影响PDC钻头应用性能的因素分析

影响PDC钻头应用性能的因素分析

发表时间：2019-12-18T15:02:02.567Z 来源：《基层建设》2019年第26期作者：戴方刚[导读] 摘要：随着油气钻井事业的发展，地质结构越来越复杂，对PDC钻头的应用性能提出了更大的挑战。中石化石油机械股份有限公司湖北武汉 430223摘要：随着油气钻井事业的发展，地质结构越来越复杂，对PDC钻头的应用性能提出了更大的挑战。比如在深井、超深井的硬岩地层或研磨性地层中，钻进缓慢，钻头破坏和磨损严重；在定向井和水平井中出现初始造斜困难、方位不稳、钻头偏移等现象，严重影响了钻头的稳定性。本文基于影响PDC钻头应用性能的因素分析展开论述。

关键词：影响；PDC钻头应用性能；因素分析引言如何既能提高机械钻速又能减小井下复杂情况的发生、提高作业质量和效率显得尤为重要。受埋藏深度的影响，井深越深，地层的压实程度越高，岩石硬度增加，塑性增强，PDC钻头吃入地层的能力越差，机械钻速越低，进而导致钻井周期越长。目前渤海海域深层太古界变质岩潜山地层平均埋深4304m，地层岩性主要为花岗片麻岩，地层很硬，机械钻速很低。常规PDC钻头配合扭力冲击器技术，钻头单趟进尺少，机械钻速低，钻头破坏严重。

1.PDC钻头简介 PDC钻头在世界油气钻井中完成的进尺已经超过总进尺的90%，其性能(特别是破岩效率)对钻井成本具有决定性的影响。随着油气钻井向深层、海洋、非常规油气发展，对钻头技术提出了越来越高的要求。PDC钻头的齿虽然硬度高，但受抗冲击能力和抗热磨损能力的限制，PDC钻头在硬地层、高研磨性地层、严重不均质地层(软硬交错夹层、含砾岩层等)钻进时，很容易导致复合片的快速磨损失效，复合片的崩损使钻头的切削效率和工作寿命均大大降低，复合片崩损的主要原因是切削齿承受的冲击力来自钻头的振动，特别是横向振动，且PDC钻头有一个弱点，即钻井过程中破碎井底岩石后形成的岩屑尺寸很细小，过于细小的岩屑将不利于对井下地层信息分析和判断。近年来的PDC钻头新技术主要体现在切削齿技术和钻头切削结构设计方面。典型新技术包括:ONYX-360旋转PDC齿以及旋转齿PDC钻头(斯伦贝谢公司);PDC-牙轮复合钻头(贝克休斯公司)等。现有的研究大多集中于钻头结构与破岩方式上，而岩石对破岩方式的适应性研究相对滞后，对钻头的选择主要依据岩石的可钻性。笔者认为井底岩石的形貌对于钻头的破岩效率影响较大，提出一种具有环槽式的PDC钻头，以降低钻头的切削能耗，提升钻头破岩效率，同时抑制钻头横向振动，有效减少钻头切削齿的冲击失效，并产生较大尺寸的岩屑，改善地质录井质量，提高实钻条件下对井下地层信息分析和判断的准确性。本文通过室内实验，探讨、验证这种钻头的破岩机理和工作性能。

