国内外钻头技术2009[1]

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1 产品的钻速高,有效寿命(单只进尺)长; 2 品种、规格、型号多,加上有先进的选 用技术,于是钻头总的适用性强; 3 选用高性能的各种原材料,而且利用新 材料的技术比较高; 4 掌握快速精密设计和制造技术,可针对 特殊需要快速设计和制造专用钻头。 5 最根本的优势是科技投入大,拥有大量 专利;产品科技含量高,更新快。
ATJ,GT,EnduraII堆焊层的对比 后者有大粒球形铸造碳化物
保径齿用不同堆焊材料, 外侧更耐磨
XLX的一号牙轮尖部用整体矛头
XLX钻头的使用实例
• 在玻利维亚的利奥格兰德断层,一只 81/2”MX-1 XLX 钻头比8口邻井的平均值, 单只进尺多29%,机械钻速高10%;从而 节约了1.2万美元; • 美国路易斯安那,同型号钻头相当邻井4 只标准钻头,钻速提高67%,井队节约9 万美元; • 在加拿大的Brintnell 油田的Wabasca 研磨性砂岩中,XLX使井队节约7千美元。
2007年产销基本平衡
• 中石油集团统计数字:2007年共钻井 12670口,总进尺2315万米,其中PDC钻 了1250万米,牙轮钻了1065万米。 • 以每只牙轮钻头达270米计,共用牙轮钻 头(1065/270)= 3.94万只。 • 以中石油集团用量占全国2/3计,全国共 用牙轮钻头(3.94*1.5)= 5.9万只。
Smith的Gemini系列 双复合密封钻头
Gemini的
外密封圈
• 内径处用 Kevlar 纤维加强 的橡胶 • 使内圈在 干净环境 里工作
Smith的精密滚动轴承
• 特殊形状 的滚柱, 使应力分 布均匀; • 高精度加 工; • 浮动止推 垫片。
Smith滚柱的精密配合
Smith的T&S系列
专为墨西哥湾设计的FastMax
• 墨西哥湾海上井, 深度4-6千米。下 部井段致密泥页岩, 地层压力高,泥浆 比重1.8-2.28。 • PDC必须用高价油 基或聚合基泥浆, 钢齿牙轮可用水基 泥浆不泥包。但钻 速寿命有限,所以 专门设计牙轮钻头。
FastMax 特点
• 有一圈齿数特 多,防止牙齿 落老坑。 • 金字塔状齿形。 • 多了2圈牙齿 加快钻速。 • 齿圈间空间人 仍较大,可以 防泥包。
2006年,MX系列改进为 MXL
• 第2代单圈金属密 封,蓄能环和背 环的结构有改进, 可靠性更高。 • 金属摩擦面加宽 密封能力增20%, 摩擦系数减小。
MXL的齿形个性化设计
• 看来基本上还是 楔形。不过 第一 次 提出可根据地 层设计牙齿的各 部分尺寸、角度、 过度圆角。提高 钻速和寿命。说 明 牙齿设计技术 有了突破。
FastMax 特点
• 特殊牙轮背部 结构,加强保 径,防冲蚀, 点 保护密封圈。 • 特殊牙爪保径。 • 钻速提高40%。
FastMax (MXL)使用实例
• 原来MX钻头,机械 钻速15.24m/hr, 84小时打了1280m。 • 第1只MXL用74小 时打了1277m。 • 第2只,调整了措 施,59.5小时打 了1339.3m, 节约 24.5小时, $139,000。
四家公司各属于一家强大集团
• Reed-Hycalog原属CAMCO, 1998年并入 Schlumberger集团,2002年10月改换门 庭,卖给了以钻杆钻具为主业的 Grant Prideco 集 团 。 2008 年 又 被 转 让 给 NOV(National Oil Varco)集团。 • Security-DBS原属Dresser集团, 1998年 改 入 实 力 雄 厚 的 Halliburton 集 团 里 的 Halliburton Service公司后,生产设备改 造,研发成果倍增。
我国主要牙轮钻头生产企业
