金刚石复合片钻头

聚晶金刚石复合片( PDC) 钻头自投入使用以来以较高的机械钻速和较长的使用寿命得到了广泛应用。PDC 钻头以剪切破岩为主 ,主要用来钻软到中硬的均质砂泥岩地层 ,使用过程中通常采用“低钻压、大排量、高转速”获得高的破岩效率。由于 PDC 钻头相对牙轮钻头价格高昂 ,而且 PDC 切削片容易在砾岩钻进中崩齿磨损而失去切削能力 ,因此极少用 PDC 钻头来钻砾岩层段。海洋钻井作业费高昂 , 但钻头费用所占比例不到全井费用的 5 % 。聚晶金刚石复合片( PDC) 钻头自投入使用以来以较高的机械钻速和较长的使用寿命得到了广泛应用。PDC 钻头以剪切破岩为主 ,主要用来钻软到中硬的均质砂泥岩地层 ,使用过程中通常采用“低钻压、大排量、高转速”获得高的破岩效率。由于 PDC 钻头相对牙轮钻头价格高昂 ,而且 PDC 切削片容易在砾岩钻进中崩齿磨损而失去切削能力 ,因此极少用 PDC 钻头来钻砾岩层段。海洋钻井作业费高昂 , 但钻头费用所占比例不到全井费用的 5 % 。

地层中存在大段砾岩对 PDC 钻头的使用提出了严峻的挑战。PDC 复合片的抗研磨性能和抗冲击性能是制约PDC钻头寿命的一对矛盾 。在渤海特别是辽东湾钻井作业中 ,使用普通 PDC 钻头钻厚层砾石段 ,较大的负荷冲击载荷作用常造成 PDC 片崩齿 ,在砂砾的磨蚀下钻头刀翼鼻部和肩部会在短时间内 (通常在 3 m 进尺以内) 被破坏 ,并在肩部磨蚀成环(图 2) ,丧失大部分或全部的切削能力 ,因此不得不起钻换牙轮钻头,待钻穿砾岩段后再换回PDC 钻头。频繁地起下钻会大大降低钻井时效 ,从而增加海洋钻井成本。因此 ,针对该地区砾岩层情况研究设计相适应的 PDC 钻头及钻进技术。

通过对地震、录井和测井数据进行计算分析 ,得到不同深度下岩石物性参数 ,建立典型井岩性剖面;然后比照厂商按照邻井资料提供的钻头冠型、布齿(尺寸、形状、密度和角度) 、PDC 复合片强度、水力设计、保径齿与(或) 保径面设计结果以及所推荐的钻头性能参数 ,结合在渤海地区的钻井经验进行分井段钻头预选型(类似方法已广泛用于其他油田[ 1 ] ) ;后参照邻井井眼清洗及轨迹控制要求 ,结合本区域类似钻头的钻进参数及出井后的 IADC(国际钻井承包商协会) 磨损定级 ,对预选出的钻头进行优化设计和分段定型,并针对本区块制定出钻头使用策略和注意事项。

渤海地区优快钻井通常要求一个井段用一只钻头钻到底。也就是说 ,所设计的钻头在辽东湾地区既要钻浅部的疏松地层(须穿过砾岩等硬地层) ,又要尽量满足下部中硬地层钻进 ,因此对钻头性能的设计要求很高。

对于浅部疏松地层 , PDC 钻头设计通常采用中长 物线冠形 ,主要使用 16 ～19 mm 大切削齿 ,兼顾造斜及稳斜钻进要求 , 同时考虑钻头冠部、规径齿、规径长度对于移位趋向和导向性等钻头特性对定向井轨迹控制的影响[ 2 ,3 ] 。在本次钻头设计中 , 水力方面要满足快速钻进大排量的要求 ,并应用计算机水力辅助设计软件进行流场模拟和优化 ,以满足高钻速下润滑冷却钻头切削齿 ,确保井底岩屑及时排出 ,降低高速钻进所产生的大量固相钻井液高速射流对钻头本体和井壁的冲蚀程度。

理论和试验研究表明[ 427 ] ,由于井下复杂的受力情况 ,钻进过程中 PDC 钻头运动状态非常复杂 ,钻头在随钻具旋转之外还会发生涡动与回旋。钻头涡动使得切削齿运动方向与其切削工作面不断变化 , 进而使切削齿受到交变载荷和冲击载荷 ,而回旋运动则导致切削齿在与钻进方向垂直的方向受到高频率大负荷的冲击载荷。因此 ,这两种运动的共同作用将会对钻头产生严重的损坏 ,尤其是在含有砾岩的地层中钻进。所以 ,对于存在大段砾岩的地层 ,在进行 PDC 钻头设计时除了要考虑上述因素外 ,还要在切削结构和稳定特性方面作设计 ,即:考虑力平衡原则 ,以各个 PDC 复合片切削时产生的侧向力向量之合小(当钻头上径向合力不为零时 ,尽可能将该合力指向设计的保径接触面 , 因为该保径接触面对井壁不产生切削) ; 其次通过环形布齿在井底切削出稳定环 , 以改善钻头稳定性。

联系电话：18102283661 赵经理    金刚石复合片

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