复杂地层PDC钻头研究
PCD及PDC钻头在石油钻井中的应用
PCD及PDC钻头在石油钻井中的应用作者：张文敏来源：《中小企业管理与科技·上中下旬刊》 2017年第7期1 引言PCD 钻头即金刚石聚晶钻头，PDC 钻头即金刚石复合片钻头，两者在硬度上很大，因此目前在石油钻井的硬地层中得到了十分广泛的应用。
在应用PCD 及PDC 钻头对硬地层复杂地质环境的石油钻井时，虽然具备诸多优势，但在一些特殊的地质环境中却并不适用，因此对PCD 及PDC 钻头在石油钻井中的应用展开分析具有十分重要的现实意义。
基于此，文章重点就PCD 及PDC 钻头在石油钻井行业中的应用分四个部分展开了分析，提出了一些可供参考的观点和建议，以下是具体内容。
2 PCD 及PDC 钻头在石油钻井应用的特点PCD 钻头采用的是金刚石聚晶模式，在聚晶过程中采用的是黑色金属线和有色金属线材料，和一般的硬质合金拉丝模相比，其在耐用度上提升了数百倍。
因此，PCD 钻头在使用钻井中应用的主要优势，即在保障硬度的前提下耐用性极高。
目前钴是最为常用的一种PCD 钻头结合剂，其具有强度高、耐磨性好等诸多优势，同时拉丝的成本也很低，十分适用于石油钻井作业中。
PDC 钻头的优点主要集中于钻头结构简单和耐磨性高两点上。
PDC 钻头所采用的人造金刚石，其比硬质合金的耐磨性更高，在钻头构成上，切削齿是其主要部件，在工作中无需钻头自身钻头，因此PDC 钻头也被称作固定式探头。
在PDC 钻头的使用早期，主要是在一些软页岩层中使用，而随着PDC 钻头在性能和结构上的不断优化。
目前PDC 钻头已经可以在长段中硬岩地层和硬夹层中使用。
此外，PDC 钻头还有高针对性的优势，可根据钻进地层的各区块地质特征以及地层的深度采用针对性的钻进工艺，选择更为合理的钻进方案[1]。
3 PCD 及PDC 钻头应用于石油钻井中的适用地质环境PCD 及PDC 钻头在石油钻井作业的使用中，并不是所有的地质环境都可以发挥出最大的使用效果，在具体的使用过程中也需要基于不同的地质环境选择不同的PCD 及PDC 钻头类型。
煤矿复杂硬地层用胎体式PDC钻头的研制
煤矿复杂硬地层用胎体式PDC钻头的研制作者：史阿朋王志红来源：《山东工业技术》2015年第02期摘要：由于煤炭钻探和开采难度不断地增加，从而对破岩工具提出了更高的要求。
胎体式PDC钻头因其优异的综合性能，得到了越来越广泛地应用。
本文针对重庆松藻煤矿复杂硬地层的特点，研制了一种新型的Ф65mm胎体式PDC钻头，并进行了现场试验，试验结果表明：研制的PDC钻头耐磨性好，抗冲击能力强，能够有效地钻进复杂硬地层，其寿命大约是同类型钻头的1.5倍；同时在低钻压下可取得高进尺和高钻速，钻进时效可达25.2m/h，极大地提高了钻进效率，节约了钻进成本。
关键字：胎体式PDC钻头；综合性能；复杂硬地层；钻进0 前言PDC钻头，即聚晶金刚石复合片钻头，是将聚晶金刚石复合片镶焊在钻头体上而制成的一种新型切削型钻头，由于其高效优异的切削性能，广泛地应用于煤田，地质，石油等领域[1]。
按钻头体冠部材料分为胎体式和钢体式两种，相应地钻头也分为胎体式PDC钻头和钢体式PDC钻头[2]。
目前在我国煤炭行业，钢体式PDC钻头使用范围最为广泛，但是随着我国深部探矿工作的不断推进，钻孔钻进过程中遇到的地层条件越来越复杂，岩性种类也越来越多，钢体式PDC钻头的寿命和时效已无法满足钻进要求。
相对于钢体式，胎体式PDC钻头具有耐磨性好、焊接强度高、抗冲击能力强等特点，对复杂硬地层适应性强，能够取得很好的钻进效果。
为此，本文开展了煤矿用胎体式PDC钻头的研究，这对于解决我国煤矿井下复杂硬地层钻进困难、时效低等问题具有重要的指导意义。
1 PDC钻头设计目前煤矿井下PDC钻头结构形式繁多，并对使用地质条件非常敏感，因此需要针对具体使用条件进行钻头设计。
PDC钻头设计主要包括钻头冠部设计、工作角设计等。
1.1 钻头冠部设计PDC钻头冠部设计是 PDC钻头总体设计的一个重要组成部分。
冠部形状决定PDC 钻头的布齿面，因此也影响着 PDC 钻头对特定地层的工作特性。
PDC钻头钻井条件下的地质录井技术探讨
PDC钻头钻井条件下的地质录井技术探讨PDC钻头是一种常用于石油钻井的特殊钻头，它能够在复杂地质条件下高效地完成钻井作业。
地质录井技术则是用于记录和分析地层岩石特征、井壁稳定性和油气藏性质等信息的技术。
本文将针对PDC钻头钻井条件下的地质录井技术进行探讨，探讨PDC钻头对地质录井技术的影响和优化方法，以及应对PDC钻头钻井条件下的地质风险。
一、PDC钻头的特点及适用条件PDC（Polycrystalline Diamond Compact）钻头是一种利用工业合成金刚石切削岩层的钻头，其具有高硬度、耐磨损、良好的钻进速度和稳定的性能。
PDC钻头适用于钻探中硬、脆性差的地层，在钻探深度和速度上具有明显优势。
PDC钻头特点主要有以下几点：1. 高硬度。
PDC钻头具有硬度非常高的切削齿，可以快速穿过硬质地层，提高钻井效率。
2. 耐磨损。
PDC钻头的切削齿采用坚硬的金刚石，耐磨损性强，能够长时间保持切削效果。
4. 适用范围广。
PDC钻头适用于各种地质条件下的钻井作业，尤其在硬质地层和高速钻井条件下表现出色。
二、PDC钻头对地质录井技术的影响PDC钻头钻井条件下的地质录井技术面临着一些挑战和影响，主要表现在以下几个方面：1. 钻井速度快。
PDC钻头具有快速的钻井速度，地质录井过程受到了时间压力和快速变化的地层条件的影响，需要及时准确地记录和分析地质信息。
2. 井壁稳定性差。
PDC钻头在钻井过程中可能会出现井壁稳定性差的情况，需要及时调整录井技术和井壁加固措施。
3. 地层岩石特征记录不清。
PDC钻头对地层岩石进行破碎切削，有时会导致地质录井设备无法准确记录地层岩石特征，需要寻求记录技术的改进和优化。
4. 油气藏性质分析受到影响。
PDC钻头钻井可能会产生较多的岩屑，并对地层中的油气藏性质产生影响，需要对录井技术进行适当改进。
2. 适时进行录井操作。
鉴于PDC钻头的快速钻进速度，地质录井人员需要密切配合钻井工程师，适时进行记录和分析操作，确保录井数据的准确性和完整性。
适用于复杂岩性地层的PDC钻头个性化设计与应用
