（油气井工程专业论文）适合四川须家河组强研磨性硬地层的高效钻头研究.pdf

舢 i ， 奎驴 s t u d yo nh i g he f f i c i e n t b i tf o rs i c h u a nx u ji a h e g r o u ph a r d a n da b r a s i v ef o r m a t i o n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h u a n gl i n l i n s u p e r v i s o r ：p r o f z o ud e y o n g c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 删15 舢2舢& 册7舢8唧1脚y 一 ，m k l k 压7 、 学位论文作签名：定查鳖盎 日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借 阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩 印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：窿盐拯 指导教师签名： 日期： 日期： 年月日 年月日 k ； ，l ， 卵 摘要 强研磨性硬地层的快速钻进问题，是深井、超深井钻井提速的技术难题。四川须家 河组地层埋藏深、可钻性差、研磨性强，在以往钻井提速过程中，钻头钻速慢，寿命短， 钻头消耗量大，大大增加了钻井成本。因此，高效破岩钻头的研究，不但丰富了深井强 研磨性硬地层钻进的钻头类型，而且对提高该地区的油气勘探开发速度具有重要意义。 在对四川须家河组地层进行抗钻特性研究的基础上，通过对国内外钻头研究进展 的总结分析，结合实验手段，研究了两种m 7 4 3 g h i 型孕镶金刚石钻头。研究表明：四 川须家河组地层可钻性差，研磨性强且地层软硬交错严重。采用热压烧结工艺合成的 以天然金刚石为磨削元件，铸造碳化钨和人造单晶金刚石粉为胎体骨架材料的圆柱形新 型钻齿，能够有效破碎四川须家河组地层岩石。该钻齿的金刚石参数以粒度为7 0 目 8 0 目，浓度为1 0 0 的天然金刚石为最佳，胎体配方以p2 0 、m n1 o 、n i1 5 4 、 c o1 7 4 、c u1 5 4 、铸造碳化钨2 0 5 、w c2 7 6 、人造单晶金刚石粉0 7 ，可达 到最优磨耗比。m 7 4 3 g h i 型孕镶金刚石钻头，在软地层具有类似于p d c 切削齿的切 削破岩作用，在硬的研磨性地层中具有磨削破岩作用，实现了孕镶金刚石钻头在强研磨 性硬地层中的高效破岩，提高了深井钻井的能力。镶嵌新型热压孕镶金刚石钻齿的钻 头在室内台架实验时，钻进可钻性级值为9 2 的石英砂岩时，机械钻速达到1 3 8 m h ， 而钻头磨损速度仅为0 0 1 4 m m m ，具有较高的破岩效率和钻头寿命。m 7 4 3 g h a 孕镶 金刚石钻头在马1 0 3 井进行了钻进试验，进尺1 3 0 1 m ，纯钻时间1 1 5 6 h ，平均机械钻速： 1 1 2 m h 。钻头起出后，切削齿正常磨损，外径保径较好。 关键词：研磨性，须家河组，高效钻头，新型钻齿，综合破岩，试验研究 融 1 嘞 k ， s t u d yo nh i g he f f i c i e n tb i tf o rs i c h u a nx u ji a h e g r o u p h a r da n da b r a s i v ef o r m a t i o n z h u a n gl i r d i n ( o i l g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z o ud e y o n g a b s t r a c t t h ef a s td r i l l i n gp r o b l e mo nh i g ha b r a s i v es t r e n g t hf o r m a t i o ni sat e c h n o l o g yp r o b l e mo f t h ed e e pa n du l t r ad e e pd d l l i n g s i c h u a nx u j i a h eg r o u pe x i s tt h ec h a r a c t e r so fd e e pb u r i a l 、 p o o rd r i l l a b i l i t y 、h i 曲a b r a s i v e i np r e v i o u sd r i l l i n ga c