDC钻头的特点，具有双重切削结构旋转力矩管理系统、PremiumQuantecTM和Quantec Forcer^TM牙轮、独特的滚锥轴承与密封包。

混合钻头破岩机理浅析

随着我国油气资源的不断开发,钻井深度也不断的加大,因而各钻井公司对钻头的质量有了更高的要求,近年来国外提出的将PDC钻头和牙轮钻头的优点结合,形成了具有PDC结构和牙轮结构的混合钻头,混合钻头设计合理,在钻井过程中会合理地融合两种钻头的切削作用,使其相互影响,从而在硬地层中利用牙轮钻头切削结构的缓冲作用,较好地减缓了PDC钻头的切削齿的磨损速度,并且当牙轮切削齿出现磨损后,PDC钻头的切削结构承担了较大部分的钻压,因而牙轮切削齿的磨损速度也可以得到较好的缓解,混合钻头可以在多种地层中整体提高了钻井效率。

用碳化钨制成的新型牙轮钻头

美国一家公司利用碳化钨材料制成了一种新型的高强度牙轮钻头。这种钻头是将烧结碳化钨粗颗粒与较细的铸造碳化钨颗粒按一定比例混合制成管式焊条,然后堆焊到钢齿牙轮钻头齿面,使钻头得到较大的强化。经试用。

新型三牙轮金刚石钻头用于降低钻井成本

美国Baker Hughes公司推出Kymera XTreme金刚石与三牙轮合成钻头。该钻头机械钻速高,耐磨性能好,能帮助作业者降低钻井成本。迄今世界各油田使用钻头多数为金刚石钻头或三牙轮钻头,使用二者混合设计方式的钻头较少。此钻头在设计上综合了多晶金刚石的强度以及三牙轮钻头的精巧工艺,改善了上一代混合设计钻头的性能,提高了钻头的穿透性,延长了其运行寿命。

江钻混合钻头首次在川东北元坝区块定向井段成功运用

日前,江钻一只91/2某型混合钻头在元坝27-4井顺利出井,完成定向钻进施工。元坝27-4井为西南油气分公司在川东北元坝区块部署的一口五开制大斜度开发井,设计井深6699m。江钻技术服务人员在与钻井公司及元坝项目部多次交流后,分析前期定向井中应用牙轮钻头机械钻速低、PDC钻头工具面不稳定、定向效率低等问题,推荐使用江钻混合钻头,并取得优异指标。

探讨钻井行业钻头类型及其发展趋势

近年来,深井、超深井油气资源开发在我国油气资源开发中所占比例越来越大。对深井、超深井钻井需要使用的钻头也要求具有更高的穿透性和更长的使用寿命。目前国内常用的牙轮钻头、金刚石钻头虽然也能用于深井钻井,但其使用寿命短,牙齿磨损严重等问题,严重制约的深井、超深井油气资源的开发。国外虽然有一些新型钻头,如:混合钻头,但其成本非常昂贵。因此,研发高穿透性、长使用寿命的钻头来提高深部复杂地层的破岩效率,已成为当今我国石油钻头技术领域的前沿课题,也是钻头技术的发展趋势。

提高金刚石强化柱齿性能的研究

针对牙轮钻头制造行业对边楔形金刚石强化柱齿的需求及锥球形金刚石强化柱齿在耐磨性、外观、结合强度等方面的不足进行研究。采用烧结法合成边楔形金刚石强化柱齿,使用焙烧石墨模具,合理设计硬质合金基体,选用合适的工艺配方,研制成功了边楔形金刚石强化柱齿,为国内首创,平均磨耗比≥10万,满足了牙轮钻头厂家的要求。采用混合烧结法制作D-D结合的锥球形金刚石强化柱齿,平均磨耗比≥20万,比用烧结法制作的同类产品的耐磨性提高了一倍,外观质量得到明显改善。应用本研究成果生产的产品国内市场占有率达70%以上。