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。

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。

PDC钻头钻井提速关键影响因素研究

为了在钻井工程中发挥出PDC钻头的最大功效,通过理论分析、室内试验、案例分析、现场试验等,探讨了高钻压、高转速等钻井参数强化对PDC钻头钻速和磨损的影响规律,同时分析了PDC钻头的磨损机理与过早失效主因。研究结果表明:1)钻压是影响PDC钻头机械钻速的直接和首选因素,当钻头处于高效破岩状态时,无论钻遇一般地层还是硬岩地层,钻压与机械钻速均应呈线性关系;钻遇均质硬岩地层时,建议将200 kN以上高钻压纳入PDC钻头的常规应用参数;2)提高转速可实现钻井提速,虽然高转速会加剧PDC钻头的磨损,但目前切削齿的质量足以满足PDC钻头在高转速(400~500 r/min)下长时间钻进多数地层的需求;3)布齿密度对钻头机械钻速有影响,但并非直接因素,只要“吃得进去,切得下来,排得及时”三者建立动态平衡,即便是高布齿密度PDC钻头也可以实现优快钻进;4)PDC钻头破岩效率越高,钻头磨损会越小,如提高钻压,会增大切削齿吃入深度、减少钻头磨损;5)动态冲击和低效破岩是造成PDC切削齿和钻头过早失效的主因,实现PDC钻头高效钻进的核心是提高破岩效率与抑制钻头振动。该研究结果对PDC钻头合理使用与钻井提速技术创新具有参考意义。

PDC钻头布齿技术研究综述

PDC (polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头是当今油气钻井领域的主要破岩工具,具有耐磨性高、机械钻速高和破岩效率高等优点。PDC切削齿作为切削单元,决定了PDC钻头的破岩性能。PDC钻头布齿的目的是确定每颗PDC切削齿在钻头上的空间位置,使得钻头在钻井破岩时具有优良的性能和可靠的寿命。基于不同布齿技术设计的PDC钻头在钻井过程中表现出不同的破岩性能。因此,PDC钻头布齿技术得到了国内外学者的广泛关注。现已有大量学者针对PDC钻头自诞生以来的布齿技术做了相应研究,但目前仍缺乏系统性的总结。为此,以近年来国内外关于PDC钻头布齿技术的文献为基础,总结了PDC钻头自诞生以来的布齿技术的发展历程,主要包括早期布齿阶段、经典布齿阶段和现代布齿阶段。通过对PDC钻头布齿技术发展历程的分析与总结,指出复合PDC钻头、兼容智能化PDC钻头、长寿命PDC钻头、力平衡PDC钻头、冲击与振动下PDC钻头以及特殊地层下PDC钻头的布齿技术是未来的发展趋势。研究结果可为后续的PDC钻头布齿技术研究提供一定的参考,有望推动PDC钻头布齿技术的进一步发展。

砾石层异型齿PDC钻头的设计及现场试验

塔里木盆地库车山前盐上砾石层发育,砾石含量高、粒径大、抗压强度高,地层可钻性差,钻速慢,井下复杂多。为此,文章针对山前盐上大段砾石层进行了地层砾石层特征和钻头失效模式分析,并在此基础上进行了PDC钻头的异型齿结构设计、优化布齿及冠部形状等设计,形成抗冲击、强攻击性的异型齿PDC钻头设计方案,从而提高了PDC钻头的抗冲击、抗涡动及破岩效率,有效扩大钻头在砾石层中的适用范围。钻头在山前高含砾地层进行了现场试验,取得了优异的应用效果,单只钻头平均进尺达到530 m,平均机械钻速达到4.28 m/h,同比邻井在该地层钻井效果最好的10只PDC钻头的单只钻头进尺提高了42%,平均机械钻速提高了52%,成功解决了塔里木盆地库车山前盐上砾石层钻井的低机械钻速及短进尺的问题。

Penetration and impact resistance of PDC cutters inclined at different attack angles