c e l e r a t ep r o c e s s ，t h ed r i l lb i ts p e e di s i o w , l i f ei ss h o r t , d r i l lc o n s u m p t i o ni si nl a r g ea m o u n t ，t h ed r i l l i n gc o s tw a sg r e a t l yr a i s e du p t h e r e f o r e ，s t u d yo nh i g he f f e c t i v eb i t , n o to n l ye n r i c h e dt h eb i tt y p eo fd e e pw e l lh i g h a b r a s i v es t r e n g t hf o r m a t i o n , b u ta l s og i v eg r e a ts i g n i f i c a n c et oa c c e l e r a t es i t u a t i o no ft h e r e g i o n so i la n dg a s se x p l o r a t i o n 。o nt h eb a s i so fr e s e a r c h0 1 1a n t i - d r i l l i n gp r o p e r t y0 1 1s u c h u a nx u j i a h eg r o u p ，t h r o u g h s u m m a r ya n a l y s e sa b o u tr e s e a r c hp r o g r e s so fb i ta l lo v e rt h ew o r l d ，w i t hac o m b i n a t i o no f e x p e r i m e n t a la p p r o a c h e s ，s t u d yt w ot y p e so fm 7 4 3 g h ii m p r e g n a t e dd i a m o n db i t t h e r e s e a r c hd e m o n s t r a t e ：s i c h u a nx u j i a h eg r o u pe x i s tt h ec h a r a c t e r so fp o o rd r i l l a b i l i t y , s e v e r es o f ta n dh a r dc r o s s d e v e l o p i n gan e wc y l i n d r i c a l 越l l 堍t e e t h , w em a k et h e n a t u r a ld i a m o n dg r i n d m gc o m p o n e n t s ，a n dw em a k ei tm a r t i x e dw t t hc a s tt u n g s t e nc a r b i d e a n ds y n t h e t i cs i n g l ec r y s t a ld i a m o n dp o w d e r , a n ds y n t h e s i sb yh o tp r e s ss i n t e r i n gp r o c e s s a l a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sr e s e a r c hd e m o n s t r a t et h a tt h ed i a m o n dp a r a m e t e r so ft h i s d n n i n gt o o t hr e c o m m e n d e dt h es i z eo f7 0t o 8 0m e s h , 10 0 c o n c e n t r a t i o no fn a t u r a l d i a m o n d 嬲t h eb e s t , t h em a t r i xf o r m u lr e c o m m e n d e dp 嬲2 o ，m na s1 o ，n i 嬲15 4 ， c oa s17 4 ，c ha s15 4 ，c a s tt u n g s t e nc a r b i d ea s2 0 5 ，w ca s2 7 6 ，o 7 f o x - s y n t h e t i c s i n g l ec r y s t a ld i a m o n dp o w d e r , t h e ns h o u l