孕镶金刚石钻头优化设计及其在甘青隧道应用

孕镶金刚石钻头是通过胎体超前磨损,促使金刚石出露形成微切削刃,在钻压和扭矩的作用下对岩石进行磨削碎岩,可广泛应用于硬地层和复杂地层钻进。然而,常规金刚石钻头存在坚硬地层钻速低、进尺慢、费用高等问题。本研究首先采取甘青隧道S2Z-45钻孔相邻孔不同深度的岩石样品,对其硬度、矿物组成及可钻性进行测试分析,确定了岩层大部分以闪长岩为主,岩石可钻性等级为8级;然后针对甘青隧道的地质特点对孕镶金刚石的胎体硬度和底唇面形状进行了优化设计,并进行了现场试验,通过分析钻头的实际使用情况研究了孕镶金刚石钻头性能的影响因素。试验结果表明:胎体硬度为HRC 15~20、金刚石粒度40~50目、金刚石体积分数为20%、底唇面为环槽尖齿型的孕镶金刚石钻头性能最佳,寿命达到321 m,钻速为1.17 m/h;在相同金刚石参数下,胎体硬度为HRC 10~15的滚齿型孕镶金刚石钻头在钻速方面具有优势,最大钻速能够达到1.44 m/h。环槽尖齿型底唇面和高胎体硬度有助于提高钻头寿命,滚齿型底唇面和低胎体硬度有利于提高钻进效率,但钻头寿命偏低。

自形成同心圆齿孕镶金刚石钻头研究

通过钻头胎体配方的分区设计，钻头在钻进过程中，其唇面会自动形成同心圆齿，该类钻头具有钻进时效高，使用寿命相对延长，破碎岩石时的稳定性好，钻进质量明显改善等优点，并详细阐述同心圆齿金刚石钻头的碎岩机理，研究表明，设计的自形成同心圆齿钻头，使钻头在碎岩机理方面有所突破，与普通钻头相比，自形成同心径向环齿钻头在时效和寿命方面均有所提高。

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。

可伸缩式PDC-孕镶金刚石耦合仿生智能钻头的破岩仿真

针对钻井过程中岩性识别困难、PDC钻头磨损严重、孕镶金刚石钻头破岩效率低和钻头泥包等问题,采用BP神经网络学习算法建立了岩性识别模型,并设计了一种新型可伸缩式PDC-孕镶金刚石耦合仿生智能钻头,分别在软件Matlab和ABAQUS上进行了岩性识别仿真和破岩仿真。仿真结果表明:BP神经网络模型对岩性的识别精度非常高,有利于合理选择钻头类型、及时调整钻井参数和提高钻井效率;仿生智能钻头作用于岩石表面的应力远大于常规钻头,使岩石更易达到破碎极限,从而提高钻头钻速。本设计集智能岩性识别、高破岩效率、自再生功能、防泥包功能于一体,为我国石油钻头的设计提供了一种新思路,具有重要意义。

新型耦合仿生孕镶金刚石石油钻头的研制

将耦合仿生理论应用到孕镶金刚石石油钻头切削齿的结构设计中,从仿生非光滑结构、材料和钻头整体结构3种主要影响因素入手,采用无压浸渍法、热压法和镶焊法等烧制方法和工艺,研制了新型三元耦合仿生孕镶金刚石石油钻头(简称仿生石油钻头),并在普光D-103井须家河组层段进行现场钻进试验。试验结果表明:仿生石油钻头与在须家河层段发挥平稳的三牙轮钻头相比,钻进速度更高、使用寿命更长、整体性能更稳定。