In order to develop a rotary percussive bit with diamond enhanced cutters assisted by high pressure water jets, it is necessary to study the damage mechanism and the penetration properties of PDC cutters subject to different impact load level and rock types. Therefore the impact experiments of the single PDC cutters with different attack angles in four rocks: black basalt, Missouri red granite, Halston limestone, and a very soft (Roubidoux) sandstone were carried out, and the effects of rake angles of PDC cutters on both the penetration and impact resistance of PDC cutters have been discussed in detail. Test results show that a PDC insert can withstand a very strong impact in compression but is easily damaged by impact shearing, the PDC cutters are more easily damaged by shearing if the attack angles are relatively small, the 45? PDC cutters have the least penetration resistance among the cutters tested. Thus it is suggested that the attack angles of PDC cutters should be larger than 30? for bits which must withstand impact from a hammer.

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。

扇形齿PDC钻头破岩机理及工作性能仿真分析

为探究扇形齿破岩机理,开展了扇形齿切削破岩试验和仿真,利用数字化仿真分析了扇形齿PDC钻头工作性能。分析结果表明:随着前倾角的增大,扇形齿切削力及破碎比功先减小后增大,前倾角15°为扇形齿较优工作角度;扇形齿切削力随切削深度增大而增大,而破碎比功对切削深度变化敏感性不高,1.5~2.0 mm为扇形齿较优切削深度;岩石强度对扇形齿切削载荷和切削效率的影响较大,较常规切削齿,扇形齿具有较小的切削载荷,更强的侵入能力,同时能够保证一定的切削效率;扇形齿PDC钻头工作稳定性好、磨损均衡性适中、侵入能力较强,能够有效增强目标地层钻头稳定性、减轻钻头异常振动、提高钻进效率。仿真研究揭示了一定的扇形齿切削规律,为PDC钻头布齿结构优化提供了参考。

PDC切削齿直径对切削力的影响规律研究

针对不同地层岩性特点,需进行个性化PDC钻头设计,其中PDC切削齿的直径是重要的钻头优化设计参数之一。为了探究不同PDC切削齿直径对破岩切削力的影响,通过室内模拟试验方法进行研究。试验所用岩样为石灰岩。单齿破岩试验选取了ø13.44、ø15.88、ø19.05、ø21.95 mm的常规圆柱状PDC切削齿和3个不同的切削深度作为试验变量,使用三轴力传感器记录了切削力数据并收集了岩屑,对比了不同试验条件下单齿破岩过程的机械比能和不同直径切削齿的攻击性;使用水平钻机进行了全尺寸钻头破岩试验,对比了3种不同PDC切削齿直径的钻头在3 mm左右吃入深度下的破岩机械比能。试验结果显示:PDC切削齿的破岩切削力并不随着直径的增大而增大;在相同吃入深度下,ø19.05 mm齿的破岩效果最好;随着吃入深度的增加,切削岩石所需要的力变大。全尺寸钻头破岩试验结果表明,ø19.05 mm齿的全尺寸钻头机械比能最低。分析认为,在破岩过程中,PDC切削齿直径会改变岩石内部产生的应力区域,影响PDC切削齿的破岩效果。选取与岩性匹配的PDC切削齿直径能够取得最优的破岩钻进效果。研究结果可为PDC钻头优化设计提供部分理论指导。

PDC钻头在砾岩地层中的破岩机理与适应性分析

PDC钻头在非均质砾岩地层钻进时,不能仅通过磨损来进行优选,应当明确其破岩机理,从而对其应用效果欠佳的情况给予指导。为此,通过有限元软件建立非均质砾岩模型,对PDC单齿破碎砾石地层进行模拟,明确破岩机理,并提出优选建议。分析结果表明:切削齿在砾岩地层切削时,对小粒径砾岩影响切削力的主控因素为胶结物和基质强度,对大粒径砾岩影响切削力主控因素为砾石本身的固有剪切强度;在砾岩地层中,切削齿齿形推荐选用斧形齿,其半径尽量与砾石尺寸相匹配,且优先选择大厚度齿,选择二级、螺旋布齿可减轻单齿的损伤;可以通过优选新型异质材料来改善切削齿力学性能。研究结论可为提高PDC钻头在砾岩地层中的适应性提供理论支撑。