db eo p t i m a lr a t i oi na b r a s i o n m 7 4 3 g h i i m p r e g n a t e dd i a m o n db i t 研mc o m b i n e de f f e c t so fc u t t i n ga n dg r i n d i n gr o c kf r a g m e n t i n g ，i n s o f tf o r m a t i o n s 谢廿lt h ec u t t i n gr o c kb r e a k i n gr o l es i m i l a rt op d cc u t t e r s ，i nh a r da n d a b r a s i v ef o r m a t i o nw i t ht h eg r i n d i n gr o c kb r e a k i n gr o l e a c h i e v et h eh i l 曲e f f i c i e n tr o c k b r e a k i n gi nh a r da n da b r a s i v ef o r m a t i o nw i t hi m p r e g n a t e dd i a m o n db i t i m p r o v et h ea b i l i t yo f d e e pd r i l l i n g d r i l lb e n c ht e s ts h o w e dt h a tw h e nt h eb i tw h i c hm o s a i cn e wh o ta n dp r e s s i m p r e g n a t e dd i a m o n dd r i l lt o o t hd r i l lt h eq u a r t zs a n d s t o n eo ft h ed r i l l a b i l i t ye x t r e m ev a l u eo f 9 2 ，t h ep e n e t r a t i o nr a t er e a c ht o1 3 8 m h ，t h ew e a rr a t ew a so n l yo 0 1 4 r a m m ，t h eb i tw i t h h i g hb r e a k i n gr o c k se f f i c i e n c ya n db i tl i f e mm a l0 3 # w e l l ，m 7 4 3 g h i aa c h i e v et h e f o o t a g e ：1 3 0 1 m ，n e td r i l l i n gt i m e ：1 1 5 6 h ，t h ea v e r a g ep e n e t r a t i o nr a t e ：1 1 2 m h a f t e r s t a r t i n gt h ed r i l l ，c u t t i n gt e e t ht on o r m a lw e a r , o u t e rd i a m e t e rg a g ei sb e t t e r k e y w o r d s ：a b r a s i v e ，x u j i a h e ，e f f i c i e n tb i t ，n e wd r i l l i n gt e e t h ，i n t e g r a t e dr o c k b r e a k i n g ，e x p e r i m e n t a ls t u d y 簟 f 越 囊_ r i 目录 第一章前言1 1 1 研究的目的和意义1 1 2 国内外钻头研究现状及其发展趋势总结2 1 2 1 国外钻头研究现状二2 1 2 2 国内钻头研究现状9 1 2 3 国内外钻头发展趋势总结1 1 1 3 论文主要研究内容1 2 1 4 技术路线1 3 第二章四川须家河组强研磨性硬地层抗钻特性研究1 4 2 1 岩石抗钻特性室内实验1 4 2 1 1 岩心实验1 4 2 1 2 实验结果1 6 2 2 基于测井数据解释的地层抗钻特性研究1 6 2 2 1 岩石可钻性预测模型1 6 2 2 2 岩石抗压强度预测模型二17 2 2 3 岩石压入硬度预测模型18 2 2 4 岩石研磨性预测模型19 2 2 5 砂泥岩地层石英含量与颗粒度的测井解释方法2 0 2 3 须家河组地层抗钻特性分析2 3 2 3 1 地质分层与岩性描述2 3 2 3 2 地层抗钻特性分析2 4 2 4 须家河组地层对钻头性能的要求3 0 2 4 1 钻头使用情况总结3 0 2 4 2 钻头性能要求31 第三章新型热压孕镶金刚石钻齿设计3 3 3 1 钻齿结构设计3 3 3 2 钻齿胎体配方设计3 4 3 2 1 胎体性能3 4 3 2 2 胎体组分的确定3 5 3 2 3 胎体配方优化实验二二：二二3 9 3 3 钻齿金刚石参数优选4 2 3 3 1 金刚石参数理论优选4 2 3 3 2 金刚石参数实验优选4 5 3 3 3 金刚石参数对破岩效率的影响规律分析。