具有独立缓冲结构的PDC—牙轮复合钻头研制

油气勘探开发过程中,难钻地层钻井效率低、钻头寿命短是影响深井、超深井钻井周期和成本的瓶颈问题。钻头工作过程中切削结构轮流与井壁接触而产生的多边形效应是导致钻头不稳定工作、切削齿冲击失效的主要因素。为提高钻头工作稳定性,提出了具有独立缓冲结构的PDC—牙轮复合钻头新结构,并针对四川盆地茅口组Ø311.2 mm井段常规PDC钻头冲击失效严重的问题,设计了3+3+3型(3个主刀翼、3个牙轮以及3个独立缓冲刀翼)的独立缓冲结构复合钻头,开展了全尺寸钻头室内钻进对比实验,并在川渝页岩气区块茅口组—栖霞组地层进行了实钻应用。研究结果表明:①独立缓冲结构复合钻头在常规复合钻头的牙轮切削结构和固定切削结构之间的空隙部位增设独立缓冲刀翼,有效缓解了多边形效应,对PDC齿形成很好的缓冲保护,同时分担了过大的钻压,限制了切削齿吃入深度,进而防止了钻头产生粘滑振动;②独立缓冲结构复合钻头钻压和扭矩波动小,扭矩为PDC钻头的1/5;③独立缓冲结构复合钻头取得了单只钻头进尺170 m的记录,比邻井同层位单只PDC钻头最高进尺提高了73.5%。结论认为,独立缓冲刀翼对提高钻头的稳定性起到了关键作用,不仅提高了钻头寿命,而且有效提高了复杂难钻地层及复杂结构井的综合钻井时效,有效降低了油气勘探开发成本。

降低井底岩石抗钻能力的钻速提高方法研究及钻头设计

为解决深部地层岩石硬度大、研磨性强、地应力高及可钻性差导致的钻头破岩效率低、钻井速度慢的问题,在分析现有提速技术的基础上,提出了释放地层应力、降低井底岩石抗钻能力的钻井提速新思路,基于该思路设计了井底应力诱导卸荷钻头、聚能攻击卸荷井底应力钻头、差压式钻头、中心差压式钻头、诱导卸荷与磨料射流联合作用钻头、阶梯式钻头和自激轴冲与诱导卸荷耦合破岩钻头等7种新式钻头。通过室内试验、现场试验,验证了其中2种钻头的提速效果:中心差压式钻头在室内试验中提速30.01%,现场试验最高提速318.11%;诱导卸荷与磨料射流联合作用钻头在室内试验中钻进石灰岩和红砂岩时分别提速59.0%和336.0%。该方法的提出及钻头的研制,为解决深部难钻地层的提速问题提供了新途径。

万米深井上部大尺寸井眼钻柱动力学特性研究

油气勘探已向更深、更复杂的超深层的万米勘探新领域推进,但上部大尺寸井眼给万米深井的钻井提出了巨大挑战:岩石硬和返速低导致钻速慢,大尺寸井眼内剧烈振动导致钻具裂纹多发,钻压小则钻速慢,钻压稍大则下部振动快速加剧从而导致大尺寸钻具使用寿命远低于预期。为此,在对比研究了深地川科1井(以下简称SDCK-1井)和毗邻8000 m超深井上部井段钻柱振动问题基础上,基于全井钻柱系统动力学模型和数值仿真方法,针对性研究了大尺寸井眼中的钻柱动力学特性。研究结果表明:①井眼尺寸越大,钻头和下部钻具的振动越剧烈,SDCK-1井二开大尺寸井眼与邻井中等尺寸井眼相比(井深500 m处),其钻头及下部钻具振动强度均值分别增加了48.0%和41.5%,比SDCK-1井三开中等尺寸3000 m井深的钻头及下部钻具振动强度均值分别高了29.0%和2.9%;②相同井眼尺寸和岩石特性情况下,下部钻具组合比钻柱整体长度对钻头振动的影响更大,优化下部钻具组合能够明显改善钻头振动,保护钻头,同时还可以提高钻头破岩能量利用效率实现钻井提速;③在大尺寸井眼中钻头破岩激励向上传播,横向振动衰减慢于轴向振动衰减,大尺寸钻头扭矩更大且钻压和扭矩波动更加明显,因此从保护下部钻具的角度出发,大尺寸井眼钻具组合对抑制横振更加有效;④大尺寸井眼中下部钻具弯矩和弯矩波动更大,现场频繁出现的钻具裂纹除受控于整体振动强度较大以外,交变弯矩是裂纹发生的重要原因。结论认为,该研究成果揭示了超深井大尺寸井眼中钻柱的动力学特性,指出了应着重控制横振和交变弯矩,该认识可以为超深井上部大尺寸井眼钻井提供技术指导。

