PDC钻头设计与优选技术.ppt

PDC钻头优化设计与选型技术 塔里木油田分公司勘探事业部 二00四年三月九日 塔里木油田分公司2004年度勘探钻井技术座谈会 PDC钻头优化设计与选型技术 中国石油大学 北京 二00五年三月九日 一 PDC钻头使用现状二 钻头优化设计三 综合选型技术四 各区块钻头设计与选型五 应用效果 PDC钻头优化设计与选型技术 塔里木油田油藏埋普遍埋藏较深 深度4000 6000米不等 地质情况复杂 地层可钻性差 钻井周期长 成本高 经与各钻头厂家10余年的联合攻关 形成了以FM FS M MS G STR BD DS DSX等为代表的一系列新型PDC钻头 先后完成了柯克亚 克拉苏 大北 却勒 迪那 塔东等地区一批典型高效井 钻头技术基本满足了探区复杂井的需要 钻井成本得到了有效控制 探井 评价井平均机速由1999年的2 21米 小时提高到2003年的3 89米 小时 四年提高了76 平均每年提高15 以上 一 PDC钻头使用现状 一 PDC钻头结构设计的基本参数 二 钻头优化设计 1 切削结构设计的基本参数 2 水力结构设计的基本参数 二 钻头设计理论的研究 1 传统的PDC钻头设计理论等切削体积原则 等功率原则 等磨损原则 等切削体积原则 即以每个切削齿的切削体积相等为原则 sj 第j颗切削齿的破岩面积 Rj 第j颗切削齿距旋转中心的距离 等功率原则 每个切削齿的切削功率相等 Sj 第j颗切削齿的破岩面积 Rj 第j颗切削齿距旋转中心的距离 Aj 岩石的单位体积破碎功 等磨损原则 等磨损原则的目标函数为使钻头每个切削齿的磨损速度一致 由于影响磨损速度的因素众多 目前还没有合理的函数表达式 传统PDC钻头设计理论的局限性 传统PDC钻头设计理论与方法 对于PDC钻头的设计有一定的指导意义 但在实际应用过程中还存在许多问题 特别对于刮刀式PDC钻头的设计 理论与实际差距更大 原因在以下几个方面 等切削体积布齿原则可以用于PDC钻头的实际设计 但是实际应用表明 按等切削原则设计时 靠近钻头规径部位布齿密度不够 外缘部分切削齿的磨损比中心区域切削齿大三倍左右 同时等切削体积布齿原则没有考虑齿与地层的相互作用 不能准确反映切削齿受力以及磨损的规律 对于等功率 等磨损原则 由于对钻头齿与地层相互作用的规律的研究不够系统完善 还不能用于实际钻头设计 传统的PDC钻头设计理论用于 满天星 式PDC钻头结构设计精度较高 但刮刀式PDC钻头的结构与 满天星 式PDC钻头结构形式差别巨大 其设计理论在传统理论的基础上发展完善 图1PDC钻头的不平衡力 二 PDC钻头设计理论的最新研究成果1 平衡力设计 由于钻头齿的受力的合力不平衡 如图1 在旋转过程中使钻头的旋转中心偏离井眼中心 造成钻头在公转的同时伴有间断性自转 从而形成涡动 平衡力设计的方法 改变切削齿的空间角度消除不平衡力 采用不对称刀翼设计消除不平衡力 采用低摩擦保径设计抵消不平衡力 采用轨道式布齿形成的沟槽限制钻头的涡动 图2钻头切削的井底A 常规B 涡动 图3平衡力设计示意 改变切削齿的角度及位置 不对称刀翼设计 图4轨道布齿示意图 同轨道部齿 图5轨道布齿切削的井底 图5低摩擦保径 2 减振齿设计 钻头受钻柱运动的影响以及与地层的相互作用 