4 6 3 4 钻齿烧结工艺的研究4 7 3 4 1 制造工艺4 7 3 4 2 烧结温度4 8 4 4 3 保温时间4 9 3 4 4 烧结压力5 0 3 5 钻齿合成5 0 3 6 台架实验：5 1 第四章新型热压孕镶金刚石钻头设计5 4 4 1 切削结构设计。5 4 4 2 冠部剖面形状设计5 5 4 3 布齿设计5 8 4 4 水力结构设计5 9 4 5 保径设计6 1 4 6 钻头加工制造6 2 第五章新型热压孕镶金刚石钻头现场试验6 5 5 1 试验井基本情况6 5 5 2 钻头试验情况6 7 5 3 钻头分析6 8 5 3 1 钻头磨损分析6 8 5 3 2 钻头时效分析。6 8 第六章结论7 1 参考文献7 2 攻读硕士学位期间取得的学术成果：7 5 致谢7 6 v 够 气： k 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章前言 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “超深井新型高效破岩工具及配 套技术研究”。 随着勘探程度的不断提高，国际上以往地理条件较好地区的油气开采难度加大，常 规油气田的发现也在逐渐减少，新发现油田的规模总体呈变小趋势，而新增储量越来越 多地来自深水、极地等勘探程度几乎为零的开采难度更大的地区。在我国浅层、易开发 油气资源已逐渐减少，开发深部地层油气资源势在必行，如四川普光、龙岗等油气资源 大都位于深部地层。 深井超深井的钻探经常遇到砂岩、花岗岩等为主的强研磨性硬地层。四川须家河组 地层主要为硅质胶结的石英砂岩，岩石强度高、研磨性强、可钻性差，钻头消耗量大( 占 全井的7 3 3 ) ，钻头进尺和平均寿命均较短。p d c 钻头钻进这种强研磨性硬地层时， 吃入困难，磨损速度快。例如，川效5 6 0 井共使用了5 只p d c 钻头，平均单只钻头进 尺1 4 6 6 2 米，平均钻速0 9 8 6 m h 。牙轮钻头钻进该地层时，钻进速度慢，单只钻头进 尺少。如河坝1 井1 2 1 4 _ 井眼共使用9 只5 3 7 牙轮钻头，平均单只钻头进尺4 6 5 8 米， 平均机械钻速0 5 3 m h 。为解决须家河组钻速慢、进尺少的问题，国内外许多钻头厂商 和研究单位试制了天然金刚石表镶钻头、巴拉斯钻头、孕镶金刚石钻头等，现场试验均 未取得令人满意的效果。孕镶金刚石钻头是对付研磨性硬地层的主要破岩工具，但以往 对金刚石参数和胎体性能的设计手段落后，且钻头结构设计形式单一，已无法满足“打 成、打好、打快 的现代深井钻井要求【”】。因此，如何研制适合四川须家河组强研磨 性硬地层钻进的高效钻头，成为一个亟待解决的技术难题。 针对四川须家河组强研磨性硬地层钻进过程中，钻头类型单一，钻头钻速低寿命短 的问题，本文旨在针对地层特性，提出创新型钻头设计理念，通过试验手段，并运用三 维可视化软件进行辅助设计，最终设计出一种新型高效破岩钻头，该钻头的研制成功， 必将有效解决强研磨性硬地层钻进中钻头钻速低、寿命短的问题，缩短深井、超深井钻 井周期，加快石油天然气勘探开发速度。 第一章前言 1 2 国内外钻头研究现状及其发展趋势总结 目前国内外在油气的勘探开发施工中，主要采用旋转钻进，配合牙轮钻头、p d c 钻 头，金刚石钻头和喷射钻井等技术，当遇到研磨性、硬地层时，钻进效率很低，钻头寿 命短，施工周期长，钻进成本高。如何解决油气井强研磨性硬地层的钻进难题，是国内 外钻探专家普遍关注的课题。 1 2 1 国外钻头研究现状 ( 1 ) 牙轮钻头 目前，牙轮钻头占油田钻头使用总量的7 0 左右，由于其技术成熟，成本低，因此 占据了较大市场份额。但是在深井硬岩地层牙轮钻头很容易掉齿、损坏。牙轮钻头切削 齿的强度及排列方式和轴承的密封性是提高钻头效率和寿命的关键因素，为了达到钻头 高效率长寿命碎岩的目的，国外各大钻头公司在这几方面做了新的研究。 切削齿强度及数量 美国史密斯钻头公司生产的f h 系列牙轮钻头，机械钻速高，具有优良的耐用性和 可靠性，这些优良性能主要得益于下列因素：能够向地层施加最大机械能的镶齿几何形 o 状；大幅度提升了镶齿耐用性的材料；。通过坚固耐用的镶齿、弹性元件和轴承材料所实 现的可靠性；以及可实现高效清洗和水力能量集中的自适应水力系统。 