新型复合PDC钻头设计特点及应用_各种钻头
时间：2019-01-20 03:31:51 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要:本文针对胜利油田多夹层地层特点进行了PDC钻头的优化设计,在多夹层地层中取得了较好的应用效果,对加快油田勘探开发速度、降低钻井成本有积极的意义。 关键词:PDC钻头;新型复合钻头设计特点;切削结构
中图分类号:TE34 文献标识码:B 文章编号:1009-9166(2009)08(c)-0102-01
早在80年代中期,胜利油田就开始试用PDC钻头,但只在渤南等少数地层岩性相对较为均质的地区取得了较好的效果。在胜利油田大部分地区一直没有好的指标和效益,绝大部分PDC钻头损坏的主要特征为齿柱折断、复合片碎裂、冲蚀等,还受到额外作用力的影响,造成非正常损坏。结合PDC钻头使用的地区和地层层段,认为PDC钻头的损坏有下面几点原因:(1)地层硬夹层较多:是PDC钻头上复合片碎裂、掉片或齿柱式切削齿断裂的主要原因,因为PDC钻头在钻进过程中,从软地层钻至硬夹层时,钻头不同部位的切削齿切削地层时受力不均,造成钻头出现蹩钻、跳钻现象,导致切削齿因受力较大而碎裂或折断。如果地层倾角较大,对切削齿造成更严重的损坏。因此即使同样的钻井参数,钻进硬地层比钻进软地层容易损坏。(2)PDC钻头水力参数不适合:使用PDC钻头时,如比水功率选择过大,就会造成钻头基体严重冲蚀,致使切削齿柱或喷嘴脱落。如果比水功率过小,对复合片清洗冷却不利,在软地层中易造成钻头泥包,在硬地层中易造成复合片的热加速磨损。由于胜利油田地层多夹层且软硬交错的特点,往往出现PDC钻头的先期损坏,致使钻井指标与使用牙轮钻头相比没有明显的提高,加之PDC钻头的价格较高,不能提高经济效益,这是常规PDC钻头在胜利油田没有市场的主要原因。因此,研制适合多夹层地层的复合型PDC钻头,是提高钻井速度,降低钻井成本,提高综合经济效益的关键所在。
一、钻头设计特点
1.冠部轮廓设计:针对胜利油田的多夹层地层的特点,采用等磨损原则和等切削原则相结合进行冠部轮廓设计,确定出适合钻进多夹层地层的钻头冠部轮廓形状。2.切削结构设计:钻头切削结构设计包括切削齿的大小尺寸、切削角度、布齿密度,布齿方法等因素。考虑到常规PDC钻头损坏的主要特征是:掉片、崩片、剥蚀脱层和过度磨损等现象,设计了旨在防止PDC复合片早期损坏的切削结构---复合切削结构,采用一定的布齿方法和密度实现的。(1)切削齿的大小:根据所钻地层的岩性特点,选择直径为13mm的PDC复合片作为主切削元件,选择适当尺寸的人造热稳定聚晶金刚石作为辅助切削元件,形成复合切削结构,以利于钻进硬夹层。(2)切削角度:根据所钻地层的软硬程度、岩性特点及PDC复合片的破岩特点,随着地层硬度的由低到高,切削齿的切削角度逐渐由小到大,切削齿侧转角则取垂直于螺旋刀翼线法线的角度。(3)布齿密度:适合多夹层地层的钻头的布齿密度是根据所钻地层的硬度和研磨性而决定。钻头在软硬地层交界面上工作时易产生振动,造成钻头鼻部和圆弧过渡带切削齿掉片、崩片和剥蚀脱层而先期损坏,因此,适当布置同轨齿来提高布齿密度,加强PDC切削齿的抗冲击性。(4)布齿方法:切削齿布置包括径向布置和周向布置。复合PDC钻头的切削齿布置设计,是利用西南石油学院编制的PDC钻头计算机辅助设计软件设计后,经过调整形成更合适的切削齿布置和定位。(5)切削齿的布置方式:PDC钻头一般采用两种布齿方式:刀翼式和散布式。根据地层软硬交错的特点,采用刀翼式布齿,容易形成复合切削结构,在软地层加强清洗和携带岩屑效果,硬夹层加强冷却效果。3.钻头水力结构设计PDC钻头的水力结构关系到钻头的工作性能好坏和使用寿命的长短。PDC切削齿由于受地层硬度和研磨性以及瞬时载荷影响外,另一个主要因素就是PDC钻头,基体和切削齿受水力冲蚀而影响钻头的使用寿命。针对PDC钻头的水力结构和钻头冲蚀特征,对新型复合PDC钻头的水力结构设计如下:(1)调整喷嘴的方位角和喷射角度:在能够胜任冷却PDC钻头、清洗井底和携带岩屑的基础上,适当调整喷嘴的方位角,可减少水力能量对切削齿和刀翼体的冲蚀。(2)增加钻头排屑槽的深度:使喷嘴射流反射到钻头体的能量大大降低,使钻头表面的过流面积增大,减轻射流对钻头基体的冲蚀。4.稳定性设计:对新型复合式PDC钻头的稳定性设计,主要涉及到了以下几个方面。(1)力平衡设计:按“力平衡原则”设计钻头,可显著降低由钻头的切削作用而产生的井下振动,增加钻头稳定性等。(2)螺旋刀翼设计:螺旋式刀翼能够降低钻头回旋作用,有助于钻井液携带岩屑,清洗井底,高钻头的稳定性。(3)同轨布齿设计:同轨布齿有助于把钻头恢复到居中旋转,提高其稳定性,增加某些关键部位的切削齿分布密度。(4)混合布齿设计:复合PDC钻头的切削结构设计主切削件是PDC切削齿,容易减小钻头在软～硬交界面处引发各种振动。
二、新型复合PDC钻头应用
按照上述钻头设计制造的新型复合PDC钻头,在胜利油田纯70-2井第一次下井使用。钻头自2014m入井钻至完钻2625m,地层层位为沙一段～沙四段。进尺为611m,机械钻速为8.64m/h,钻头起出后新度在85%以上。接着该钻头在利932井第二次下井使用,钻进井段为1736～2100m,层位自沙一段至沙四段,进尺为364m,平均机械钻速为7.14m/h。钻头起出后基本上没有进一步磨损,仍可再次使用。该钻头又在纯70-7井第三次下井使用。由于该井使用刮刀钻头钻进到1810m时井斜较大,使用PDC钻头纠斜,顺利地钻至设计井深2610m完钻,并使井斜角降到0.5度,进尺为800m,平均机械钻速为11.72m/h。该钻头钻井总进尺1775m,相当于3只H517牙轮钻头的进尺,创油田单只PDC钻头最高进尺新记录。
新型复合PDC钻头试验成功后,在胜利油田各地区进行了推广应用,使用井段主要是含软硬交错地层的东营组至沙河街组地层。据现场使用资料统计:新型复合PDC钻头在直井段的平均单只进尺1110m,比牙轮钻头进尺提高了1倍以上,机械钻速比牙轮钻头提高了40%以上。新型复合PDC钻头的应用大大提高了钻井速度,降低了钻井成本,取得了显著经济效益。此外,由于新型复合PDC钻头钻压小、进尺多、负荷低等因素,减少了起下钻次数和井下事故次数,降低了工人劳动强度。
作者单位:胜利石油管理局黄河钻井四公司