2441 吐哈油田复杂岩性地层钻井简介吐哈油田主要含复杂岩性地层的区块有照壁山、柯克亚、鲁克沁等，自上而下钻遇的地层有：第四系西域组、第三系鄯善群；中生界白垩系吐谷鲁群，侏罗系上统齐古组，侏罗系中统七克台组、三间房组、西山窑组，侏罗系下统三工河组、八道湾组，三叠系上统克拉玛依组、三叠系上统。
其中照壁山区块中下部地层（2500-4300m）为致密砂泥岩互层，地层可钻性较差、研磨性极强。
由于钻头在这种复杂岩性地层中钻进时受力不均引起的交变应力对切削齿造成的恶劣冲击是导致钻头切削齿破坏失效的主因。
主要表现有：金刚石复合片先期损坏，单只钻头行程短、使用寿命短、机械钻速低等。
因此，在前期钻井施工中大多采用牙轮钻头钻进的方式穿越复杂岩性地层，在此条件下施工的钻头破岩效率低、钻压较大井身质量难以控制、起下钻频繁，造成钻井周期延长和钻井费用增加，那以满足油田目前勘探开发形式下高效钻井的要求。
2 PDC钻头个性化设计研究2.1 地层可钻性研究通过在室内开展岩石力学参数实验，对岩石动力学参数和声学参数进行测定，采集照壁山、柯克亚、鲁克沁等多个复杂岩性地层发育区块的岩芯，对岩芯可钻性、研磨性实验结果和声波时差测井资料进行对比分析，建立了地层可钻性、研磨性的科学计算模型，最终形成了复杂岩性区块的PDC钻头地层可钻性、研磨性分析剖面。
2.2 钻头优化设计研究3 现场试验情况及结果分析为验证吐哈复杂岩性地层中新型PDC钻头的适应性，在照壁山、柯克亚、鲁克沁等典型复杂岩性地层区块开展了多口井的现场试验。
实践证明，新型PDC 钻头对复杂岩性地层适应性良好，机械钻速、使用寿命和单只行程有了明显的提高，使钻井周期大幅缩短、钻井运行效率显著提高。
下面例举新型钻头在照壁山区块的两口试验井中的现场应用情况及效果。
3.1 试验1井试验情况及结果分析试验1井位于红旗坎构造带照壁山区块，处于山前逆掩带，中部地层泥岩与砂砾岩互层发育，下部地层致密细砂岩与泥岩发育，夹黑色煤、泥质粉砂岩，属非均质性极强的高研磨强冲击性地层。
PDC钻头工作原理及相关特点剖析
第二章PDC钻头工作原理及相关特点PDC钻头是依靠安装在钻头体上的切削齿切削地层的，这些切削齿有复合片切削齿和齿柱式两种结构，它们的结构以及在钻头上的安装方式如图1-2所示。
复合片式切削齿是将复合片直接焊接在钻头体上预留的凹槽内而形成的。
它一般用于胎体钻头；齿柱式切削齿是将复合片焊接在碳化钨齿柱上而形成的，安装时将其齿柱镶嵌或焊接在钻头体上的齿空内，它一般用于钢体钻头，也有用于胎体钻头的。
复合片（即聚晶金刚石复合片）是切削齿的核心。
复合片一般为圆片状，其结构如图1-3所示，它是由人造聚晶金刚石薄层及碳化钨底层组成，具有高强度、高硬度及高耐磨性，可耐温度750C人们早就从实验中发现，岩石的诸力学强度中，抗拉强度最低，剪切强度次之, 而抗压强度最高，抗压强度往往比剪切强度高数倍至十多倍。
显然采用剪切方式破碎岩石比用压碎方式要容易而有效的多。
PDC钻头的复合片切削结构正是利用了岩石这一力学特性，采用高效的剪切方式来破碎岩石，从而达到了快速钻井的目的。
当PDC钻头在软到中等级硬度地层进时，复合片切削齿在钻压和扭矩作用下克服地聚品金刚石层WC底层图1-3复合片的结构图1-2切削齿在钻头上的安装方式图1-4 PDC钻头的切削方式层应力吃入地层并向前滑动，岩石在切削齿作用下沿其剪切方向破碎并产生塑性流动，切削所产生的岩削呈大块片状，这一切削过程与刀具切削金属材料非常相似（见图1-4）。
被剪切下来的岩屑，再由喷嘴射出泥浆带走至钻头与井壁间的环空运至井外。
PDC钻头因使用了聚晶金刚石复合片作切削元件而使得切削齿有很高的硬度和耐磨性。
PDC齿的缺点是热稳定性差，当温度超过700C时，金刚石层内的粘结金属将失效而导致切削齿破坏，因此PDC齿不能直接烧结在胎体上而只能采用低温钎焊方式将其固定在钻头体上。
在工作中，切削齿底部磨损面在压力作用下一直与岩石表面滑动摩擦要产生大量的摩擦热，当切削齿清洗冷却条件不好，局部温度较高时，就有可能导致切削齿的热摩损（350-700 E时，切削齿的磨损速度很快，这一现象称为切削齿的热磨损）而影响钻头正常工作，所以钻头要避免热磨损出现就必须有很好的水力清洗冷却，润滑作用配合工作，这就是要求泥浆从喷嘴流出后水力分布要合理，能有效地保护切削齿，这即是对钻头水力计的基本要求之一。
个性化PDC钻头钻井技术的研究及应用
个性化 PDC钻头钻井技术的研究及应用摘要：青海油田采气三厂尖北区块为裂缝型基岩气藏，基底为典型的花岗岩和花岗岩片麻岩，钻探井属于深井、超深井范围，在开发钻井过程中面临可钻性差，钻头磨损严重等诸多困难，影响工程进度。
基于此，制定了适应性较好的基岩气藏提速方案，通过优化钻头实现个性化PDC钻头钻井技术，切实提高了钻井速度，降低开发成本，加快产能建设进度。
关键字：基岩；钻头；个性钻头；钻井速度；Abstract: Abstract: The Jianbei block of No.3 Gas Production Plant in Qinghai Oilfield is a fractured bedrock gas reservoir with typical granite and granite gneiss basement. The drilling wells are deep wells and ultra-deep wells, and face poor drillability during developmentand drilling. Many difficulties such as serious drill bit wear affect the progress of the project. Based on this, a well-adapted speed-upplan for bedrock gas reservoirs was formulated, and personalized PDCbit drilling technology was realized by optimizing drill bits, which effectively increased drilling speed, reduced development costs, and accelerated the progress of production capacity construction.Key words: bedrock; bit; Personality drill bit; Drilling speed;1前言：青海油田采气三厂东坪区块、尖北区块、昆特依区块均为裂缝型基岩气藏，基底发育典型的花岗岩和花岗岩片麻岩，钻探井属于深井、超深井范围。