美国新技术钻头公司( n e wt e e hi 沁c kb i t ) 推出了一系列7 7 8 的新型牙轮钻头： 即n t l 7 c t m 、n r 2 7 、n t 0 9 c t m 以及n t 4 5 t m 系列钻头。这种新型钻头的切削结构 更经久耐用，且其齿数要比n t l 5 x 钻头的齿数多1 6 ，以便在被用于钻研磨性、硬地 层时能实现更长的钻时。 轴承密封 隶属于哈里伯顿能源服务公司的赛克瑞特d b s ( s e c u r i t yd b s ) 公司，通过对其整个 制造和设计工艺进行彻底的改造，成功推出了新型x 系列牙轮钻头。该系列钻头从设计 到材料、工艺等各方面都有很大改进，尤其提升了轴承承载能力和密封效果，该公司的 7 8 7 5 i n x s 7 3 t m 钻头在美国得克萨斯州东部某油田使用时其密封效率达到了9 0 ，而在 使用x 系列钻头之前其他钻头的平均密封效率仅为7 0 。 ，v a r e1 国际公司研发的h i g he n e r g y 系列钻头，对密封系统和轴承系统进行了更精确 的设计。其核心技术是能够提供更好莫风效果的圆锥形密封压盖、能够承受重载荷的强 2 l 锄 幻 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 度更高的滑动轴承、能够减少岩屑在井下滞留时间的自排储油容器，保护井下钻具。在 美国得克萨斯的塔兰特县jh i g he n e r g y 牙轮钻头的平均钻速达到1 0 5 2 m h ，比以往钻 头钻速提高了2 9 4 1 。 图1 - 1h i g he n e r g y 牙轮钻头 f i g 1 - 1h i g he n e r g yc o n e b i t 赛科瑞特( s e c u r i t y ) d b s 公司在其高性能的“能量平衡 系列牙轮钻头上应用了 新o 型密封圈和新的压力补偿系统，并改进了轴承设计及其制造工艺。使这种新型轴承 密封系统的密封可靠性提高了5 0 。 美国休斯顿的史密斯钻头公司，其g e m i n i t m ( 双子座) 牙轮钻头使用一种“双密封 结构，用以在高速钻井中延长使用寿命并提高可靠性。g e m 陆瑚系列牙轮钻头采用一对 协同工作的密封圈以提供一种高度可靠和耐用的牙轮钻头密封结构，采用先进的密封材 料和独特的、具有专利权的几何形状是这种密封结构成功的关键【5 】。 ( 2 ) p d c 钻头 p d c 钻头是美国石油钻井工程2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初的一项重大技术成就。 有资料显示，2 0 0 0 年，p d c 钻头的钻井进尺仅占世界钻井总进尺的2 6 ；到2 0 0 3 年， 这一数字已增加到5 0 ；2 0 0 6 年，更是上升到了6 0 。p d c 切削齿的性能、钻头稳定 性以及合理的结构设计是钻头高效长寿命破岩的关键，国外各大钻头公司分别在这几方 面做了新的研究。 p d c 切削齿的性能 瑞德海卡洛格( r e e d h y c a l o g ) 公司是斯伦贝谢公司的一个分公司，切削齿技术是 该公司重点关注的一个领域，为了适应日益严峻的钻井要求，研制了能够减少在硬岩中 3 第一章前言 的冲击损坏且稳定性很好的s t e e r i n gw h e e l ( 方向盘式) 结构的“t r e x t m 人造金刚石 齿，该公司的p d c 研究小组还开发出一种由部分碳化钨边沿支撑19 1 1 m l 齿的新型“i r i s 齿，这种整体碳化钨边沿在钻头体上的齿穴底部起一缓冲垫的作用。此后，又研制了一 种通过在金刚石复合层的边缘和表面包裹一层耐高温的材料的p d c 齿，提升了一下三 方面的性能，第一，耐高温材料延续到w c 基体与地层摩擦的地方，这提高了w c 基体 的导热性能，第二，一旦耐高温材料磨成“双刃 形状，切削结构就会演变成图所示， 因为两个边缘都切削岩石，从而提高了钻速，第三，当形成新月形状时，会使得切削齿 整体更坚韧。通过以上三方面提高了钻齿的寿命和钻速。用该钻齿设计地钻头成功钻进 北墨西哥研磨性、硬地层，并通过提高钻速节约超过3 0 的费用。 图1 2 耐高温耐磨损p d c 齿 f i g 1 - 2h i g hr e s i s t a n to ft e m p e r a t u r ea n da b r a s i o n p d ct e e t h s m i t h 公司也推出了一种新的高耐磨切削齿，显著提高了强研磨性硬地层的钻速和 进尺，新切削齿技术采用革新的设计和制造流程，将制造过程分为两步，第一，使用传 统的高温高压参数制造金刚石复合层，第二，在极高的温度和压力下将p c d 与硬质合 金层结合在一起，这有两个优点，第二部减少了p c d 的残余应力两步高温高压流 程增加了p c d 的微观强度。