1 《江钻股份》下属潜江和上海2个钻头厂。规模 和水平都占国内领先地位,属中石化集团。年 产量约4万只。1981-1995年与Hughes合作,引 进全套图纸设备和工艺,没有引进设计技术。 2 《成都石油总机厂》主要生产牙轮钻头,属中 石油集团。年产1.5万只。 3 《宜春飞龙钻头制造有限公司》,原名江西宜 春第一机械厂 。年产约7千只。 4 《天津立林钻头厂》。年产6千只。 共计约6.8万只,出口约1万只,内销近6万只。
钻速纪录:钢齿钻头共71项纪录,其中21项是 2000-2002年刷新的。镶齿钻头纪录60项,有12项 出在2000-2002年。
具体统计数据
表 1 国内外牙轮钻头平均指标对比 平均寿命 平均进尺 平均机械钻速 小时/只 米/只 米/小时 (54.7) 468.5 8.56 89年美国牙轮钻头统计数据 (59.2) 561.0 9.47 95年美国牙轮钻头统计数据 53.92 390.06 7.24 96年我国江汉厂牙轮钻头统计数据 42.68 315.5 7.39 96年我国26877只牙轮钻头统计数据 38.64 309.3 8.00 97年CNPC28886只牙轮钻头统计数据 39.20 289.9 7.40 98年CNPC19099只牙轮钻头统计数据 美国统计数引自 96 年 4 月《WORLD OIL》; 我国数字引自 CNPC 钻井局和江汉厂的统计
国内各厂基本状况
• 江汉实力最强,各方面 都属国内领先。但同国 外4大家比有明显差距。 • 成都的产品规格型号比 较全,经验多,质量中 等而比较稳定,正在扩 建到3万只能力。 • 江西产品品种较少,有 仿制的浮动轴承,卡环 锁紧,金属密封等新结 构(见右表)。单牙轮 产量较大。但质量受设 备和技术人员的限制。 • 立林的产能超过1万, 设备不错,产品品种增 长较快,但新技术含量 低,技术人员少。
对今后市场的估计
• 从今后发展看,如果全国总钻井工作量 没有大幅度增加,牙轮钻头可能供过于 求。尤其是中低档产品。 • 因为PDC使用比例还要增加,钻井深度 和难度也会加大,留给牙轮钻头的份额 中,需要高档品才能胜任的比例会更大。 中低档品自然供过于求。
国外先进钻头公司简介
国际先进钻头厂的标志
Smith 的主力滑动轴承
• “Spinodal分解” 是一种材料的固 态相变强化过程。 • 主轴承浮动套, 小轴承帽状套, 止推面垫片,都 用Spinodal工艺 的铜镍锡合金。
• 里面一圈的 大部用高弹 性橡胶,内 径动密封面 处用特耐磨 橡胶; • 外面一圈的 内径处用 Kevlar 纤维 加强的橡胶
Hughes的Excluder刮泥浆装置
• 牙轮底面有一 环形槽 • 牙爪斜面上装 一个平头齿与 上述环形槽啮 合 • 功用是刮去黏 附的泥浆保护 密封圈。
新材料镶齿允许长出高,大移轴距
• 过去Hughes最软的 17.5寸镶齿钻头是 IADC 51x, 其镶齿出高17.5mm;移轴距都 在9.5 毫米以下。 • 80年代中期有了IADC 43x钻头, 出高达 到 22.2 mm; • 21世纪新开发的IADC 415钻头,出高增 加到 25.4毫米,移轴距达到12.7 毫米。
新旧规径对比
MX系列轴承的高可靠性
• 最高250rpm; • 经历75万转后, 90%的单金属 密封仍有效, 而其他橡胶密 封只有30-60% 有效。 • 最高纪录达150 万转。(相当于 190rpm, 132h)
Ultra-Max 的水力系 统 射流冲向牙轮的 后方,积极地冲 洗外排齿、边切 齿、和牙轮背面, 还使液流流过钻 头外径, 有清洗 冷却轴承密封的 作用。
• 背景:1990年代后期, 新型橡胶密封已经赶 上Hughes1990年推出 的双金属密封。 • 特点是单圈金属密封 • 固定在牙轮里的有色 金属轴承套。 • 有钢齿也有镶齿。 • 有各种尺寸和软硬型 号。
Ultramax的
轴承和储油囊
Hughes的UltraMax系列的 单圈金属密封
* 滑动轴承用固 定在牙轮上的 有色金属衬套, 适于高转速。 • 衬套的端面和 梯形截面的密 封圈之间就是 金属密封滑动 面 • 背圈和蓄能圈 保证更可靠的 静密封。
每个IADC分类 外国每家钻头公司有几十种型号, 我国工厂少得多
