PDC钻头数字化选型技术及软件开发

钻井过程中产生大量与地层、钻头相关的工程数据,利用大数据分析技术优选钻头能用于指导钻头的选型、设计和使用,可使钻头的选用从依赖厂家和经验,转向依据科学的结构特征分析和大数据优选。通过开展PDC钻头结构特征数字化方法研究,建立基于统计数据分析的钻头结构特征推荐与选型技术,形成以数据提取与效能分析、钻头结构特征数字化,以及钻头结构特征重构选型3项内容为核心的基本步骤和分析策略,在此基础上建立了一套PDC钻头数字化选型技术和配套软件。较常规钻头进尺与钻速对比分析选型方法,该技术重点考虑了结构特征对钻头使用效能的影响,体现了实钻工程数据对钻头选型的指导作用。应用该技术与软件开展了准噶尔盆地某区块PDC钻头选型,并进行实钻验证。应用结果表明,选用的钻头钻进中钻速和进尺显著提升,缩短了钻井周期。研究技术与成果有利于提升钻井服务技术水平,可为油气田数字化、智能化发展奠定基础。

滚轮式PDC钻头工作机理的试验研究

针对页岩气钻采中定向钻进的PDC钻头扭矩波动大、冲击振动大、工具面不稳定等问题,笔者提出一种刀翼上设置有双侧支撑的滚轮新结构钻头,通过滚轮单元破岩实验以及全钻头钻进破岩实验来开展新型钻头减扭、缓冲机理研究,主要研究6种滚轮轮廓形状、4种滚轮的吃入深度、6种滚轮径向位置、7种PDC齿相对高度等因素对新型钻头扭矩、钻压的影响规律。结果表明:6种轮廓滚轮的等效摩擦系数均低于PDC齿,且为PDC齿的18.65%~43.73%,得出滚轮减扭能力高于PDC齿;6种不同径向位置的滚轮缓冲能力均强于PDC齿,为PDC齿的1.59~9.17倍,滚轮式PDC钻头的扭矩为常规PDC钻头的71.72%~98.33%;随着滚轮与PDC齿相对高度的减小,钻头扭矩逐渐减小,滚轮钻压的占比也逐渐增加,钻头减扭能力、缓冲能力均增加,为适用于页岩气钻采的新型钻头产品设计与研制提供理论支撑。

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。

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。

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。

国内外PDC钻头新进展与发展趋势展望

PDC钻头近年来发展迅速。为了能够及时掌握PDC钻头的最新进展,系统梳理了国内外油气井用PDC钻头新进展,介绍了中国石油在新型钻头研发与应用方面的工作,进一步阐述了国内PDC钻头研发面临的形势与挑战,展望了油气井用PDC钻头发展新趋势。研究结果表明:在油气资源勘探向着万米深层进军的大背景下,仍然面临地层可钻性差导致钻头破岩效率低、砾石层引起钻头振动先期损坏、大尺寸井眼钻井周期长等严峻挑战,技术与材料革新型高效钻头、混合式钻头、自适应钻头等能够明显提高钻进效率延长钻头寿命;智慧钻头所能提供的丰富井下数据能够提高对于深部破岩机理、岩石物性的认知,对于进一步优化钻头结构、识别可能存在的油气储层等具有重要的意义。应积极借鉴和移植这些成果,尽早研发出适用于深部油气勘探或深地科学钻探等领域的高端耐用钻头。研究结果可为高端PDC钻头国产化、系列化工作和相关从业人员提供借鉴。