纵向振动不可避免 钻头的纵向振动使的切削齿受到不规则的冲击作用 造成切削齿的破坏 为减小切削齿的冲击破坏 提出了减振设计的方法 该方法主要有两种形式 图6冲击抑制器示意图 图8减振齿设计 3 具有自主知识产权的设计理论 根据刮刀PDC钻头的结构特点 以钻头实际应用的磨损情况为依据 结合PDC钻头设计的基本理论 提出了刮刀PDC钻头设计的新理论 局部强化设计理论 问题的提出 现有的PDC钻头 虽然在传统设计理论为基础设计引入新的设计理论 但是在实际应用过程中 在正常磨损的情况下远没有达到等磨损的程度 在鼻部至侧部存在明显的偏磨现象 如图所式 图7钻头容易破坏的部位 图8钻头严重磨损部位 根据钻头受力差异在不同部位使用不同性能的齿 钻头齿受力的有限元分析 原因分析 由于对于切削齿与地层相互作用的规律认识不够 等功率与等磨损原则没有真正的由于实际钻头设计 而依据传统的等切削体积准则进行的设计存在明显的误差 钻头的冠部形状对钻头不同部位切削齿受力与磨损的影响巨大 而至今对于其影响规律没有明确的结论 刮刀式PDC钻头的结构形式使钻头的流道畅通无阻 极大的改善了水力携岩的条件 但其结构形状也使布齿的空间受到了限制 难以实现等磨损布齿 由于切削齿与地层相互作用的规律不可能在短时间内认识清楚 上述问题从根本上解决条件还不成熟 对于刮刀式钻头结构 实际应用结果表明刮刀式PDC钻头的宏观结构是理想的PDC钻头结构形式 钻头的设计应当以这种结构形式为基础 那么 如何解决现有钻头切削齿偏磨的问题 进一步提高钻头的质量呢 局部强化设计理论的构思 对于刮刀式PDC钻头 冠部形状 刮刀数确定 钻头局部布齿的有效长度确定 局部布齿的数量也即确定 图11刮刀PDC钻头布齿特点 在此条件下 要解决钻头局部磨损严重的问题只有以下几种途径 磨损严重的部位采用最大密度布齿 以最大限度的增加局部切削齿的当量密度 其它部位采用等切削体积布齿 极限密度布齿部位 强化部位 等切削部位 图12钻头布齿密度的基本思路 局部最大密度布齿 图11钻头布齿密度的三维展示 磨损严重的部位采用高质量的切削齿 增加局部耐磨性 其它部位采用次品级的切削齿 使磨损速度达到一致 最小间距 不同质量 图12实际钻头布齿密度展示 采用不同尺寸的切削齿 增加易磨损部位局部的耐磨性 优化钻头的冠部形状 以增加磨损严重的部位的总弧长 以在此部位放置更多的齿 局部强化设计的主要内容 钻头易损坏部位局部强化设计 适当强化保径部位的布齿密度 内锥部位的布齿以等切削体积原则设计 钻头的冠部形状 刀翼数量根据地层条件确定 钻头切削齿的空间结构参数根据地层条件参考优化设计结果确定 通过改变刀翼的角度达到平衡力设计 4 PDC钻头的优化设计 在进行设计理论研究的同时 还对钻头结构参数进行了优化 这些优化设计包括 1 钻头结构的三维设计与仿真 三维仿真 三维结构设计展示 图15三维干涉验证 图21钢体三维设计 水力结构参数的三维结构设计 喷嘴角度与位置是有限元数值模拟的计算结果 使射流的携岩效果和水射流辅助破岩效果都达到最优 刀翼及水道的三维设计 为使岩粉尽快排离井底 避免出现二次破碎现象 防止钻头泥包 在钻头强度允许的前提下 最大限度的增加过流空间 2 水力结构的优化设计 利用ansys软件进行了水力结构的优化设计 