复杂地质环境下钻探施工技术
复杂地质环境下钻探施工技术的探讨[摘要]：本文总结了煤田复杂地质环境特性下的钻探施工方法，再根据具体案例用来说明钻探施工技术的可行性，并取得了钻孔施工较好的钻探效率和经济益。
[关键词]：钻探技术：复杂煤岩；施工技术；地质钻探；冲洗液；引言近年来，复杂地质钻探技术虽然有所发展。
但仍处于起步和摸索阶段，随着钻探工艺的完善，将会使复杂地层煤田钻探水平有更大的提高。
1、复杂地质环境分类根据钻探施工特点及地质情况，把复杂煤岩地层分为以下几类：（1）松散破碎地层：主要包括松散破碎和硬、脆、碎破碎地层。
较为典型的有胶结性很差的砂石和石灰岩组成的二叠纪地层，这种地层含有大量的砂岩，部分地区存在泥岩、砂岩和砾岩以及部分卵石。
受钻具振动碰撞和泥浆冲蚀作用，钻探钻孔易发生坍塌、漏失、超径等事故。
（2）水敏性地层：主要包括水化松散、水化剥落、水化膨胀和水化溶蚀煤系地层。
（3）漏、涌水地层：这类地层钻探施工护孔堵漏难度极大，漏失分大、中、小漏；涌水地层一般涌水量为10 m3/h～ 50 m3/h。
煤系地层硅质胶结，灰岩多破碎，且研磨性大，构造裂隙较发育，稳定性较差，透水性强，地下水丰富，承压水力大，钻孔缩径或涌水时有发生。
2、钻探钻孔根据地层特点和地质钻探对孔径的要求，首先进行了钻孔结构优化，尽量简化钻孔结构。
即先用d133mm的普通型pdc复合片钻头开孔。
穿过第四系松散破碎地层，下人d127mm双层岩芯套管；然后抉用d113mm普通型和加强型pdc复合片钻头钻进，穿过复杂煤岩地层，下人技术套管，以保护孔壁，导正钻孔；最后煤系地层用d108mm半合管取煤钻进。
3、冲洗液的选择3.1冲洗液根据矿田的地层特点采用清水加乳化剂做冲洗液是适宜的。
不用泥浆钻进的主要原因是：①影响钻进效率：②易烧钻；③一旦钻遇坍塌严重地层时，用水泥封孔时还需冲孔、沈孔、置换泥浆工作，否则水泥与孔壁之间不能凝固在一起，形成两层皮，达不到封孔的预期目的。
PDC钻头焊接工艺的研究
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PDC钻头钻井过程中的岩性描述归位
PDC钻头钻井过程中的岩性描述归位PDC钻头钻井是指使用多边形刀片复合钻头进行钻井作业的一种方法。
在钻井过程中，钻头通过旋转和推进的方式，不断地切削岩石，将岩石层钻穿。
岩性描述归位是指将钻井过程中遇到的不同岩石层次和岩性特征描述出来，以便对地层结构进行分析和解释。
下面将详细介绍PDC钻头钻井过程中的岩性描述归位。
在开始钻井之前，需要进行目的地勘查和地质调查，确定目标地区的地质构造和岩性特征。
根据地质调查结果，制定钻井方案，并选用适当的PDC钻头进行钻井。
在钻井过程中，钻头逐渐钻进地下，并切削不同种类的岩石层。
钻井过程中需要不断地记录下钻头所经过的地层情况，包括岩性、厚度、饱和度等。
钻井工程师会根据实时监测到的数据，对岩性进行描述。
岩石的岩性描述通常包括颜色、质地、结构和化学成分等方面。
颜色可以反映岩石中的矿物成分和含水量。
质地指的是岩石的结构和颗粒大小，可以通过观察岩石的细节纹理和触感来确定。
结构是指岩石在地层中的组合形态和排列方式，可以根据岩石表面的裂纹、节理和层理等来判断。
化学成分是指岩石中不同成分的含量和比例，可以通过化学分析来确定。
在钻井过程中，岩性描述归位的重要性不言而喻。
正确的岩性描述可以帮助钻井工程师了解地下地层的构造特征，判断矿藏类型和含量，指导后续的勘查和开采工作。
再加上计划钻井深度和方向的调整，以充分利用地层资源。
在岩性描述归位中，还需要注意记录钻探速度、钻头切削效率和探头径向振荡等钻井数据，以便后续分析和解释地层的物理性质。
还需要记载下钻井液密度、PH值和固相含量等，以评估钻井液与地层的相互作用。
PDC钻头工作原理及相关特点剖析
PDC钻头工作原理及相关特点剖析1.工作原理PDC钻头主要由钻头主体、切削结构和钻头连接装置组成。
其中，切削结构是PDC钻头的核心部分。
切削结构通常由若干个聚晶金刚石片组成，这些片通过硬质合金基体和钻头主体连接在一起。
当钻具旋转时，切削结构上的聚晶金刚石片与钻井地层接触，通过摩擦和冲击力来实现岩石的切削和破碎，从而实现钻井作业的目的。
PDC钻头之所以能够高效地进行切削，主要得益于聚晶金刚石的特殊结构和性质。
聚晶金刚石是通过高温高压合成的人工合成金刚石材料，其硬度远远高于地层中的普通岩石。
同时，聚晶金刚石具有非常好的热稳定性，能够在高温环境下保持其切削能力。
因此，PDC钻头在钻井过程中能够快速、高效地切削地层，提高钻孔速度和钻井效果。
2.相关特点（1）高硬度：PDC钻头主体采用硬质合金材料，而切削结构上的聚晶金刚石片具有非常高的硬度。
这使得PDC钻头能够抵御地层中较硬岩石的切削和破碎，提高钻井效率。
（2）良好的耐磨性：聚晶金刚石具有很高的耐磨性能，即使处在高速旋转和高压力下，也能保持较长时间的使用寿命。
这使得PDC钻头在长时间连续作业中具有更好的性能稳定性。
（3）良好的热稳定性：PDC钻头的聚晶金刚石片在高温环境下依然能够保持较好的切削能力，不易产生塑性变形和热损伤。
这使得PDC钻头在高温油气田勘探钻井中得到广泛应用。
（4）低扭矩：由于PDC钻头的切削面积较大，钻进过程中产生的扭矩相对较小，可以减少钻井设备的负荷和能耗，提高钻井作业的效率。
（5）钻速快、钻屑排除好：PDC钻头具有较大的切削面积和切削速度，可以快速破碎地层岩石，提高钻井速度。
同时，切削结构上的切削槽和孔水精心设计，有利于钻屑的排除，减少钻井堵塞的风险。
（6）适应性广：PDC钻头适用于钻探各种地层，如软岩、硬岩、砂岩、页岩等。
可以用于直钻、倾斜钻和水平钻井，满足不同场地和作业需求。