表 3
地层 类别 钢齿 IADC 分类 Hughes Reed Smith Security 8 家总计 11— 13 13 19 24 20 76 镶齿 41-44 32 32 61 31 156 1 1 钢齿 21 镶齿 51-54 37 51 61 37 186 0 钢齿 21 镶齿 61— 64 16 37 30 15 98 钢齿 21-23 3 1 4 5 13 0 镶齿 62 钢齿 3133 2 0 0 3 5 镶齿 63-73 4 5 4 2 15 0 钢齿 镶齿 81-83 1 4 6 3 14 软及软粘 软—中 中 中—硬 硬 极硬
国内外钻头技术新进展
(2009)
马德坤
前言
本文的主要内容是: 1 一些外国新型钻头的实例; 2 我国与国外钻头相比的优势和差距; 3 产生差距的根本原因何在; 4 如何才有可能迎头赶上。
根据2003年《钻井采油年鉴》公布的钻头多次下 井累计进尺纪录表,下面选几个突出的例子:
2003年《钻井采油年鉴》里钻头单次行程进尺纪 录表 其中STX-30(537),XL-50A(637),M18C(517)
(已因知识产权问题停产)
• 12.25”GFXiODV型 是Twist & Shout 系列斜扭钢齿钻 头中的一个型号。 • 可用转速50-280 转/分,相应的建 议钻压24-4吨
Smith 的4种镶齿材料
四种牌号硬质合金的 Palmquist 断裂韧性指标
Smith的蜂窝状金刚石-硬合金复合材料
● 钻头齿面设计、分析技术和软件; ● 钻头选用软件及相应的数据库; ● 水力系统实验研究和数字分析技术; ● 轴承和密封的实验技术和设计规范; ● 钻头与钻柱联合工作仿真软件; ● 钻头使用记录和解剖记录数据库及相应 的分析技术;等。
外国先进钻头 特色举例
Hughes2000年推出UltraMax(MX)
四家一流钻头公司2001年产值
四家公司各属于一家强大集团
• Hughes-Christensen 属 Baker Hughes 集 团, 旗下有测井,完井,打捞,修井,油 田化学,钻井技术,井下工具等企业。 • Smith-GeoDiamond 属 Smith International Inc. ,它下面有Wilson公司 生产钻机等设备零部件,有M-I 公司搞 泥浆和各种化学剂,有Smith Services搞 钻井完井打捞等服务和工具;
它的蜂窝状细胞里面是聚晶金刚石+20%Co,细胞间 的界面是WC+11%Co。其耐磨性与聚晶金刚石相当, 而抗碎能力则大增。
不仅型号多,每种型号还有许多可选附加项目,如 Hughes 钻头的大多数型号具 有 17 种可选附加项目。
先进厂产品价格和利润都高
• 根据施振荣先生 的“微笑曲线”: 先进的制造业的 利润主要来自前 期的研发设计和 采购,以及后期 的营销,服务, 品牌。 • 制造本身的附加 值很小。
先进钻头厂的内在素质— 自有知识产权的核心技术
MXL,GX可选4种水力系统
GX橡胶密封镶齿钻头
• 适用于软 到中软地 层 • 轴承镀银 并加镶硬 金属块 • 防泥浆漏 入措施
GX的布齿
• 外排齿圈和修 边齿圈加强保 径。 • 牙齿加长,增 加钻速。 • 齿根加小齿, 保护牙轮壳体。
Hughes的XLX系列钢齿钻头
• 牙齿前后左右都 加焊EnduraII硬 合金,材料成分 和厚度各不相同。 • 专门用于坚实而 研磨性强的软地 层,并能穿硬加 层。兼顾钻速和 寿命。
硬地层用
来自百度文库
HardRok
• 牙轮尖部和保径部 分的布齿加密; • 用高耐磨硬质合金 齿; • BOSS准六点定位系 统;
Hughes的BOSS 扶正系统
• 提供与井壁准6 点接触,使钻 头特别平稳, 避免牙齿过载。 • 并有效保护喷 嘴和储油囊。
防泥包钻头
HydraBoss
• 加长喷嘴; • 射流洒向牙轮后 部; • 回流有利于携带 岩屑; • 齿面适于软地层 快速钻进。
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