用该p d c 齿设计的钻头在e a s tt e x a sb a s i n 实验表明，钻井 效率提高了3 2 0 。 钻头稳定性 r 哥一4 百毒| _ 十一寸_ 寸 ；p d cc u t t e r p c dd s cr e a t t a c hd i s c ，时h t h pc y c l e 2 一t t p h tc y c l e 图1 - 3 高耐磨切削齿 f i g 1 - 3h i g hw e a r - r e s i s t i n gc u t t i n gt e e t h 4 4 0 吣 “ 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 h u g h e sc h r i s t e n s e n 的q u a n t e c 系列优质p d c 钻头。如图1 - 5 所示。该钻头的 s m o o t h c u t 切削深度控制专利技术使钻头能够更为平稳地钻进，从而减轻切削齿( 尤其是 在钻夹层地层时) 的早期磨损。这种新型钻头还融合了负载平衡切削结构技术，此切削 结构中含有弦降控制技术以及侧向运动缓解技术，以减轻钻头的振动并提高其对回旋的 抵抗能力。 图1 4q u a n t e e 系列p d c 钻头 f i g 1 - 4q u a n t e es e r i e sp d c b i t h u g h e sc h r i s t e n s e n 公司基于对钻头稳定行的最新研究推出新型g e n e s i s t m 系列金刚 石钻头。通过研究钻头有两种类型的稳定性：主要稳定性和辅助稳定性。在不稳定阶段 ( 主要稳定性) 即可减小振动的严重性( 辅助稳定性) ，因而便能通过防止钻头切削齿撞击 井壁发生损坏，而在很大程度上改善g e n e s i s 钻头的耐用性。伯灵顿资源公司使用一只 g e n e s i sd p 0 3 6 7 钻头在阿尔及利亚的杰塔1 号井中钻完了整个1 2 2 5 i n 井段，创下了单 只钻头进尺记录。而且，在钻多夹层的白垩纪和侏罗纪地层时还创下了2 2 5 3 m 的进尺记 录【6 】。 b a k e rh u g h e s 研究人员运用切削深度控制技术( d e p t h - o f - c u t ) 来提高钻头稳定性，为 了使钻头在前期具有很强的攻击性，并且在后期具有较长的使用寿命，运用各种钻头剖 面、布齿方式和多排补强齿来管理金刚石体积的技术( d i a m o n dv o l u m em a n a g e m e n t ) 来提 供更高的钻速和更久的寿命，开发模拟软件来计算钻头力学稳定性，运用计算流体力学 技术优化水利结构，并通过窄点( p i n c hp o i n t ) 和切削轨迹( c u t t i n gt r a j e c t o r y ) 控制技术来优 化刀翼形状，最新的切削齿技术，采用优化的粒径范围、烧结工艺、交界面，从而具备 s 第一章前言 很高的耐磨性。，在c a m b r o o r d o v i c i a n 的强研磨性硬地层中，一只7 刀翼钻头取得了很 好的钻进效果。 图l - 5b a k e rh u g h e sp d c 钻头 f i g 1 - 5 b a k e rh u g h e sp d cb i t 钻头结构形式 s m i t h 公司采用特殊的布齿方式，将p d c 切削齿以不同的后倾角分布在不同的刀翼 上，并且同一个刀翼上的后倾角也依次由低( 第一组齿) 到高( 第二组齿) 交替分布，当旋 转到径向剖面是，第一组齿和第二组齿重叠在一起，并且独自形成一个完整的并底覆盖， 因此，如果任何一组齿中的任何一个齿，磨损严重了，可以由另一组齿中的其他齿替代， 继续高效钻进。采用多模式金刚石镶合技术，将细颗粒金刚石和粗颗粒金刚石镶合到一 起，从而有效兼顾了切削齿的耐磨性和抗冲击韧性。通过优化w c 交界面来减少切削齿 的残余应力，从而可以适当增加金刚石复合层的厚度，提高寿命。 图1 _ 6 特殊布齿方式 f i g 1 6s p e c i a li n s t a l l a t i o nt o o t hw a y 6 t j 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 x t r e m c 工具公司，采用刚体钻头布置多排齿盼技术设计了具有更高刀翼的新型 p d c 钻头，从而拥有更高的金刚石体积浓度和更大排屑空间，从而有效提高钻头钻速和 使用寿命，在b r i t i s hc o l o m b i a 的钻进过程中，一些列的多排齿刚体钻头取得了近乎两 倍于先前钻头的钻速和3 0 的进尺提升。 