窄刀翼 流道深 中心喷嘴大角度 图18水力结构的优化结果 短保径 保径齿出刃 图18保径部分结构设计 二 钻头优化设计 1 针对深部地层研磨性强的特点 采用了大量新型金刚石含量更高 抗冲击能力更强 寿命更长的复合片 使PDC钻头的抗冲击 抗研磨性以及使用寿命大幅度提高 三 针对具体地层的钻头优化设计技术 加厚环槽蜂窝镶嵌齿 Hammer 二 钻头优化设计 金刚石层与碳化钨基坐结合更牢固 应力更分散 外环增加一圈金刚石层的同时增加了复合片的金刚石含量 环槽型的镶嵌方式增加了复合片的抗冲击性 切削齿的金刚石层厚度2 29mm 比普通切削齿的金刚石含量增加1倍 极大地提高了齿的抗冲击性和抗研磨能力 GT齿是新近开发的超强切削齿 增大了金刚石层与碳化钨基座间的接触面积 提高了切削齿抗冲击能力 是夹层 高研磨性地层的专用切削齿 GT加厚齿 二 钻头优化设计 Reed公司超强切削齿 TRex 超级热稳定抗磨层 聚晶金刚石层 碳化钨齿座 极强的热稳定性 抗研磨性提高了400 机械钻速提高了40 二 钻头优化设计 TITAN 齿 整体结构的硬质合金支撑座 较厚的金刚石层 较低的残余应力 平均降低20 50 较高的抗冲击性 提高了两倍以上 较好的抗研磨性 提高了约30 二 钻头优化设计 DRAGON齿 由于其独特的金刚石层与碳化钨基座间的连接方式 抗研磨和抗冲击综合性能良好 主要用于钻头主切削部位 肩部和鼻部外侧 二 钻头优化设计 2 针对上部软 中硬地层特点 采用钢体式 大螺旋刀翼 大排屑流道设计 二 钻头优化设计 钢体钻头没有胎体钻头烧结时的残余应力 抗冲击 抗回旋能力强 加长了碳化钨基座长度来保证有足够的焊接面积 允许切削齿出刃高 刀翼高度比普通钻头增高一倍 使钻头的攻击性大大增强 大螺旋刀翼设计可有效地防止钻头发生回旋 使钻头工作更加平稳 大排屑流道设计 可以更加有效地使钻屑及时清离井底 避免重复切削 提高钻头功效 防止钻头泥包 二 钻头优化设计 3 针对地层软硬交错 切削齿吃入地层不均等引起的钻头蹩 跳现象 采用多种抗回旋设计技术 二 钻头优化设计 切削齿力平衡设计 采用专门的计算机软件 对每一个切削齿进行受力分析计算 把切削齿在井底承受的轴向与径向不均衡的交变载荷控制在最小范围内 极大地提高了钻头在井底的工作稳定性 二 钻头优化设计 非对称刀翼设计 以抗回旋设计为基础 能有效控制和削弱钻头在井下工作时的回旋效应 提高钻头工作的平稳性 螺旋刀翼与螺旋保径设计 与直刀翼和直保径设计相比 螺旋刀翼可提高刀翼的布齿密度 增大与井底的接触面积 降底钻头扭矩 提高钻头寿命 采用螺旋保径可降低钻头有效规径的长度 增大保径面积 改善PDC钻头对井眼轨迹的控制能力 二 钻头优化设计 防碰齿 减震齿 设计 平衡井底产生的径向与轴向震动载荷 使钻头在井下工作更平稳 防止钻头出现切削齿先期破坏 同时防止钻头修边齿与保径齿吃入地层 引起钻头发生回旋 提高钻头钻穿砂 砾岩夹层的能力 避免在软硬交错地层损坏切削齿 保护钻头 二 钻头优化设计 4 针对抗压强度高或弹塑性强的地层特点采用的钻头优化设计技术 二 钻头优化设计 尖圆混合齿设计 尖齿因与地层接触面积小受力集中 钻遇抗压强度高或弹塑性较大的地层易于吃入 岩石在较大的接触应力作用下产生先期破碎裂纹 