差压步进钻头提高破岩速度原理及现场试验

井底岩石承受较大的原地应力作用,且随着井深增加原地应力呈增大趋势。原地应力的存在增加了岩石的压实程度,导致岩石坚硬、可钻性差、研磨性强等问题,成为破岩工具切削效率低、使用寿命短和钻井速度慢的最主要原因之一。针对此背景,提出释放井底部分原地应力弱化地层抗钻特性提高破岩速度的理念,研发一种可释放井底部分原地应力弱化地层抗钻特性且能够集中钻压强化攻击能力的差压步进钻头,该钻头充分利用钻井过程中的井底钻压波动,实现扩眼钻头与领眼钻头钻压动态分配及钻进过程交替进行的目标,通过弱化地层、强化攻击及转化振动三重效果提高破岩速度。为验证差压步进钻头的应力释放效应,建立三维流固耦合的阶梯井底应力场模型,并在江苏油区某区块砾石层井段开展3口井的实钻试验。结果表明:阶梯井底能够使阶梯处岩石更易破碎;小直径领眼钻头应力释放效果较好;随着地层深度的增加,差压步进钻头应力释放效果更加显著,应力释放比约为60.2%;差压步进钻头提速效果显著,砾石层钻速较牙轮钻头提升可达161.89%,最高提速318.11%。

顺北油气田二叠系火成岩钻井技术研究与应用

塔里木盆地顺北区块二叠系火成岩地层厚度大、硬度高、裂缝发育、非均质性强,导致机械钻速低与堵漏耗时长,相比邻区平均钻井周期增加达1.5倍。近几年,通过持续强化钻井液堵漏技术与优选高效钻井工艺,漏失量与堵漏时间逐步缩短,钻井指标逐年提高。本文分析了影响堵漏时间长与机械钻速低的主控因素,提出堵漏浆中加入竹纤维、变形颗粒以改善堵漏工艺技术,明确了冲击工具的适用条件,优选攻击性与抗冲击性的PDC钻头,改进混合钻头结构以及配套大扭矩、长寿命螺杆等技术对策,提速降本成效显著,为加快顺北油气田的高效勘探开发提供了指导。

井底流固耦合环境下PDC钻头切削齿冷却仿真实验

PDC钻头已成为开发深部资源的主体钻头,但在钻井过程中产生的热损伤是影响钻进效率及钻头寿命的重要因素之一。该文针对PDC钻头切削齿热损伤问题,开展基于不同影响因素的井底流固耦合环境下切削齿冷却仿真实验。建立了PDC钻头井底冷却流固耦合模型,结合实际钻井工况制定了数值仿真方案,根据仿真实验结果分析了井底流固耦合环境中不同影响因素下钻头切削齿的温度变化规律,并通过正交试验对钻头冷却效果与各影响因素间的敏感性进行了评价。切削齿冷却敏感因素从大到小依次为:钻井液排量>钻井机械参数、钻井液温度>地层温度。研究成果为探索井底工况下钻头破岩过程中切削齿热损伤问题和优化PDC钻头设计提供了理论依据。

新型单水口PDC钻头在铀矿地质钻探中的适用性研究

北方地区铀矿地质钻探施工地层大多为砂泥岩,在钻进过程中,冲洗液固相含量较高、孔底净化困难,严重降低钻探施工进尺效率以及成孔质量。为了提高铀矿地质钻探的效率,改善孔底净化条件,设计和研制一种新型3翼单水口PDC(Polycrystalline Diamond Compac,聚晶金刚石复合片)钻头,通过数值模拟验证该钻头在结构与材料方面的可靠性;通过流体场模拟验证该钻头水路结构设计的合理性;通过现场4个钻孔试验,并与传统4翼多水口PDC钻头钻探指标进行对比,验证该钻头在实钻中能够更快在泥岩地层钻进,提高机械钻速约20%,且能预防较为严重的烧钻事故。新型3翼单水口PDC钻头在铀矿地质钻探中具有较强的适用性和推广应用价值。