综上所述，PDC钻头以其高硬度、高抗磨损性和高热稳定性等特点，在石油和天然气勘探钻井领域得到广泛应用。
PDC钻头泥包原因分析及对策
PDC钻头泥包原因分析及对策摘要:为满足快速钻进的需要,钻井工程现场越来越多地使用PDC 钻头,提高钻井速度,减少起下钻次数,避免掉牙轮等复杂事故,但在应用中经常有PDC钻头泥包的现象。
在分析泥包原因的基础上,从改善钻井液性能、改变钻井参数、精心操作等方面,提出了预防PDC钻头泥包的技术措施,有助于解决PDC钻头泥包的问题。
关键词:PDC钻头钻井速度钻井液1 PDC钻头泥包的现象钻进过程中,PDC钻头使用没到期且所钻地层岩性没发生变化,如果出现以下情况,就说明钻头被泥包了。
(1)钻进中,钻时明显增加,从每米几分钟上涨至几十分钟。
(2)下钻或短起下后,钻时较快,钻进几米后,钻时明显变慢。
(3)钻进中,其它参数不变的情况下,泵压上涨,扭矩变小;起出钻头后,切削齿、流道槽、保径部分有滤饼,说明在钻进过程中发生了泥包。
2 造成PDC钻头泥包的原因造成PDC钻头泥包的原因主要有以下几个方面因素。
(1)钻井液性能方面:钻井液性能差,如失水大、滤饼厚、抑制性差、润滑性能差等。
(2)钻进地层特性方面:软泥岩地层、易吸水膨胀的地层或软硬交错的地层,易形成泥包。
(3)钻进参数方面:钻进中排量较小,未能将钻屑及时带离井底,造成重复切削。
钻进中钻压不均匀,使切削齿瞬间切入地层的深度不一致,特别是钻时变慢后,盲目加大钻压,会迅速包死PDC钻头。
(4)PDC钻头选型方面:选用中心孔流道较小的PDC钻头,容易导致钻屑堵在底部,造成泥包。
3 预防PDC钻头泥包的技术对策使用PDC钻头对钻井液和工程措施都提出了比牙轮钻头更高的要求,不能将适合牙轮钻头的参数用到PDC钻头使用上。
根据对PDC 钻头泥包原因的分析,除地层原因是无法进行人为调整控制的外,其它几方面的因素都是人为可控的,主要采取以下措施来预防PDC钻头泥包。
3.1 下入PDC钻头前维护处理好钻井液性能钻井液性能是否良好是防PDC钻头泥包的重要因素。
可以想象两种极端情况,一是PDC钻头放入泥浆罐中,一是PDC钻头放入淤泥罐中,前者肯定不会泥包,而后者肯定会泥包。
水敏性软硬交错地层瓦斯抽放孔PDC钻头的设计与应用
工过程中 ， 由于现 场操作 的不熟 练和使用钻头 的盲 目性 ， 使用 的钻头数量不仅非 常大 ， 而且效 果较一般 。针对 当地 复杂地层 ， 对 钻头进行 了改 进设 计 ， 取得 了 良好 的效果 。钻头 寿命 由原来 的 １ ６ ６ ． ５ ｍ提升 至 ３ ９ ９ ｍ， 钻进效 率 由 ８
ａ ｎｄ ｇ ｏ ｏ ｄ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ． Ｔｈ ｅ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｄｒ ｉ ｌ ｌ ｂ ｉ ｔ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｌ ｏ ｎｇ ｅ ｄ ｆ ｒ ｏ ｍ １ ６ ６． ５ ｍ ｔ ｏ ３ ９９ ｍ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｅ ｆ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ —
条件 较差 ， 地 层ห้องสมุดไป่ตู้ 杂 ， 地 应力 释放 ， 属 于水 敏性 地层 ， 使用 的常 规 钢体 式 四翼 内 凹 Ｐ Ｄ Ｃ钻 头 易 发 生缩 孔
和塌 孔现 象 。加上 施 工 人 员 的技 术 层 次不 齐 ， 对 钻
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PDC钻头钻井条件下的地质录井技术探讨
PDC钻头钻井条件下的地质录井技术探讨1. 引言1.1 研究背景PDC钻头是目前钻井行业中广泛应用的一种钻井工具，其独特的结构和优越的性能使其在各种钻井条件下都表现出色。
地质录井技术则是在钻井过程中对地层进行实时监测和分析的关键工具，能够提供宝贵的地质信息和井下状况反馈。
随着油气勘探开发技术的不断进步和需求的提高，PDC钻头钻井条件下的地质录井技术也日益受到关注。
在这样的背景下，研究PDC钻头钻井条件下地质录井技术是非常必要和迫切的。
通过对该技术的深入研究和探讨，可以更好地指导实际生产中的钻井作业，提高勘探开发效率和质量。
对PDC钻头钻井条件下的地质录井技术进行系统的研究和分析，不仅可以满足当前油气勘探开发的需求，还有助于进一步推进钻井技术的创新和提升。
这也是本文选取这一研究主题的原因之一。
1.2 研究意义PDC钻头钻井条件下的地质录井技术探讨是当前石油勘探开发领域一个备受关注的课题。
随着油气勘探开发的深入和复杂程度增加，传统的钻井技术已经无法满足对地质信息获取的需求。
通过研究PDC钻头钻井条件下的地质录井技术，可以提高钻井效率、降低勘探成本，同时也能够更准确地获取地质信息，为后续的油气勘探开发工作提供可靠的数据支持。
随着石油资源的逐渐枯竭和能源安全问题的日益突出，寻找新的油气资源已经成为当前全球能源领域的重要任务。
而PDC钻头钻井条件下的地质录井技术正是在这样一个背景下应运而生的。
通过深入研究该技术，可以为深海油气勘探开发、非常规油气资源勘探等提供技术支持，同时也可以推动我国石油勘探开发技术的创新和进步，为能源安全和经济发展做出贡献。
研究PDC钻头钻井条件下的地质录井技术具有重要的理论意义和实际应用价值。
2. 正文2.1 PDC钻头技术介绍PDC钻头（Polycrystalline Diamond Compact）是一种新型的钻头技术，与传统的钻头相比具有更高的钻进效率和更长的使用寿命。
PDC钻头的主要特点是使用聚晶金刚石作为切削元件，使其在硬岩层中具有更好的钻进性能。
PDC钻头使用类型
PDC钻头使用类型PDC（聚晶钻头）钻头是近年来石油钻探领域中广泛使用的一种钻井工具。
它以高硬度、高韧性和抗磨损性能而著称，具有很高的钻进速度和良好的钻井性能，被广泛用于各类岩石的钻井作业。