适用于深层硬塑性泥岩的异形齿PDC钻头设计

随着油气勘探开发向深层、深水、非常规领域发展,钻遇地层越来越复杂,其中深部泥岩地层在钻进过程中表现出极强的硬塑性特征,导致切削齿难以吃入地层、钻头机械钻速缓慢。针对硬塑性泥岩地层提速难题,开展了聚晶金刚石复合片钻头(PDC)切削齿模拟破岩试验,对比分析了多种异形齿的破岩效果。研究结果表明,弯刀齿的破岩效率最佳且兼具一定的耐用性,在胜利罗家油田硬塑性泥岩地层实现机械钻速最高提升116.4%;斧形齿和弯刀齿交错布齿钻头设计适用于砂泥互层等深部复杂地层,在准噶尔盆地永进油田实现机械钻速最高提升215.7%。讨论了硬塑性泥岩地层潜在的提速措施,建议采用“尖锐突破,平面推进,小齿密刮”的钻头设计原则,以实现高效破岩钻进。研究成果为硬塑性泥岩地层PDC钻头优化设计提供了参考。

PDC 钻头齿的破岩机理和性能测试方法研究现状

聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)钻头,是钻井工程中主要破岩工具之一。PDC钻头切削齿的破岩效率、耐磨性、热稳定性和抗冲击性等性能指标对PDC钻头的使用效果影响很大,相关研究在国内外备受关注。本文总结了国内外有关PDC钻头齿破岩机理和性能测试的实验装置、测试方法等代表性成果,按照PDC钻头齿与岩石相互作用的方式,相关实验主要包括5大类:PDC钻头齿直线切削实验、旋转切削实验、落锤冲击实验、PDC钻头单齿静压实验以及全尺寸PDC钻头实验;按照测试目的,又可分为PDC钻头齿的破岩机理和性能测试2大类。通过调研分析这些实验研究的优缺点,以期为PDC钻头齿的研究与优化、PDC钻头的整体个性化设计等提供参考。

硬地层PDC钻头切削齿尺寸及后倾角优化设计

PDC钻头是目前石油钻井中使用较为广泛的一种破岩工具,但其在硬地层中的使用效果不佳,钻进效率低,使用寿命短。PDC钻头的切削齿尺寸、后倾角等是影响其钻进性能的重要参数,通过室内微钻头试验,综合考虑硬地层PDC钻头布齿设计中切削齿的重叠和覆盖情况,以相同钻压下微钻头在岩样表面旋转一周的切削深度作为评价其破岩效率的指标,分析了切削齿尺寸、后倾角等对硬地层PDC钻头破岩效率的影响。结果表明:在钻进可钻性超过Ⅵ级的硬地层时,切削齿尺寸越大,其破岩效率越低;钻进可钻性为Ⅵ—Ⅶ级的硬地层时,13.44mm切削齿的破岩效率最高,其最佳后倾角为15°。

PDC钻头钻进仿真系统数字化方法研究

PDC钻头和岩石的数字化技术是PDC钻头钻进仿真系统的关键技术之一。介绍了PDC齿、井底和井壁的数字化方法,分析、对比了PDC齿不同数字化方法的优缺点,研究了PDC齿、井底和井壁表面上各离散点坐标的计算模型,并在Matlab环境下实现了钻进仿真系统几何模型的可视化。为利用数字仿真技术研究复杂钻进条件下PDC钻头与岩石的相互作用关系奠定了基础。

小井眼PDC钻头的自平衡抗回旋技术

针对小井眼PDC钻头的实际工作条件 ,提出了在小井眼钻井中具有普遍意义的PDC钻头的横向力自平衡抗回旋技术。分析了钻头的受力状态与钻头回旋运动之间的关系 ,并对自平衡抗回旋技术的基本原理、设计方法和技术准则作了阐述。将该技术应用到小尺寸PDC钻头设计中 ,开发出可在直井、定向井以及水平井等各种小井眼钻井中使用的新型直径为 114mmPDC钻头。简要介绍了该钻头的设计原理、结构特点和重要的技术参数。小井眼PDC钻头在大港油田直径为 14 0mm套管开窗侧钻井的钻井工程中取得了良好的技术效益和经济效益。磨损分析结果表明 ,切削齿磨损速率低 ,磨损量均衡 ,聚晶金刚石层未见明显的脆性崩裂 ,具有良好的抗回旋性能。