基于热应力PDC钻头胎体断裂失效分析及试验研究

聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在陇东致密油井作业时出现胎体裂纹和刀翼断裂的问题,严重影响了整个钻头的使用寿命和钻井时效。针对此问题,通过理化性能试验,分析PDC钻头胎体化学成分、力学性能、硬度和金相组织,采用电子显微镜扫描和能谱分析,对PDC钻头裂纹断面的物质进行定量。基于热-弹塑性理论,建立PDC钻头胎体热应力模型,探究预热温度和银钎焊温度对PDC钻头胎体的影响,提出了PDC钻头制造工艺改进措施,开展了现场试验。结果表明:热应力是引起PDC钻头开裂的根源,残余应力和组织应力共同作用是PDC钻头开裂的直接原因;PDC钻头胎体残余应力主要集中在刀翼根部和水眼部位,以1、4号刀翼和3、5号水眼最为显著;PDC钻头胎体与复合片钎焊温度过高会产生较大残余应力,钎焊温度在700℃、胎体预热温度在380℃为宜;改进预热温度和钎焊温度后的PDC钻头施工并未有断裂异常,可以安全作业。

基于正交切削理论的PDC钻头切削齿动态破岩温度分布

在油气钻探过程中,PDC钻头的动态破岩行为表现出高度的非线性特性,这一过程涉及复杂的位移场与温度场的耦合问题。在切削过程中,由摩擦产生的热量在切削齿上积聚,导致切削系统的温度显著上升。过高的温度会加速切削齿的磨损,甚至可能导致切削齿失效,从而对钻井效率产生负面影响并增加钻井成本。为了预测和分析PDC钻头切削齿破岩过程中的温度分布规律,并揭示其动态破岩特性,基于正交切削理论和岩石弹塑性力学,构建三维耦合位移场-温度场模型,用以模拟PDC钻头切削齿在破岩过程中的非线性动力学行为,分析不同切削参数和结构参数下切削力的大小和温度分布规律。研究结果表明:切削齿的高温区位于切削刃附近的椭圆区域内,且角度在以切削刃为中心的90°~230°范围内;最佳的切削深度为0.001 m,前倾角优选为7.5°。此类参数设定可降低切削齿的磨损,同时避免高温失效,从而最小化切削力和最高温度。本文所提方法为研究PDC钻头整体结构设计和切削齿热损伤提供了理论依据和分析方法,使设计出的PDC钻头对复杂地层具有更好的适应性。

鄂西地区颚鹤页3井钻探施工技术

页岩气参数井颚鹤页3井位于湖北恩施湘鄂西褶皱带宜都-鹤峰复背斜鹤峰向斜,钻探的主要目的是主探二叠系大隆组台盆相沉积页岩气,兼探栖霞组混积陆棚相沉积页岩气,设计井深2300 m,完钻井深2326 m。本文介绍了颚鹤页3井的钻探施工情况,针对地表浅层嘉陵江组的失返性漏失处理,防斜打直弯壳体螺杆钻具组合设计,孤峰组和茅口组高硬度硅质灰岩钻头选型等方面开展研究,提高了钻进效率,完成了中国地质调查局自主组建钻井队伍实施的第一口页岩气参数井,获取了目的层岩心实物资料,实现了鄂西地区二叠系大隆组页岩气、栖霞组油气调查新发现,拓展了鄂西地区二叠系页岩气勘探新区和新层系,对鄂西地区页岩气调查评价与开发提供了重要技术支撑。

井研-犍为地区难钻地层钻头优选及应用

井研-犍为构造位于川西南坳陷铁山-威远穹隆带构造西南部,陡坡寺、龙王庙、沧浪铺地层可钻性差,已钻8口井普遍存在钻井周期长、机械钻速低的问题。对难钻地层进行露头采集,进行岩石力学分析,认为前期对该地区地层抗钻特征认识不清楚、钻头选型针对性不强是导致机械钻速低的主要因素。针对目前该区块钻井提速面临的主要问题,定量评价了难钻地层的抗钻特征,提出了钻井提速优化技术方案:二开优选6刀翼聚晶金刚石复合片钻头配合大扭矩等壁厚螺杆,强化钻井参数,提升破岩效率;三开优选混合钻头,利用牙轮齿的冲击压入作用和聚晶金刚石复合片钻头齿的剪切作用,提升在难钻地层中的定向效率。通过实施上述方案,同JS103HF井相比,JS103-4HF井难钻地层平均机械钻速提高75%,三开钻井周期同比缩短50.6%,提速效果显著,对加快该区块的油气勘探开发进程具有重要意义。