适合于研磨性硬地层的新型孕镶金刚石钻头优化设计试验研究

针对现有钻头在研磨性硬地层中普遍存在钻速低、寿命短的问题,研制了一种孕镶钻齿,通过室内试验优选胎体配方和金刚石参数,设计了一种新型孕镶金刚石钻头,并进行了现场应用。孕镶钻齿设计为圆柱形,以铸造碳化钨和碳化钨为胎体骨架材料,以浓度为25%、粒度为80目的天然金刚石颗粒为磨削元件,采用热压工艺烧结合成。新型孕镶金刚石钻头冠部形状设计为直线-圆弧-圆弧型双锥剖面,采用等间距高密度径向布齿,布齿间距为2 mm,采用横卧和竖立两种方式周向布齿。现场应用结果表明,新型孕镶金刚石钻头可提速79%左右,使用寿命是牙轮钻头寿命的2倍以上。

钻进打滑地层用孕镶金刚石钻头设计探讨

在极坚硬地层钻探施工过程中 ,经常出现钻头打滑现象 ,给钻进带来了极大的困难 ,钻孔施工周期长 ,增加了施工成本。针对打滑地层孕镶金刚石钻头钻进难题 ,提出了提高胎体硬度、降低扇形块的面积、加大水口面积的设计思想 ;为了提高钻头的寿命 ,提出了将制作金刚石增强型硬质合金复合齿的工艺、配方应用到制作孕镶金刚石钻头的设计思路。通过室内微钻试验 ,结果表明这种孕镶金刚石钻头具有高时效、长寿命等优点 。

仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头研究

针对孕镶金刚石钻头齿间相互独立,在坚硬地层中钻进极易产生打滑和单齿受力太大导致钻头损坏的难题,引入仿生爪趾结构原理和自补偿理念,研制了仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头。钻头的一体式切削齿设计,主要在单齿的齿单元间采用加强筋方式强化单齿强度,单齿与单齿间设置齿间加强筋加强,使得钻头相邻齿单元、相邻单齿间相互连接形成一个整体,在钻进过程中,钻头齿的工作唇面会产生多个超过岩石极限破坏强度但远低于钻头胎体强度的应力集中区域,不容易出现少数几个接近或超过钻头胎体强度的应力集中区域的情况。如此,钻头的整体性更好,受力均匀,切削岩石的效率更高,寿命更长,尤其对于坚硬地层,防打滑效果更好。经现场试验表明:仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头较常规钻头具有更高的碎岩效率和更长的使用寿命。

孕镶金刚石取心钻头各向异性的实验研究

介绍了测定孕镶金刚石取心钻头各向异性指数的实验方法。根据实验装置的结构特点 ,同时考虑了实验过程中底部钻具组合的变形对测量钻头侧切位移的影响 ,建立了底部钻具组合的力学实验模型 ,推导出了孕镶金刚石取心钻头底端在钻进过程中的挠度和转角计算公式。在消除了钻头底端挠度对侧切位移的影响之后 ,给出了钻头各向异性指数的计算结果 ,并对其进行了讨论。结果表明 ,孕镶金刚石取心钻头的各向异性指数一般在 0 .0 6～0 12 ,其侧向切削效率很低。这说明在井眼轨迹控制中 ,不应忽略钻头各向异性的影响。

切削齿型结构对金刚石钻头钻进性能影响的仿真分析

基于有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立了孕镶金刚石钻头的三维有限元模型,研究了钻头切削齿结构对钻进性能的影响并进行现场试验验证,提出了一种基于Image-Pro Plus的应力面积分布对比方式。结果表明:同心环齿型钻头在钻进初期沿旋转方向切削齿前缘出现应力集中现象,花齿型钻头未出现明显的应力集中;2种齿型钻头在钻进后期均会不同程度出现内外径边缘靠近水口部位应力集中现象,易导致钻头内外径部位变相磨损;花齿型钻头的钻进效率要优于同心环型钻头,但是钻进寿命有所下降。