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。

PDC钻头钻进岩石破碎过程及其与钻进规程参数关系的分析研究

PDC复合片钻头在地质勘探和石油天然气钻井等领域得到了广泛的应用,取得了很好的技术经济效果。但是,对于其碎岩过程及其与钻进规程参数间的关系研究不够深入,影响了技术经济指标的进一步提高。俄罗斯钻探工作者在这方面做了很多工作,取得了一定效果,值得引起我们的注意。例如,他们建议,由于岩石破碎方式是变化的,所以,尽量使岩石破碎处于体积破碎状态;如果把钻头每转进尺能耗量指标作为一个评价指标考虑进去,则评价系统会更加科学和更加全面;钻头每转进尺,不是越高越好,有一个最优值,这个最优值与钻进规程参数密切相关;提出了临界钻进规程的概念,即当轴载和转速的乘积高达一定数值时,切削具温度急剧上升、钻头磨损明显加剧,冲洗液量再大也无济于事,因此,此时应该采取措施,及时调整规程参数,避免钻进过程处于临界规程状态,以便使钻进处于正常状态,继续钻进下去。

基于改进YOLOv7的PDC钻头复合片检测

复合片是PDC钻头的核心切削单元,复合片自动检测技术是复合片自动修复技术的基础.本文提出了一种基于改进YOLOv7的PDC钻头复合片检测方法,在YOLOv7的基础上,用深度可分离卷积替换了常规卷积,减少了参数量和运算成本;引入了SimAM注意力机制,不需要额外的参数便可以从神经元中推导出3D注意力权重,而且还能提高卷积神经网络的表达能力;用SPPFCSPC替换了SPPCSPC,在保证感受野不变的同时获得了速度的提升;采用K-means++算法聚类先验框,使用启发式算法定位出缺损的复合片.实验结果表明,本文算法较原YOLOv7模型mAP提高了2.75%,参数量减少了约80%,推理速度提高了9.12 f/s,且较其他算法也有较大优势,可实现复合片检测的工业应用.

深水表层PDC钻头喷射钻井技术研究与应用

深水钻井二开表层套管入泥深度增加,地层可钻性降低,φ660.4 mm牙轮钻头钻井存在机械钻速低、牙轮钻头耐久性差等挑战,亟需设计专用PDC喷射钻头进行深水表层喷射钻井。在分析?444.5 mm PDC钻头喷射φ914.4 mm表层导管技术优势基础上,针对PDC喷射作业风险、作业难点,通过钻头选型与改进、喷射水力优化、钻具优化、井身结构优化等措施构建了深水表层PDC钻头喷射钻井技术,并在南海流花、白云、荔湾等区块6口深水井取得成功应用。应用效果表明,深水表层PDC钻头喷射钻井表层二开机械钻速较常规牙轮钻头可提升2倍,可为深水表层钻井作业提供参考。

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。

浸渍合金对PDC钻头胎体性能的影响

PDC钻头胎体的浸润比对其力学性能和微观形貌的影响较大,为了探究浸渍合金对胎体性能的影响规律,采用Cu-Ni-Mn-Zn和Cu-Ni-Mn-Sn 2种浸渍合金制作不同高度的工作层和非工作层试块,得出不同浸渍合金下钻头胎体工作层和非工作层的浸润比及力学性能差异,同时利用扫描电镜对试块的微观形貌和元素含量进行分析。结果表明:试块的浸润比为定值;胎体钻头工作层的浸润比小于非工作层的,微观形貌上表现为工作层中浸渍合金的岛状组织大而分散,非工作层的岛状组织小而致密;对于同种类型的试块,通常浸润比越大密度越大;采用Cu-Ni-Mn-Sn得到的试块硬度均大于Cu-Ni-Mn-Zn试块的,但其抗弯强度和冲击韧性远低于Cu-Ni-Mn-Zn试块的。

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。

基于响应面法的仿生PDC钻头水力结构优化设计

合理的钻头水力结构能避免泥包现象发生,提升钻井效率。为完善仿生PDC钻头的水力结构,基于κ-ε湍流模型和离散相模型对4种不同水力结构方案进行数值计算,确定了最佳方案为喷嘴和辅助喷嘴结合。为确定该方案下最佳结构参数,使用响应面法建立了以喷嘴直径x_(1),辅助喷嘴直径x_(2)、喷嘴距钻头中心径向距离x_(3)为设计变量,采样点最大速度D和采样点平均速度E为目标函数的数学模型,基于回归分析对钻头水力结构进行优化设计,求出最佳参数为喷嘴直径16.36 mm,辅助喷嘴直径8 mm,喷嘴距钻头中心径向距离63.85 mm,并对该参数下的水力结构性能进行了数值计算。结果表明:优化后的钻头水力结构不仅减少了流体井底速度波动次数,且明显提升了整体速度,解决了原有的涡流现象,增强了钻井液携岩性能,减小了粒子浓度。