钻削车用CFRP材料的DLC涂层合金钻头的性能研究

汽车碳纤维材料的钻孔加工面临钻头寿命短、加工质量差的问题。DLC涂层具有摩擦系数低、表面硬度高的优点,可以有效地提高切削刀具的使用寿命。通过对无涂层、DLC涂层、Cr/W-DLC/DLC涂层和Cr/CrN/DLC涂层的4组整体硬质合金钻头样品的对比测量,采集不同涂层的摩擦系数和表面硬度以及表面粗糙度数据,得出所有DLC涂层都有低摩擦系数和可改善表面粗糙度的优点。同时对4组样品进行钻孔性能测试,采集钻削扭力、钻削温度、钻削速度以及钻头刃口的磨损量等数据,发现Cr/CrN/DLC复合涂层能有效地提高加工CFRP钻头的使用寿命,其平均寿命是无涂层钻头的2.65倍,且性能稳定。

智能钻完井装备技术研究进展

我国已成功钻成万米以上超深井,在钻完井装备技术上有了更深入的突破,标志着我国在石油勘探开发领域迈出了重要的一步。当前,对提高钻井效率、保障安全性的迫切需求愈发凸显。智能钻完井技术凭借其高钻井效率和安全性的显著优势,成为解决这些挑战的核心技术。通过融合先进的自动化控制、实时数据监测以及机器学习技术三方面要素,可有效地优化钻井操作,提高作业效率,大幅提升钻完井的安全性。综述了智能钻完井装备技术的发展现状,提出了自动化控制、实时数据监测、机器学习技术三位一体的研究方法,重点分析了国内外智能钻头、智能导向工具、智能钻杆、智能滑套以及智能钻机等创新设备的发展历程与技术进步。建议未来通过人工智能、智能优化算法以及国内外合作等多极为支撑,实现智能钻完井装备技术三位一体的全面发展。

BH-N型不提钻换钻头钻进技术研究与应用

地质钻探施工时起下钻更换钻头,需要占用大量时间,且存在一定的安全隐患,大大影响钻探效率,采用不提钻换钻头钻进技术可以很好的解决这个问题。以N规格绳索取心钻杆为使用平台,沿用BH-75钻具基本结构,并针对其存在问题,研制BH-N规格的不提钻换钻头钻具,同时根据N规格钻具的具体结构完善BH-75钻具,提高了钻具的承压能力和钻具收敛(投送)稳定性,增设了自动除沙机构等。在山东乳山金青顶金矿ZK43-1钻孔进行了现场应用,在孔深2081.20~2211.40米实现了不提钻换钻头,钻具岩心采取率达到100%,岩心质量好,最大限度减少起下钻次数,有效预防起下钻引发孔内事故。不提钻换钻头钻进技术为深孔地质勘探中钻进强研磨性、打滑、软硬频繁交替等地层,提供了及时优化钻头使用方案,降低能源消耗,有效的保护孔壁安全和减少劳动强度。

贵州省贞丰县金矿勘查小口径定向分支钻进技术

贵州省贞丰县者相二金矿勘查是贵州省重点矿产资源大精查项目之一,该金矿设计的ZK61724孔因位于某Ⅰ级水源保护区内而无法施工。为解决该问题,采用“小口径定向分支钻进技术”,从邻近的ZK61708孔内实施定向分支孔,由地下深处侧向钻进至ZK61724孔目的层,精确命中靶区,达到勘查目的。在贵州省中硬岩地层开展小口径定向分支钻进试验研究,取得以下成果:(1)钻头选型:侧钻分支开窗阶段使用表镶金刚石钻头效果最优,增斜稳斜钻进阶段使用平底PDC钻头效果最优;(2)造斜工具弯度选择:侧钻分支开窗阶段选用1.5°~2°弯外管效果最好,增斜稳斜钻进阶段采用有线随钻测量时选用1°~1.5°弯外管效果最好,采用无线随钻测量时选用0.5°~1°弯外管效果最好;(3)使用绳索取心钻杆,安全造斜强度控制阈值为6°/30 m;(4)电磁波无线随钻测量仪性能稳定,有线光纤陀螺随钻测量仪减震机构有待改良完善。小口径定向分支钻进技术能促进勘查理念和方式的革新进步,从源头上落实绿色勘查少破坏的理念,有效节约钻探成本。本文阐述小口径定向钻进的技术要点,可为该技术的推广应用提供借鉴。