随着钻头的不断旋转 尖齿在岩石中切出一条条轨道形 卸荷 槽 紧随其后的圆形切削齿则以剪切方式切削强度已大大减弱的大块岩石 达到快速钻进的目的 二 钻头优化设计 切削齿负前角的调整 对于常规设计 为保证PDC钻头的使用寿命 切削齿负前角一般为20 25 30 钻头吃入地层能力差 攻击性不强 针对不同深度的不同岩性在兼顾钻头寿命的前提下 适当减小负前角 增强切削齿吃入地层的能力 可获得较高的机械钻速 二 钻头优化设计 5 针对山前上部地层倾角普遍较大的特点 采用短保径优化设计技术 缩短钻头保径能减小钻头与井壁接触产生的扭矩 降低了保径表面积而增加了钻头单位保径表面积的接触力 增强了钻头的侧向切削能力 配合钟摆钻具组合 有利于井斜控制 二 钻头优化设计 6 针对长裸眼段 盐膏层等复杂地层特点 采用倒划眼齿优化设计技术 针对长裸眼段 盐膏层等复杂井段 以及定向井钻井 采用适合于倒划眼工艺的设计 每个刀翼加装倒划眼齿 以利于在易缩径井段顺利倒划起出钻头 二 钻头优化设计 7 针对地层易水化膨胀造成钻头泥包的地层特点 采用防泥包优化设计技术 二 钻头优化设计 FS系列钻头全部进行了负离子处理 钻头表面呈负电 使带负电荷的泥岩钻屑与带负电荷的钻头体之间产生相互排斥作用 从而达到防泥包目的 8 调整切削齿出刃高度 提高钻头攻击性 随着切削齿外观结构的改变 金刚石含量的增加和焊接工艺的改善 与钻头攻击性密切相关的切削齿出刃高度有了进一步提高 该技术在钢体钻头上获得广泛应用并取得很好的效果 二 钻头优化设计 9 低扭矩保径优化设计技术 保径部位覆焊一层天然金刚石耐磨层 可大幅度提高保径寿命 同时可以降低保径与井壁的磨擦扭矩 二 钻头优化设计 10 高密度钻井液体系下采用负压喷嘴技术 常规喷嘴在井底产生的是正压力场 在高密度钻井液体系下它对井底钻屑有较强的压持作用 不利于有效快速清洗钻屑 而负压喷嘴在井底产生的是负压力场 对井底钻屑的压持作用转变为抽吸作用 起到快速 高效清岩的作用 提高机械钻速 二 钻头优化设计 11 采用计算机软件优化金刚石钻头设计 3D井下动态模拟软件设计技术 3D动态模拟软件可对钻头在井底工作时向前回旋 向后回旋和钻井过程钻具滑移状态进行模拟 及时改进不合理设计 确保钻头下井后处于最佳工作状态 二 钻头优化设计 水力分布优化设计软件技术 针对不同尺寸 不同刀翼数 钻遇不同的地层岩性 利用水力分布优化设计软件 充分考虑钻头在井底工作需要的清洗 冷却 携沙作用 从钻头水力设计到水眼分布作到合理完善 保证钻头获得最大的破岩水力功率 二 钻头优化设计 三 PDC钻头综合选型技术 1 利用邻井相关井段的声波时差 伽玛时差 密度及孔隙度测井数据 计算出代表岩石硬度的抗压强度和代表岩石研磨性的内摩擦角数据 形成相关的曲线 再利用大量统计数据形成的金刚石钻头选型依据 初步判断每一井段钻头选型的可行性 进而形成全井段钻头的选型方案 推荐的金刚石钻头适用范围 岩石抗压强度数据小于50000Psi 岩石内摩擦角数据小于430 一 选型方法 砂岩页岩 伽玛曲线 声波曲线 抗压强度 内摩擦角 钻头选型曲线 三 PDC钻头综合选型技术 2 依靠邻井钻头使用资料 通过对各井段钻头磨损情况 岩性的分析 结合以往积累的钻头使用经验来初步确定钻头选型 最后 