根据不同的使用场景和岩石性质，PDC钻头可以分为几种不同的类型。
1.全面固结PDC钻头（Matrix PDC Bits）:这种钻头主要由聚晶齿和基体（又称为矩阵）组成，聚晶齿通过高温高压的工艺固结在基体上。
聚晶齿具有异常高的硬度和韧性，可以很好地抵抗地层的磨损和破碎，而基体则提供了一定的强度和稳定性。
全面固结PDC钻头适用于一般的钻井环境和弱-中硬度的岩石。
2.增韧型PDC钻头（Toughened PDC Bits）:增韧型PDC钻头采用类似金属的材料作为基体，可提供更高的强度和韧性。
增韧型PDC钻头的聚晶齿比全面固结型更细小，能在基体上形成更强的支撑结构，从而提高了钻头的抗磨损和抗冲击性能。
增韧型PDC钻头适用于中硬-高硬度的岩石，如石英岩、玄武岩等。
3.钢体PDC钻头（Steel Body PDC Bits）:钢体PDC钻头采用整体钢体结构，包括钢体本身和装配在其上的聚晶齿。
与前两种钻头相比，钢体PDC钻头更适用于特殊的钻井环境，如高温高压的深层井口、酸性环境等。
钢体PDC钻头的钻具设计更为复杂，需要更高的技术难度和成本，但由于其良好的耐压性和抗腐蚀性能，使其成为一些特殊作业的首选。
4.侧喷PDC钻头（Jet Deflection PDC Bits）:侧喷PDC钻头在钻井过程中注入高速射流，把钻井液喷出来，通过液体的冲刷和冲击来清除井底碎屑，防止碎屑卡钻。
这种钻头适用于易卡钻的地层，如软-中硬的沉积岩。
5.方形PDC钻头（Square PDC Bits）:方形PDC钻头的切削齿排列为方形，相比于传统的圆形排列，能够提供更多的侧切削面积，有利于提高钻井效率和采取更大的传动力。
方形PDC钻头适用于中-高硬度的岩石。
适用于复杂构造地层火山岩的个性化PDC钻头设计与应用
图1 前期 PDC 钻头磨损照片
3 个性化 PDC 钻头设计 为了 提 高 PDC 钻 头 抗 冲 击 性,研 磨 性 和 稳 定
B30井在井深1455m 下 入 φ215.9mm 试 验 钻 头,钻具组合:φ215.90mm 钻头+φ158.75mm 钻铤 +φ214mm 稳 定 器 +φ158.75mm 钻 铤 +φ165mm 随钻 震 击 器 +φ158.75mm 钻 铤 +φ127mm 钻 杆。 钻 进 参 数 :钻 压 为 100KN,转 盘 转 速 为100r/min,排 量 为 30L/s,钻 井 液 密 度 为 1.21g/cm3。 钻 至 1758m 起 钻,进 尺 为 303m,平 均 机 械 钻 速 达 3. 6m/h。
西北缘 地 区 火 山 岩 岩 性 复 杂,主 要 包 括 安 山 岩、玄武岩等多种岩石[2],岩石坚硬、研磨性强、可 钻 性差,在构 造 应 力 作 用 下 天 然 裂 缝 发 育,但 其 不 同 区域天然裂缝发育 程 度 不 同,导 致 各 区 域 岩 石 力 学
特性也有较 大 差 异 。 [3] 为 此,笔 者 选 取 具 有 代 表 性 的西北缘 中 拐 凸 起 火 山 岩 进 行 岩 石 力 学 特 性 参 数 测试。测试结 果 表 明 (见 表 1),抗 压 强 度 为 120~ 200MPa,内摩擦 角 为 54°~58°,可 钻 性 级 值 为 7.1 ~9.3,平 均 塑 性 系 数 为 1.35~1.91,泊 松 比 为 0.12 ~018,说明该地区 火 山 岩 可 钻 性 级 值 相 对 较 高,硬 度较大,塑 性 系 数 和 泊 松 比 较 低,具 有 明 显 的 脆 性 和强研磨性特征。 2 钻头使用情况分析
PDC钻头不良状态分析与改进措施
ＰＤＣ钻头不良状态分析与改进措施王红波孙起昱中国石化中原石油勘探局钻井工程技术研究院 河南濮阳 ４５７００１摘要：在我国ＰＤＣ钻头在很多领域都得到了广泛应用，在钻软～中硬岩层时，创造了很高的效率，得到了大家的一致认可，但采用ＰＤＣ钻头钻进在遇到复杂地层及硬岩地层时，产生了很多不良状态，极大的限制了ＰＤＣ钻头的使用范围，进一步提高ＰＤＣ钻头的钻进能力，一向是专家们奋斗的目标。
以ＰＤＣ钻头不良状态发生的部位对其表现形式进行了分类，并从内因与外因两方面探讨了不良状态发生的原因，对近年来国内从提高ＰＤＣ钻头材料品质及优化制造工艺、优化钻头结构、优化钻井工艺参数及钻具组合、使用辅助破岩技术对改进钻头的不良状态进行了综述，提出了一些提高ＰＤＣ钻头寿命、加大机械钻速有利的措施。
改进ＰＤＣ钻头的不良状态是一个系统的工程，必须充分考虑各种因素的作用，才能取得较好的效果。
关键词：ＰＤＣ钻头；不良状态；改进措施；钻头寿命；机械钻速ＴＤＢＨａｒｍｆｕｌ ｓｔａｔｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ＰＤＣ ｂｉｔｓＷａｎｇ ｈｏｎｇｂｏＴｈｅ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ Ｏｉｌ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ， Ｐｕｙａｎｇ ４５７００１，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ， ＰＤＣ ｂｉｔｓ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｗｉｄｅｌｙ ｉｎ ｍａｎｙ ｆｉｅｌｄｓ．Ｔｈｅｙ ｂｒｏｕｇｈｔ ａｂｏｕｔ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｗｈｅｎ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｎ ｓｏｆｔ ｔｏ ｍｉｄｄｌｅ－ｈａｒｄ ｌａｙｅｒ ｗｈｉｃｈ ｇａｉｎｅｄ ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ． Ｂｕｔ ｗｈｅｎ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｎ ｃｏｍｐｌｅｘ ａｎｄ ｈａｒｄ ｌａｙｅｒ ｗｉｔｈ ＰＤＣ ｂｉｔ， ｍａｎｙ ｈａｒｍｆｕｌ ｓｔａｔｅｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｗｈｉｃｈ ｌｉｍｉｔｅｄ ｕｓｅ ｏｆ ＰＤＣ ｂｉｔｓ ｇｒｅａｔｌｙ．