异形齿切削破碎页岩的试验与数值模拟研究

针对PDC钻头在页岩气钻井中破岩效率低和寿命短的问题,开展异形齿切削破碎页岩机理研究。选用凹面齿、斧形齿、三棱齿等典型异形齿开展切削页岩过程、切削载荷的试验研究,利用数值模拟分析异形齿切削过程中岩石的损伤特性。试验结果表明:切削齿切削页岩过程中,出现了镜面和“卷屑”等硬塑性特征;凹面齿切削载荷和破岩比功小于其他齿型;平面齿和三棱齿随着前倾角的增加,切削载荷呈增大趋势;凹面齿和斧形齿对前倾角的变化不敏感,且凹面齿在前倾角为10°时破岩效果最好;在相同条件下,4种齿型中凹面齿形成的岩屑最大,利于破岩效率的提高。模拟结果表明:切削过程中凹面齿以“铲削”的方式破碎岩石,三棱齿和斧形齿的棱脊对岩石产生明显的挤压效果;三棱齿沿着棱脊将岩屑一分为二向两侧排出,而斧形齿在块体岩屑的中间部分形成了明显的塑性变形。研究结果可为页岩气钻井提速增效提供基础支撑。

锥形PDC单齿破岩试验研究

为优化锥形PDC齿钻头的结构设计并提高其钻进硬地层的能力,通过锥形PDC切削齿在玄武岩上的破岩试验,分析了切削角、锥顶角及钻压等因素对锥形PDC切削齿破岩效率的影响规律。结果表明:锥形PDC齿适合其锥尖指向钻头轴线安装在钻头上;随着切削角增大,切削深度先增大后减小,当切削角为25°时,切削深度最深;破碎相同体积的岩石,锥顶角小的锥形PDC齿所需的水平切削力小,更易破碎岩石;切削深度与钻压呈指数关系,随着钻压增加而增大。试验结果可为锥形PDC齿钻头结构设计提供依据。

PDC钻头的轨迹方程及切削参数计算方法

准确计算PDC钻头切削齿的切削面积、切削体积和切削弧弧长等切削参数 ,对PDC钻头的优化设计和性能分析等都具有十分重要的意义。运用空间几何和数值计算理论 ,对PDC钻头的轨迹方程和切削参数的计算方法进行了研究。建立了描述PDC钻头在井底的几何位置及运动轨迹的坐标系统 ,给出了PDC钻头的运动轨迹方程和切削齿在井底的切痕曲线方程。综合考虑了钻头冠部形状、切削齿的布置、切削齿的工作角、切削齿的形状及尺寸、切削齿的相互作用及切削齿的先后次序等因素的影响 ,提出了切削齿的切削面积、切削体积、切削弧弧长等切削参数的数值计算方法 ,为PDC钻头的计算机辅助设计和性能模拟分析提供了一种科学的手段。实例计算表明 ,模型和方法具有实用性。

PDC钻头布齿参数与地层适应性的试验研究

根据地层性质合理选择或设计PDC钻头可以显著提高钻井效率。为指导PDC钻头合理选型及个性化设计,选取21只试验钻头,在6种不同可钻性级别的岩石上进行钻进试验,研究了在钻进不同可钻性级别的岩石中切削齿尺寸、后倾角、布齿密度的合理取值问题。结果表明:(1)当岩石可钻性级别小于Ⅲ时,破岩效率随切削齿尺寸的增大而增大;(2)当岩石可钻性级别大于Ⅲ时,16 mm切削齿的破岩效率最高;(3)切削齿尺寸对破岩效率产生不同影响规律的岩石可钻性级值分界点为3.11;(4)在6种不同可钻性级别的岩石中,随切削齿后倾角增大,破岩效率均呈线性规律降低,但随着岩石可钻性级别的增大,后倾角对破岩效率的影响程度降低;(5)在不同可钻性级别的岩石中,随着布齿密度增大,破岩效率均呈幂函数规律降低。该研究成果为按岩石可钻性级别合理选择PDC钻头提供了依据。