攀龇 图1 - 7 多排齿刚体钻头 f i g 1 - 7 m u l t it o o t hr i g i dd r i l lb i t ( 3 ) 孕镶金刚石钻头 由于牙轮钻头结构比较复杂，坚硬地层容易出现掉齿等现象，p d c 钻头适合钻进软 中硬岩层，所以油气钻井中坚硬地层的钻井常选用孕镶金刚石钻头。近几年，各大钻 头生产商的研究重点除了以往的材料研究外，另一个研究重点是钻头的结构创新。 r e e d h y e a l o g 公司专门设计的d u r a d i a m o n d 金刚石孕镶钻头，用于硬地层、研磨性 地层，融合了先进的材料技术以及水力和其他性能强化技术，包括整体铸造在钻头体上 的t s p 齿，来提高进攻性，根据不同情况而设计不同数量的排屑槽等技术。阿曼石油开 发公司使用这种钻头在s a i h r a wl 油田的s r 2 7 3 井创造了世界井段纪录，该钻头成功钻 完了1 7 5 5m ，钻进时间31 8 h 平均机械钻速5 5 2 m h 。 图1 8d u r a d i a m o n d 孕镶金刚石钻头 f i g 1 - 8 d u r a d i a m o n di m p r e g n a t e dd i a m o n db i t s 7 第一章前言 h u g h e sc h r i s t e n s e n 公司研制的h e d g e h o g 孕镶金刚石钻头在软硬交互地层钻进时取 得了非常好的效果。其中r 3 0 基体适用于钻软硬交互地层。在阿尔及利亚的h a s s i m e s s a o u d 油田进行现场试验。2 0 0 3 年1 月，在阿尔及利亚第一次使用涡轮钻具和孕镶 金刚石钻头成功钻穿固井和套管鞋设备，节省一次下钻和磨铣牙轮钻头。在垂直井井 深2 9 4 1 m 中，钻头钻了4 0 m 的固井设备和1 3 0 m 的地层。钻头机械钻速4 4 6 m h ，节约 总成本节约$ 3 8 0 0 0 7 1 。 传统的孕镶金刚是钻头常用于替代深井软硬交互地层钻进中的牙轮钻头，以减少起 下钻次数和钻井风险来降低成本，但是其过低的钻速已达不到现代钻井的要求，为提高 钻速，b a k e rh u g h e s 生产了一种新型钻头，该钻头具有间断切削结构，这减少了钻头堵 塞的倾向，并使得钻速更高。并设计了三种不同的新型胎体材料，来匹配地层。 图1 - 9b a k e rh u g h e s 孕镶金刚石钻头 f i g 1 - 9 b a k e rh u g h e si m p r e g n a t e dd i a m o n db i t s s m i t h 公司采用革新的设计理念，加工制造了k c 系列孕镶金刚石钻头，在针对强 研磨性硬地层的钻井中，创造了很高的经济效益。该钻头在内锥区域内焊镶p d c 切削 齿，以提高该部分的钻速，运用专有技术扩大其应用范围，并避免了常规孕镶式钻头的 固有局限性。钻头上的热压金刚石粗齿( g h i ) 为金刚石孕镶圆柱齿。其材料性质不同于 刀翼胎体的性质，并在与钻头胎体不同的温度和压力条件下加工制造的，在钻头胎体烧 结结束后，被钎焊进刀翼中，因此g h i 比胎体具有更高的耐磨性。g h i 齿的出露高度 高于刀翼表面，且其排列格局特殊，从而能提供完全的井底覆盖且耐用性更好。为了连 接高速涡轮，发明了i n t e g r a l - b o x 接头，该接头采用各种保径措施来确保高效保径。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 巍 k - ) c r p x i 抽- l 鳞姻 图1 1 0s m i t h 孕镶金刚石钻头 f i g 1 - 1 0 s m i t hi m p r e g n a t e dd i a m o n db i t s 1 2 2 国内钻头研究现状 ( 1 ) 牙轮钻头 常规牙轮钻头在硬地层钻进时易出现断掉齿、牙齿磨损、轮尖磨损及钻头缩径等失 效形式，江钻通过对这些失效形式深入分析研究，并利用先进的计算机三维模拟技术和 大量的台架实验，研究开发出h f 系列硬地层钻头。现场使用结果表明，h f 系列钻头 具有寿命长、可靠性高、机械钻速快和保径能力强等特点。 图1 1 1 江汉h f 系列钻头 f i g 1 - 1 1j i a n g h a nh f s e r i e sd r i l lb i t 针对超高转速的工况条件，江钻发明了滚滑复合轴承，并与金属密封配合使用，使 钻头在这种超高转速工况下具有高的轴承可靠性和长寿命，并开发适应超高转速钻进的 切削结构和加长双喷嘴水力结构。s m d 超高速马达钻头在俄罗斯市场配合涡轮使用， 在4 0 0 r p m 以上的使用条件下，钻头达到3 0 小时以上稳定工作寿命。 