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。

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。

新型金刚石钻头的发展

介绍国内目前最先进的几种新型地质、石油金刚石钻头。对新型金刚石钻头的设计理念、制造工艺及特征进行简述,为金刚石钻头设计制造提供参考。

切削-犁削-磨削混合金刚石钻头的研制及应用

为解决常规PDC钻头在非均质硬地层中机械钻速低、钻头寿命短的问题,设计了具有多种切削结构的混合钻头。混合钻头以PDC齿作为1级切削元件,锥形PDC齿和孕镶金刚石齿作为2级切削元件,在PDC齿磨损后,锥形齿和孕镶齿参与破岩,集切削、犁削、磨削三重作用于一体,可提高钻头在复杂难钻地层中的使用寿命和破岩效率。新型钻头在青海油田东坪某井的变质砂岩和花岗片麻岩地层中进行了试验,机械钻速比常规PDC钻头提高了58.7%,具有明显的经济及社会效益。

大口径金刚石取心钻头的研究及应用

在 615mm大口径金刚石取心钻头中,采用了金刚石钻齿这一新的技术方案,介绍了钻齿结构及镶焊技术。经在黄河古贤水利枢纽坝址勘探中应用,取得了较好效果。

国际油气井钻头进展概述(二)——FuseTek融合钻头与Pexus组合钻头

NOV公司2013年向市场推出Fuse Tek融合钻头。它将PDC钻头的高钻速与孕镶金刚石钻头的耐磨性结合于一体,适宜于钻进中硬—坚硬、高研磨性地层。Fuse Tek钻头已广泛应用于刚果、厄瓜多尔、中国、哥伦比亚等国家。应用表明,该新型组合钻头比PDC钻头或牙轮钻头钻进效率提高许多,工作寿命增加1~3倍或更多。Shear Bits公司于2014年推出Pexus组合钻头。该钻头广泛应用于加拿大冰川冰碛物钻进。地层上部硬卵砾石层利用可转动硬质合金齿钻进,下部软砂岩与页岩则运用PDC碎岩。整个冰碛物地层用一个Pexus钻头一钻到底。所述3类组合式钻头（含Kymera钻头）对于未来实现＂一个钻头,一口井＂的目标有重要意义。

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。

高研磨性地层复合式钻头的研制与应用

金山气田、龙凤山构造、长岭断陷等登娄库组以下深部地层可钻性差,研磨性强,导致钻头磨损严重,使用效率低。在对牙轮钻头、PDC钻头及孕镶金刚石钻头在高研磨性地层中的适应性进行细致和全面分析的基础上,提出了把PDC钻头机械钻速高和孕镶金刚石钻头进尺多的技术优势相结合的研制思路,开展PDC+孕镶复合式钻头设计。现场应用取得了良好的试验效果。提出了合理化的建议。

哈萨克斯坦阿克纠宾地区全井筒钻井提速综合技术

哈萨克斯坦阿克纠宾项目位于滨里海盆地东缘,其复杂碳酸盐油气藏普遍存在上部地层蹩跳钻严重、井斜控制难和下部高研磨性灰泥岩,机械钻速低等问题突出,通过开展钻井提速工具的集成与应用,形成了该地区以垂直钻井、个性化钻头、复合钻进、旋冲钻井为主的提速综合技术。在阿克纠宾项目各油田进行了推广应用,取得了较好的提速效果,与常规钻进方式钻进对比,垂直钻井技术提速1.6倍,个性化锥形齿PDC钻头配合高速螺杆技术在直井与水平井均提速1倍以上,旋冲钻井配合个性化PDC钻头技术提速2~3倍,孕镶金刚石钻头配合涡轮钻井技术提速2倍以上。鉴于滨里海盆地具有很强的地层规律性,所形成的钻井提速技术和方法在全盆地其他油田具有较强的指导和借鉴意义。

高速涡轮钻井技术在扎纳诺尔油田应用实例

国外公司已经研制成功高转速孕镶金刚石钻头,高速涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井技术已经成熟。针对哈萨克斯坦扎纳诺尔油田三开井段地层研磨性极强,可钻性差的情况,在T-1井和DZH-1井进行了高速涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井试验,旨在提高机械钻速。试验证实,高速涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井技术在扎纳诺尔油田三开井段中可以极大提高机械钻速,有效缩短钻井周期,具有良好的推广使用价值。