Ｔｏ ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｄｉｌｌｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＰＤＣ ｂｉｔ ｈａｓ ａｌｗａｙｓ ｂｅｅｎ ａｉｍ ｏｆ ｍａｎｙ ｅｘｐｅｒｔｓ． Ｈａｒｍｆｕｌ ｓｔａｔｅｓ ｏｆ ＰＤＣ ｂｉｔｓ ｗｅｒｅ ｓｏｒｔｅｄ ｂｙ ｐａｒｔｓ ｗｈｅｒｅ ｈａｒｍｆｕｌ ｓｔａｔｅｓ ｆｏｒｍｅｄ， ａｎｄ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｆｒｏｍ ｉｎｔｅｒｎａｌ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｆｒｏｍ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ＰＤＣ ｂｉｔ， ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｂｉｔ，ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｓｓｅｍｂｌｙ， ｕｓｉｎｇ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｆｒａｍｅｎｔｉｎｇ ｒｏｃｋ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｈａｒｍｆｕｌ ｓｔａｔｅ ｏｆ ＰＤＣ ｂｉｔｓ ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｓｏｍｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｌｉｆｅ ｏｆ ＰＤＣ ｂｉｔｓ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ．Ｓｉｎｃｅ ｉｔ＇ｓ ａ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｈａｒｍｆｕｌ ｓｔａｔｅ ｏｆ ＰＤＣ ｂｉｔｓ，ｍａｎｙ ｆａｃｔｏｒｓ ａｒｅ ｎｅｅｄｅｄ ｔｏ ｂｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｂｅｔｔｅｒ ｅｆｆｅｃｔｓ．。
定向井用PDC钻头研究
定向井用PDC钻头研究定向井技术可以更好地对油藏进行開发利用，定向井作业采用PDC钻头可以有效提高钻井效率，保证钻井质量。
在实际的定向井钻井作业过程中，采用PDC钻头进行作业，存在着方位和轨迹与设计产生偏移的问题，影响着钻井作业质量。
本文对定向井PDC钻头与地下储层作用力建立起模型，并对钻头受力进行深入地分析，并对定向井PDC钻头钻井趋势影响因素进行了探讨。
标签：定向井钻井;PDC钻头;影响因素随着定向井钻井技术的不断进步，对定向井作业采用的工具提出了新的要求。
定向井钻井作业需要面对较为复杂的地质条件，还需要保证较好的钻井质量，需要对PDC钻性能通过不断优化和提升，确定出最为合理的钻头结构方式和配置参数，可以更好地保证钻井作业速度。
所以，需要对定向井用PDC钻头进行深入地研究，保证钻头具备较高的钻井作业效率和使用寿命。
1定向井PDC钻头与地下储层作用力模型分析PDC钻头应用到定向井钻井作业时，与地下储层产生的作用存在着较多的影响因素，需要确定出地下储层岩体具备的定量参数，采用定量分析办法对不同方向的参数进行确定。
由于地下储层岩体形成原因比较复杂，具备的强度和硬度在不同方向上有着较大的不同，存在的各向异性会对PDC钻头产生影响。
定向井钻井作业过程中，钻遇机率最高的就是沉积岩地层，该地层的地质条件有着各向异性现象，会使得钻井作业过程中出现钻头偏离设计井眼轨迹的问题，会对钻井质量造成影响，也会降低钻井施工作业效率。
在PDC钻井向前挺进过程中，会具备轴向钻井趋势，还会形成侧向钻进趋势，该种钻头会在轴向、侧向形成两个挺进趋势，使得形成的井眼轨迹偏离原计划轨迹。
在对钻头进行设计时，多注重轴向钻进性能，防止钻井作业过程中存在侧向钻井问题。
对PDC钻头水力结构进行设计，也多考虑轴向钻进性能，规格型号不同的钻头在轴、侧钻性能方面也有着很大差异，会结合地下储层参数，采用理论计算的办法，也可以在实验内开展破裂试验，从而得到PDC轴、侧方向钻进参数。
江苏油田地层PDC钻头个性化设计及应用
江苏油田地层PDC钻头个性化设计及应用摘要：江苏油田处水网地带，地面条件差，地下构造复杂，断层繁多，属复杂小断块油田。
根据江苏油田地质分层特点，岩性主要以砂、泥岩为主。
分散性强、容易泥包钻头，给使用PDC钻头带来限制，给提高机械钻速、节约时效、降低钻井成本造成很大的难度。
制约了江苏油田优快钻井。
利用实钻岩心和测井资料对江苏油田地层可钻性和硬度等进行了分析，结果表明地层可钻性级别为1-6级，硬度为169-733MPa，属于软到中地层。
设计中优选应用了4刀翼和深内锥低密度布齿设计，利用计算流体动力学技术对钻头水力结构进行优化，采用螺旋保径结构，设计研制出了FL1654M高效PDC钻头。
现场应用表明：机械钻速和钻井进尺提高了16%以上;解决了江苏油田钻头泥包机械钻速慢的问题。
关键词：江苏油田；泥岩；可钻性；硬度；PDC钻头设计江苏油田地处水网地带，地面条件差，地下构造复杂，断层繁多，属复杂小断块油田。
地层中含有大段的泥岩，分散性强、容易泥包钻头，给使用PDC 钻头带来限制，给提高机械钻速、节约时效、降低钻井成本造成很大的难度。
江苏油田从常规定向井、丛式井到大斜度井与水平井，井身质量要求越来越高，因此，容易造成摩阻增大，容易出现键槽，易形成岩屑床，使得施工难度越来越大，2005－2007年平均钻机月速度2467m/台月。
通过研究攻关，形成了适合于江苏油田的地层可钻性预测技术。
研制出了个性化高效钻头，使江苏油田地层的钻井速度比同一区块最高机械钻速提高了约7%以上，缩短了钻井周期，降低了钻井成本，取得了良好的技术经济效益。