西南石油大学“油气藏地质及开发工程 国家重点实验室进行了钢齿牙轮钻头齿面 9 第一章前言 强化复合堆焊实验研究，研究表明通过一定堆焊工艺在钢齿牙轮钻头齿面形成了组织致 密均匀、硬质点与基体融合良好的强化层，其抗剪强度达到了6 2 5 m p a 磨损量减少了 1 0 7 0 ，延长了钻头的使用寿命。 北京石油化工学院利用等离子喷涂技术在牙轮钻头金属密封环材料2 0 c r n i m o 合金 钢表面喷涂均匀、致密、厚约2 6 0 u m 的w c c o 硬质涂层，改善了合金表面抗磨损性能， 摩擦因数将为o 3 3 。 ( 2 ) p d c 钻头 四川川石克锐达金刚石钻头有限公司平成不断创新的传统，战队深部难钻地层岩 石的力学特性和钻头的失效机理开展了深入研究，推出新一代的p d c 钻头“c k 系 列，一种能够在致密、高研磨性的复杂地层中钻进的钻头，该钻头采用新型抗冲击切削 齿，齿的金刚石与硬质合金基体之间结合表面的改进使金刚石层的残余应力明显降低， 全新金刚石层配方提高了齿的抗研磨性和热稳定性，将c f d 技术与p d c d s 系统相结合， 模拟不同工况下的井底流场变化，实现钻头水利结构的优化设计，提高深井水力能量的 利用效率。 如 庞镄矬 图1 1 2 川石搿c k ”系列p d c f i g 1 - 1 2 s i e h u a ns t o n e c k s e r i e so fp d c 渤海装备中成机械公司系统分析了钻头涡动的成因，提出了防止钻头涡动的方法， 采用螺旋刀翼布齿方式( 加大钻头与井底接触面积) ，可大大加强钻头的稳定性。优 化复合片切削角度，从而在力学上使不平衡力减至尽可能小，从根本上减少涡动的程 1 0 0 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 度。利用低摩阻保径技术。低摩阻保径技术是利用一个大的不产生切削作用的耐磨凸 缘来平衡切削时产生的不平衡力，从而减小复合片的冲击破坏。此技术是建立在受力计 算的基础之上。利用流体力学配合数字仿真优化钻井液流动及水力结构【趴。 ( 3 ) 孕镶金刚石钻头 由胜利钻井院2 0 0 6 年研制生产的首只孕镶金刚石钻头，在四川大邑1 井投入使 用，进尺7 2 7 5 m ，纯钻进时间9 3 6 9 h ，进尺较牙轮钻头和p d c 钻头有大幅增加。川西 地区属岩石硬度极高的研磨性地层，钻头进尺少，机械钻速慢，钻井事故经常发生，大 大影响了正常的钻井生产。为解决钻进难题，胜利钻井院专门研制开发了与地层相适应 的孕镶金刚石钻头。 吉林大学将仿生非光滑理论和自再生理念应用到破岩钻头中，有针对性地进行仿生 钻头研制。历经两年多的研究，2 0 0 9 年6 月成功研制出仿生石油钻头。这只钻头直径 2 4 1 3 毫米，孕镶金刚石，平均机械钻速达o 7 7 米，j 、时，进尺1 6 1 米，与同井、同地层 相邻牙轮钻头相比，钻速提升1 9 7 ，寿命提高3 8 8 倍。仅此一只钻头在一口井上使用， 就可节约钻井费用约1 0 5 万元。 图1 1 3 仿生孕镶金刚石钻头 f i g 1 1 3 b i o n i ci m p r e g n a t e dd i a m o n db i t s 1 2 3 国内外钻头发展趋势 通过上述钻头研究现状分析，可以看出，面对日益严峻的钻井挑战，国内外各公司 和研究院所，分别对现代钻井中常用的三种钻头作了许多新的研究。其中牙轮钻头在钻 齿新材料、新结构及其在钻头上的排列方式，更好密封效率的密封系统等方面作了改进； p d c 钻头在钻齿新工艺、新结构及其在钻头上的布齿方式，提高钻头稳定性，以及优化 第一章前言 水利结构方面取得了显著成果；孕镶金刚石钻头的研究重点放在了钻头结构形式及水利 结构优化等方面。此外，通过动态模拟和模型理论验证钻头设计性能的软件系统也越来 越成为研究热点，这不仅有效的确保了钻头性能而且大大缩短了产品开发周期4 1 。从 国内外钻井趋势及上述新产品的使用效果来看，使用牙轮钻头已经很难大幅度提高钻井 速度了，而金刚石钻头机械钻速高，进尺多，寿命长，极大地提高了钻井速度，尤其是 孕镶金刚石钻头，在解决研磨性、硬地层的钻进难题中，拥有更好的安全稳定性和性能 提升空间。 1 3 论文主要研究内容 结合国内外研究现状，对强研磨性硬地层中钻速低寿命短的问题，进行了系统的分 析，并以此提出钻头设计方案。论文的主要研究内容有： ( 1 ) 四川须家河组强研磨性硬地层特性研究。实验研究该地层岩石力学性质及可钻 性，包括：抗压强度、压入硬度、可钻性、研磨性、塑性系数、声波时差等。根据研究 得出的地层特性，总结分析现场钻头使用资料，结合理论分析，得出钻头失效机理，并 提出对高效钻头的性能要求。 ( 2 ) 新型