2.国产PDC的优选提高深部硬地层的机械钻速是钻探行业永恒的目标，冲击破岩钻井技术是当前深井、超深井钻进硬地层应用效果较好的高效破岩技术。传统的旋冲钻井和扭冲钻井冲击方式维度单一，轴向冲击钻具提供的压力很难使钻头吃入较深地层，周向磨蚀岩石能力受限，扭力冲击钻具对钻头与冲击器的匹配性具有较高要求。在当下新生多种新型冲击钻具的形势下，使钻具兼有轴向冲击和扭向冲击两种钻井冲击破岩的优点，提出新型破岩钻具在钻井提速方面具有重要意义。（1）对软硬地层交错采用穿夹层设计，防止复合片早期失效；（2）采用非对称式刀翼结构、防回旋设计技术，防止钻头在井底回旋，造成钻头早期失效；（3）采用特有的表面涂层技术，能有效缓解粘土对钻头表面的粘附能力，减低泥包发生的可能；（4）优化钻头攻击轮廓及布齿间距，加强钻头在泥质含量较高的致密地层吃入效果；PDC切削齿与岩石之间的接触为高度非线性动态侵蚀接触，在接触界面之间伴随着互相挤压和相互运动，因此定义钻刃与岩石间的接触为面－面侵蚀接触。在模拟复合冲击破岩过程中，PDC切削齿受钻压、转速、转盘扭矩和交变冲击扭矩、交变轴向冲击力等多个载荷的共同作用。井底岩石受到钻头传递的钻压、交变冲击载荷和交变扭矩的共同作用。（5）采用抗冲击性优越的PDC复合片，优化布齿技术，钻头具有较高综合性能。

3.钻头个性化设计特征随着科技的发展、技术的不断创新，钻井工艺也不断优化，近年来国内钻头厂家加强与钻探企业密切配合，根据不同区块、不同地层岩性针对性的设计优化钻头，不断优化钻头选型，大幅提高机械钻速。（1）优化个性化钻头选型，针对砾岩、含砾不等粒砂岩、沙河街地层玄武岩、安山岩、白云质灰岩等特殊岩性，一般都是在上部地层使用PDC钻头，钻遇这些特殊岩性时根据钻时变慢、扭矩变大、憋跳严重时起钻更换镶齿牙轮钻头钻穿特殊岩性。现在经过与钻头厂家联合攻关研究，对原来PDC钻头的金刚石齿，钻头造型进行了改变和优化。新型MD9531异型齿PDC钻头不仅大大降低了泥包的可能性，较大提高了机械钻速，而且大大改善了PDC钻头的抗冲击性、抗耐磨性以及对不同软硬地层的适用性。（2）头型设计特征新型MD9531异型齿PDC钻头冠部头型设计依据兼顾了钻头的攻击性和长寿命考虑。为了保障钻头在可钻行良好地层的快速钻进，并在钻遇砾石等时尽量减小钻头的冲击面积，因此在等磨损设计原则的基础上，采用新型冠部轮廓为浅内锥-双圆弧的特征浅内锥-双圆弧冠部头型不仅提升了钻头心部齿的切削效率，而且可降低肩部切削齿的应力载荷集中，最大程度实现所有切削齿的均匀切削和磨损的原则，提升钻头的攻击性和使用寿命。

4.地层特性钻井现场统计资料表明，地层与钻头类型的匹配与否，是影响机械钻速的重要原因。由于PDC钻头与岩石的相互作用机理异常复杂，地层岩石各项性能参数与PDC钻头的各项参数之间的定量关系，仍未见较好的计算模型。主要根据岩石的抗压强度和硬度，来确定PDC钻头的刀翼数、切削齿形状及尺寸、布齿密度、冠部形状、保径长度等参数。其方法是把岩石按照硬度和抗压强度分为很低硬度（抗压强度0～8,000psi）、中等硬度（抗压强度8,000～16,000psi）、高硬度（抗压强度16,000～32,000psi）、极高硬度（抗压强度32,000～50,000psi）四种，在选择PDC钻头切削结构时，相应的选择齿径由大到小、布齿密度由低到高、后倾角由低到高、冠部抛物线形状由长到短等等。这种方法对待钻地层的岩性参数依赖性高，如果获得的数据不全或不准确，会导致钻头选择不匹配。此外缺少定量的计算关系，难以精确的选择和设计PDC钻头参数、做到个性化设计。除地层岩性、岩石力学性能之外，地层构造因素也会对PDC钻头的应用产生很大影响，如地层各向异性，软硬交错层理，地层倾角等。PDC钻头从软（或硬）地层进入硬（或软）地层，或者非垂直钻进各向异性地层，或地层倾角非常大时，都可能由于切削齿切削受力不均而产生侧向力，造成钻头的偏移或振动，影响钻进效率。结束语