江苏油田地层可钻性分析利用实钻岩心对硬度和可钻性级值进行了室内试验(表1)，岩心分别取自各井阜宁组层位的岩样。
表1 江苏油田地层岩石硬度和可钻性室内实验数据由表1可知，江苏油田阜宁组地层岩石可钻性级别分为2-4级，岩石硬度为262-733MPa，根据国内硬度分级分为2-4级，属于软到中软地层。
PDC钻头钻井条件下的地质录井技术探讨
PDC钻头钻井条件下的地质录井技术探讨【摘要】PDC钻头在钻井中的应用越来越广泛，地质录井技术在PDC钻头钻井条件下的探讨显得尤为重要。
本文首先介绍了PDC钻头的特点，然后详细解析了地质录井技术的原理，接着探讨了在PDC钻头钻井条件下的地质录井技术应用。
通过数据分析与解释，揭示了该技术在实践中的效果。
同时也分析了其技术优势与不足之处。
结论部分展望了PDC钻头钻井条件下的地质录井技术的未来发展方向，总结了本研究的重点，并提出了未来研究的方向。
通过本文的阐述，可以更深入地了解PDC钻头钻井条件下的地质录井技术，为相关领域的研究提供新的思路和方向。
【关键词】PDC钻头、地质录井技术、数据分析、技术优势、展望、研究总结、未来研究方向1. 引言1.1 研究背景PDC钻头是一种先进的钻井工具，具有高效率、耐磨、抗冲击等优点，在现代石油钻井中得到广泛应用。
地质录井技术是通过记录岩石性质、孔隙结构、地层压力等信息，为钻井过程中的地质解释和钻井参数优化提供重要依据。
随着石油勘探难度的增加和对井下地质信息需求的提高，PDC钻头钻井条件下的地质录井技术越来越受到关注。
在传统钻头钻井过程中，地质录井技术已经得到了较好的应用与发展，但在PDC钻头钻井中，受到钻头本身的特点和工作环境的影响，地质录井技术面临一些挑战和难题。
研究PDC钻头钻井条件下的地质录井技术，对提高钻井效率、减少钻井风险具有重要意义。
通过深入探讨PDC钻头的特点、地质录井技术原理以及在实际钻井条件下的应用，有助于优化钻头设计、钻井参数调整，提高地质信息采集的准确性和实用性。
1.2 研究意义PDC钻头钻井条件下的地质录井技术是钻井工程领域中一个重要的研究课题。
随着石油勘探开发工作的不断深入，对地下油气藏的精细描述和评价要求也越来越高。
而地质录井技术作为对地层地质信息获取和解释的一种重要手段，在油气勘探中发挥着重要作用。
研究PDC钻头钻井条件下的地质录井技术的意义在于深入探讨该技术在实际勘探作业中的应用效果和经济效益，进一步提高油气勘探和开发的精准度和效率。
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2008年 第 36卷 第 12期
黄继庆等 : 复杂地层 PDC钻头研究
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在理论上控制在 012% , 降低了 PDC钻头在井底工 作时产生的侧向力 , 同时减轻了振动 , 减少了不良 工作状态对切削齿的损坏 , 增加了钻头工作的稳定 性 , 并延长了其使用寿命 。
采用螺旋型布齿设计 , 分散切削齿切削地层时 产生的指向井壁的轴向切削力 , 控制钻头与井壁的 接触应力 , 从而使钻头产生抗回旋运动效果 。通过 螺旋式刀翼还能使切削齿自然呈现一定的侧转角 , 且螺旋方向和钻头工作时的旋转方向相同 , 有助于 钻井液携带岩屑和清洗井底 。同时螺旋式保径块与 常规保径块相比 , 增加了与井壁的接触面 , 提高了 钻头的稳定性 。螺旋式保径钻头结构示意图如图 4 所示 。
关键词 PDC钻头 含砾地层
全国各大油田部分区块中存在复杂地层 , 在这 种地层中钻进一直是石油钻井工程施工中的一个技 术难题 。由于有些复杂地层岩石疏松 、结构松散 、 无规律含砾 、地层更叠频繁 、软硬交错等 , 使钻头 在变化地层中钻进时受力不均导致个别切削齿先期 损坏 , 钻井质量和钻进效率处于低水平状态 ; 有些 复杂地层可钻性差 、研磨性强 , 导致常规钻头平均 机械钻速低 , 钻进困难 , 难以满足高效钻井要求 。 这都使复杂地层的钻井周期延长 、钻井费用增加 。
现场使用效果
通过对复杂地层 PDC 钻头的轮廓 、切削齿角 度 、水力结构 、钻进稳定性等方面进行重点设计 , 使钻头在复杂地层钻进中取得了较好的应用效果 , 扩大了 PDC钻头的使用范围 。
针对苏里格气田夹层多 、软硬交错的特点而设 计的 8 1 MD9535ZC 钻 头在 40635 钻井队 施工 的
(3) 复杂地层 PDC钻头稳定性设计 针对该 气田上部地层疏松 , 钻头在使用中易井斜的情况 , 笔者通过专用软件进行计算机工况仿真分析 , 调整 刀翼角度 , 调整后结果如图 3所示 。径向不平衡力
图 3 径向不平衡力调整
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(11中国石油渤海装备中成机械制造有限公司 21中石化中原油田钻井三公司 )
摘要 常规 PDC钻头在岩石疏松 、结构松散 、无规律含砾 、软硬交错等复杂地层中钻进时受 力不均 , 导致钻头平均机械钻速低 , 钻进困难 , 难以满足高效钻井要求 。针对这一现象 , 重新对 PDC钻头的布齿方式 、冠部头型 、水力结构 、钻头稳定性等方面进行个性化设计 。在复杂地层应 用情况表明 , 所设计的钻头极大地提高了钻进速度 , 减少了起下钻次数 , 缩短了钻井周期 , 有效 地预防了钻井事故的发生 , 节约了钻井成本 , 经济效益显著 。
图 2 PDC钻头三维模型受力分析
由于苏里格气田的地层软硬交错 , 夹层较多 , 为了避免切削齿早期损坏 , 科学布置每一片切削齿 和精确设计切削角度至关重要 。对于每片切削齿所 受的轴向力 、径向力 、周向力及钻头整体的三维矢 量合力进行理论计算 , 对理想工作状态下每个切削 齿的切削面积和切削体积进行计算 。然后对复合片 的后倾角 、侧倾角 、法向角等工作角度进行调整 , 使钻头在该地区普遍含有松散较小砾石和硬夹层的 地层中更具有可钻性 , 达到在软地层具有高钻速 , 在较硬夹层钻进时也能够合理地分配每一颗牙齿的 切削功率的设计目标 。
2008年 第 36卷 第 12期