利用前述岩石力学分析软件提供的钻头选型结果 结合现场积累的钻头选型和使用经验 针对各井段作出最后相对准确的钻头选型 目前采用这种计算分析数据和积累经验二者相结合的方式被塔里木油田广泛采用 钻头选型的准确性有了大幅的提高 三 PDC钻头综合选型技术 二 PDC钻头选型考虑的主要因素 1 岩石的性质2 布齿密度的选择3 切削齿尺寸的选择4 切削齿负前角的确定5 钻头冠部形状的确定6 保径长度的确定 三 PDC钻头综合选型技术 岩石的性质 PDC钻头主要用于泥岩 砂岩 以泥质胶结为主且胶结松散的小粒径砾岩 膏岩和灰岩等地层 试验统计及现场应用情况表明 对于砂 泥岩互层 当地层抗压强度低于10 000psi 泥岩成份占岩石总量的40 以上时 PDC钻头的使用效果最好 火成岩一般不适合使用PDC钻头 三 PDC钻头综合选型技术 布齿密度确定原则 根据岩石抗压强度 确定合理的PDC布齿密度 三 PDC钻头综合选型技术 切削齿尺寸的选择 根据岩石抗压强度 选择合理的切削齿尺寸 三 PDC钻头综合选型技术 切削齿负前角的确定 普通PDC齿为了保证一定寿命 负前角一般为20 25 30 钻头吃入能力差 攻击性不强 采用新型切削齿后 根据地层硬度适时调整切削齿负前角 使钻头能获得较高的机械钻速和寿命 推荐的负前角如下 三 PDC钻头综合选型技术 钻头冠部形状的确定 常见钻头冠部形状有三种 长抛物线型 中等抛物线型 短抛物线型 它是决定钻头攻击性的重要因素之一 长抛物线型 AG526 中等抛物线型 G544 短抛物线型 DS66GJNSW 三 PDC钻头综合选型技术 不同冠形PDC钻头的攻击性依次为 长抛物线型 中等抛物线型 短抛物线型 按照岩石硬度分类 推荐的钻头冠型如下 三 PDC钻头综合选型技术 钻头保径的确定 针对山前高陡构造地层倾角大 井斜控制难的特点 选用相对较短的保径 减小钻头因与井壁接触而产生的扭矩 同时降低了保径表面积 增加了钻头保径表面的接触力 使钻头的侧向力切削能力增强 有利于井斜控制 三 PDC钻头综合选型技术 四 各区块钻头设计 选型关键 库车地区 一 钻头选型难点 1 岩性变化快 软硬交错频繁 大段的均质岩性基本不存在 现有钻头无法适应 钻头选型准确程度不高 2 大部分井段岩性抗压强度属中到硬 切削齿吃入困难 3 不同构造间地层可钻性差异大 钻头选型借鉴性不强 4 普遍存在高压气层 复合盐层 煤系地层等复杂地层 钻井液密度高 易产生岩屑 压持效应 造成重复切削 5 地层各向异性 倾角大 防斜与提速存在予盾 限制了钻头功效的发挥 库车地区 二 钻头设计与选型 1 针对12 以上大尺寸钻头 重新调整冠型 增大了刀翼和保径部分的螺旋弧度 加大刀翼深度 减短保径长度 调整切削齿的布齿密度和出刃高度 形成了新型的钢体钻头 16 MS1953SS 171 2 FS2663BGPS 四 各区块钻头设计 选型关键 2 针对该区域大段塑性地层 在采用小钻压防斜条件下尽可能提高钻头本身的攻击性 改进切削齿的数量和分布位置 同时让切削齿的出刃高度更高 使钻头有限的机械能量条件下攻击性更强 3 针对深部具有一定研磨性的中硬地层 及时选用13毫米切削齿钻头 使用效果明显改善 四 各区块钻头设计 选型关键 塔北地区面积较大 包括雀马 