近钻头随钻测量系统天线参数试验优化研究

近钻头随钻测量系统能够有效避免传统随钻测量系统所面临的数据滞后问题,而天线的参数设计及优化是提高信号传输距离及稳定性的重要因素。本文对某近钻头随钻测量系统的天线参数展开优化研究,通过试验探讨了天线线圈直径、线圈匝数、负载及磁芯等参数与信号传输距离之间的规律。试验结果表明发射线圈匝数为100匝及线径为0.8 mm,接收线圈为180匝及线径为1 mm,且需引入二级功率放大电路并采用铁氧体磁芯或磁片时,信号传输距离及稳定性最优。相关研究成果可为近钻头随钻测量系统天线的优化设计提供理论依据和实践指导。

关于PDC钻头设计的分析研究

钻探工程中使用钻头的类型很多。近年来,金刚石复合片(PDC)钻头得到了广泛的利用,取得了很好的技术经济效果。但是,对于PDC钻头设计的研究工作不够充分,需要进一步加强,以便取得更好的技术经济效果和更好地推广使用。俄罗斯钻探工作者在这方面做了很多研发工作,获得多项发明专利,取得了较好的成果。以其中3个专利为切入点进行分析研究,包括切削型双节翼片式钻头、稳定型钻头、PDC螺旋状排列钻头。这些成果有较好的使用价值和推广前景,建议我国对此进行研究和试验。

新型耐磨损ONYX切削具制作的PDC钻头

PDC钻头在石油天然气钻井和地质勘探钻进中得到了广泛的应用,取得了很好的技术经济效果。但是,钻进中产生的PDC切削具非正常磨损,影响了这种先进方法的机械钻速和钻头进尺的提高。俄罗斯史密斯钻头(Smith Bits)公司研发了一种钻进过程中可以沿着自身轴线回转的ONYX切削具,抑制了PDC切削具的非正常磨损,具有创新性和实用价值。НecкopoMныx B.B.教授等对镶有ONYX切削具的钻头的结构和性能参数进行了分析研究。试验表明,这种ONYX切削具的耐磨性比常规固定式PDC切削具的耐磨性好,钻头钻进效果也比较好,俄罗斯正在积极推广使用,建议中国有关专家和部门对此进行研究和试验。

溱潼凹陷红页201井组钻完井关键技术研究与应用

溱潼凹陷红页201井组以定向井方式开发页岩油,通过井身结构优化,形成二开制(变径)井身结构,优选高效钻头复合钻井技术(PDC)钻头实现钻井提速,使用偏心扩眼器应对上部井段缩径问题,优选高性能水基钻井液体系维持井壁稳定,实现红页201井组高效钻完井。

水平定向钻进坚硬地层孕镶金刚石钻头的研究与应用

针对水平定向钻进坚硬地层效率低的问题,通过利用FeCoCu预合金胎体的硬脆性以及硬质颗粒碳化硅弱化胎体的特点,提高钻头的自锐性。采用分层结构设计,将高、低耐磨性胎体层沿钻头径向方向交替排布,其中高、低耐磨性胎体层厚度分别为2.5~3.5 mm和1.0~1.5 mm,可实现高、低耐磨性胎体层同步磨损,提高钻进效率。将FeCoCu预合金胎体和分层式胎体结构相结合,研制的孕镶金刚石钻头成功应用于水平定向钻进勘察工程坚硬钾长花岗岩地层,平均机械钻速0.8~1.5 m/h,钻头使用寿命为30~40 m。与普通同心圆尖齿钻头相比,机械钻速提高约1倍,寿命提高30%以上。