! 专题研究 #
石 油 机 械
CH INA PETROLEUM MACH INERY
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复杂地层 PDC钻头研究3
黄继庆 1 魏向辉 1 周 东 1 孙德宇 2 左惠明 1 陈洪涛 1 张松峰 1 李长权 1 王 永 1 黄 斌 1
止个别齿先期损坏而影响钻头整体寿命 。
最终确定的钻头冠部头型形状如图 1所示 , 头
型曲线方程如式 ( 2) 所示 , 将冠部形状拟合成 6
段分段函数式 。
图 1 冠部头型形状
tan (α - 2π) x x ∈ [ 0, a ]
b′- R21 - ( x - a′) 2 x ∈ [ a, b ]
鄂尔多斯盆地苏里格气田的地层比较古老 , 且 全井段跨越层位较多 , 地层软硬交错 。地层中硬夹 层较多是 PDC钻头复合片碎裂 、掉片的主要原因 。 当 PDC钻头在钻进过程中 , 从软地层钻至硬夹层 时 , 由于 PDC钻头冠部轮廓的关系使得沿头型分 布的切削齿接触地层的硬度不同 , 造成切削齿切削 地层时受力不均 , 使钻头出现蹩钻 、跳钻现象 , 作 用在钻头上的载荷大部分集中在切削硬夹层的几个 切削齿上 。蹩钻 、跳钻产生的瞬时载荷导致这几个 切削齿因受力较大而碎裂或折断 , 特别是在切削硬 地层中某些硬质点时 , 这种情况更易发生 。先期损 坏导致普通 PDC钻头在该区块使用效果不好 , 每
距离 , mm;
r———冠部轮廓曲线某点处半径 , mm;
r0 ———钻头冠顶半径 , mm; n———试验测定指数 , 与切削齿和岩石性质
有关 ;
C———积分常数 。
在理论曲线方程拟合的基础上 , 结合已用钻头
的损坏情况对冠部形状进行微调 , 最后确定钻头冠
部形状 , 使各切削齿工作载荷均匀 , 磨损均匀 , 防
图 4 螺旋式保径钻头结构示意图
(4) 复杂地层 PDC钻头水力设计 在水力流 道结构设计中 , 加大主刀翼的排屑槽宽度 , 使各刀 翼所产生的切削量与流量合理匹配 。采用先进的三 维设计软件进行模具设计 (图 5) , 通过排屑体积 计算 , 优化水槽结构 , 采用流畅的深 、宽水槽和大 排屑槽设计 , 保障岩屑运移通畅 ; 调整水眼角度 , 增设中心水眼 , 并应用多水眼开放的多射流技术 , 强制冷却 PDC钻头的鼻 、肩部齿 , 增强了复合片 的清洗效果 , 提高了钻头中心部位的岩屑运移 、防 泥包和重复破碎的能力 。
3 基金项目 : 中国石油渤海装备科技开发项目 (科 2007 - 追 15) 。
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31超硬材料优选和三维检验 (1) 超硬材料优选 采用与国外顶级复合片 制造商开发的复合片 ZC—V 型切削齿 。该切削齿 与常规切削齿具有本质区别 , 在抗冲击和磨耗比方 面具有常规进口复合片无法比拟的优势 。可以使钻 复杂地层钻头采用与常规钻头相同的布齿间隙的情 况下 , 能全面延长钻头的使用寿命 。 (2) 三维检验 应用逆向工程三维检测原理 , 采用进口七轴测量臂 , 对钻头的切削齿角度等关键 几何尺寸进行检测 , 并在计算机中通过专用检测软 件 , 对加工尺寸与设计的三维模型进行对比分析 , 保证成品 100%达到设计要求 。
口井二开井段要用多只钻头 , 少数井能够实现 2只 钻头完井 , 钻头使用后大部分是非正常磨损 , 崩 齿 、碎齿现象较多 。
冀东油田的馆陶地层含有的玄武岩较厚 , 玄武 岩的强度非常高 , 研磨性较强 , 对钻探工具冲击性 较大 , 遇水容易膨胀 , 且部分地层存在裂缝和夹 层 , 表现出很强的非均质性等钻井难点 。钻进过程 中经常出现掉块 、垮塌 、大段 划眼 等复 杂情 况 。 PDC钻头钻进硬地层所受的反作用力集中在复合 片边缘 , 钻进软地层的反作用力全部在切削齿面 上 , 即使采用同样的钻井参数 , 钻进硬地层比钻进 软地层容易损坏切削齿 [ 1 ] 。
2
正常磨损 。使用数据分层统计如表 1所示 。 这个钻头在该气田单只完成二开井段 , 机械钻
速高 , 对地层适应性强 , 证明针对该复杂地层采用 新型设计方法的实用性非常强 。
针对玄武岩地层可钻性差 、研磨性强的特点而
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在 x∈ [ a, e ] 段上的方程为冠部主要特征方 程 。通过 l1 、 R1 、 R2 的不同变化 , 可以得到适应
不同地层的钻头冠部头型方程 ; y = l2 为保径特征 方程 , 根据使用过程是否定向 , 以及不同区块对保 径磨损的强弱 , l2 可以取不同的值 。
(2) 布齿方式及切削角度的确定 通过对钻 头三维模型的受力分析 , 可以找出工作时易损坏部 位 。图 2为钻头三维模型受力分析结果 。图中颜色 较深部位为受力磨损严重部位 , 可通过改变其布齿 密度来延长钻头使用寿命 ; 对于磨损较小的齿 , 可 通过调整其齿间距和切削角度来改变其切削量 , 充 分发挥其潜在力 , 以提高整体机械钻速 。为此 , 在 设计钻头的布齿时 , 笔者通过修正系数 , 精确地调 整了切削齿的分布 。
y = l1 x ∈ [ b, c ] ( 2)
d ′-
R
2 1
-
(x -
c′) 2 x ∈ [ c, d ]
e′- R22 - ( x - d′) 2 x ∈ [ d, e ]
l2 x = e 式 (2) 中 , x∈ [ 0, a ] 段为锥部特征方程 , α为前锥角 , 在硬地层中取值大 、软地层中取值 小 ; x ∈ [ a, b ] 段 为 上 部 圆 弧 特 征 方 程 ; x ∈ [ b, c ] 段为圆弧连接段 ; x ∈ [ c, d ] 段为中部 圆弧特征方程 ; x ∈ [ d, e ] 段为下部圆 弧特 征 方程 。
针对上述复杂地层的钻进 , 重新对 PDC 钻头 进行了个性化设计 , 设计重点包括钻头轮廓 、水力 结构 、钻进稳定性等方面 。
个性化设计
对于地层更叠频繁 、软硬交错和可钻性差 、研 磨性强的地层应采用不同的个性化设计方案 。