轮南 东河 红旗 英买力 羊塔克等多个构造 不同构造间地层可钻性差异大 钻头选择借鉴性不强 三叠系以上地层可钻性较好 局部地层夹有砾石 钻头使用时易先期损坏 石炭系地层可钻性较差 奥陶系地层含有燧石结核 PDC钻头容易出现崩齿 及严重磨损 四 各区块钻头设计 选型关键 塔北地区 一 钻头选型难点 四 各区块钻头设计 选型关键 塔北地区 二 钻头设计与选型 1 三叠系以上地层首选强攻击性的钢体钻头 但在钻头设计上还应从出刃高度 布齿密度 切削齿负前角等方面兼顾考虑钻头穿越砾石夹层的能力 提高钻头寿命 2 石炭系地层以大套压实性好的泥岩为主 可钻性相对较差 推荐使用五刀翼 中等布齿密度 切削齿负前角中等的胎体钻头 3 轮南及雀马地区奥陶系以硬脆性的灰岩地层为主 并夹有深度不确定的燧石结核 不推荐使用PDC钻头 塔中区域 含哈德 一 钻头选型难点 1 塔中16井区相对于除塔东地区以外的其他区域钻井难度较大 主要表现在三叠系以前的地层易水化膨胀形成缩径造成卡钻事故 三叠系 石炭系的砾石夹层和志留系的高研磨性细砂岩对PDC钻头的钻速和寿命都有较大的影响 2 塔中10 11 45等井区的难度相对较小 主要是上部泥岩的缩径和深部志留系细砂岩地层的研磨性 四 各区块钻头设计 选型关键 3 塔东是一个较为特殊的区域 上部地层倾角大 井斜控制难 中上奥陶发育一大套以深灰色为基调的泥岩和凝灰岩 硅 泥质胶结 可钻性极差 研磨性较强 普通PDC钻头难以吃入地层 同时 局部钻遇的砾石层对钻头的损坏极大 4 哈德区域范围较小 石炭系以上地层可钻性较好 钻头型号相对固定 主要难点集中在深部志留系及以下地层 四 各区块钻头设计 选型关键 塔中地区 含哈德 二 钻头设计与选型 1 除塔东区域之外 在石炭系以上地层采用大螺旋刀翼 深排屑槽 多水眼 高出刃特点的防泥包设计钢体钻头 在16井区 10井区 45井区等区域的泥岩井段获得了极高的速度 2 除塔东区域之外 在石炭系 志留系地层采用小螺旋刀翼 新型耐磨齿 强攻击性设计的胎体式钻头 在16井区 10井区 45井区等区域的深部井段获得了较高的机械钻速和较长的钻头寿命 四 各区块钻头设计 选型关键 塔中地区 含哈德 3 塔东区域的地层比较复杂 上部地层倾角大 井斜难以控制 采用低钻压下攻击性强的钢体式钻头 可获得较高的机械钻速 下部奥陶系地层的可钻性差 具有很强的研磨性 采用双排布齿及新型超强齿 TRex齿 的多刀翼高抗研磨性钻头 如Reed公司最新开发出的8 DSX94钻头 在机械钻速 钻头寿命上取得了重大突破 81 2 DSX94DGJNSW 四 各区块钻头设计 选型关键 塔西南地区 英吉沙 群苦恰克等构造等 一 钻头选型难点 1 上第三系 二叠系 石炭系存在多套异常高压盐水层 钻井液密度高 易产生岩屑 压持效应 影响钻头功效的发挥 2 下第三系含有大段石膏 并夹软泥岩 易发生缩径卡钻 3 二叠系发育一套深灰色云质凝灰岩 可钻性极差 4 石炭系 志留系地层主要以砂岩为主 石炭系中部发育一大套灰岩 中部夹一层白云岩 研磨性强 可钻性差 群苦恰克 四 各区块钻头设计 选型关键 塔西南地区 英吉沙 群苦恰克等构造等 1 地层倾角大 井斜控制困难 防斜与提速存在矛盾 井壁稳定性差 坍塌严重 2 上第三系 白垩系存