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。

PDC高速切削水泥塞机理研究

针对连续管在钻井作业时因钻压高、转速低导致钻头磨损严重和钻磨水泥塞效果不佳的问题,基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为固井水泥强度准则,通过单轴和三轴试验得到固井水泥弹性模量、泊松比、内黏聚力和内摩擦角等参数,建立固井水泥本构模型,并用ABAQUS软件建立高速切削水泥塞二维有限元模型,在此基础上分析了倾角、切削深度和切削速度对破碎比功的影响。研究结果表明:高速下切削水泥塞产生细小且均匀的碎屑,较低的速度切削水泥塞产生块状或者带状的碎屑;倾角(5°~25°)和切削深度(1.0~2.5 mm)与破碎比功呈正相关,而破碎比功随切削速度的增大而减小,当切削速度为2.26 m/s时破碎比功最小,破碎水泥塞的效率最高。研究结果可为PDC钻头切削水泥塞提供理论支撑。

煤矿用PDC钻头的常见失效形式分析及合理选型

目前以聚晶金刚石复合片(PDC)为切削齿的钻头是煤矿钻孔施工的主要碎岩工具。矿用PDC钻头质量的好坏及应用情况会直接制约煤矿井下钻探施工进度,影响矿井瓦斯抽采、水害防治、隐蔽地质探查等工作。矿用PDC钻头存在种类繁多、产品质量差异性大的问题,PDC钻头的应用及选型也缺乏系统的规范和正确的引导。对矿用PDC钻头在煤矿钻孔施工过程中PDC切削齿和钻头体等失效形式进行了系统归纳和原因分析,并从矿用PDC钻头优化设计、合理选型、使用注意事项等方面提出了合理意见,为提高矿用PDC钻头的应用效果提供参考。

龙凤山气田火山岩地层个性化PDC钻头设计与应用

长岭断陷龙凤山气田主力储层主要分布在火山岩发育的营城组和火石岭组。储层岩石石英含量高、研磨性强,导致机械钻速低、单只钻头进尺短,大幅增加了起下钻换钻头等非生产时间,严重制约钻井提速。本文通过开展岩石力学实验研究,利用测井资料建立并修正岩石力学剖面,开展了异型PDC齿研发和钻头切削结构设计优化,研发出一种适合该区块火山岩地层的6刀翼异形齿PDC钻头,现场应用3井次,较其他普通PDC钻头平均进尺提高42.2%,平均机械钻速提高36%,提速降本效果显著。

中东Z油田一开地层可钻性预测和个性化PDC钻头的应用

中东Z油田一开井段井眼尺寸大、井段长、地质条件复杂、钻头选型不合理,探井一般需要20多只钻头才能完钻,钻井周期长、成本高,严重影响全井的建井周期和油田的大规模开发。利用测井数据,使用地层可钻性模型预测了一开井段的地层可钻性剖面,显示出该地层可钻性波动频繁、软硬交错显著、非均质性强。在此基础上设计了将强稳定性、攻击性和水利设计相结合的个性化609.6 mm MS1963UV型PDC钻头。在后续现场试验中,该型钻头突破性地实现了1只牙轮钻头+1只PDC钻头钻完一开井段,提速最高达109.77%,钻头每米成本降幅最高达32.13%。实践证明,区块可钻性预测结果较为符合实际,个性化设计的PDC钻头能够很好地适应目标井段地层,为进一步优化改进钻头设计和Z油田的持续提速提效提供了有益的参考。

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。