钻头优化设计与选型技术钻头优化设计与选型技术一、前言一、前言近年来，随着油气勘探的进一步深入，塔里木勘探区域由台盆区逐渐向山前构造带转移，塔中地区也向英东、满东、古城等构造带推进，探井的钻井难度逐渐加大，地层越趋复杂，这些构造特殊的地质环境和复杂的地质条件使其钻井速度大大低于探区平均水平，制约这些构造钻井速度的最大障碍是钻头不适应这些构造地层岩性特征，根据这些构造准确的岩性特征有针对性地开发适合这些构造地层特点的钻头系列及结合钻头自身特点进行钻头选型是提高这些地区机械钻速一个关键因素。通过塔里木工程技术人员的不懈努力，在钻头优化设计与选型技术等方面经过持续近 10 年的综合攻关研究，取得了突破性的进展，使塔里木盆地各区域钻井速度得到了不断提高，相继完成了柯克亚、克拉苏、大北、却勒、迪那、塔东等一批具有典型代表的高效井。相继推出了FM、FS、M、MS、P、R、G、S、BD、DS、DSX、TBT 系列等一大批新型的钻头，同时加大了前期攻关技术成果的推广应用力度，使钻头的使用与各区域复杂的地层特点相结合，基本满足了各区域复杂井的钻井需要，钻井速度得到了进一步的提高，钻井成本得以有效控制，塔里木油田探井评价井平均机械钻速由 1999 年的 2.21m/s 提高到 2003 年的 3.89m/s，四年提高了 76%，平均每年提高 15%以上就是明证。本文简要的回顾了近两年来在钻头攻关研究方面的情况，重点介绍了在 PDC 钻头优化设计、改进、开发，选型技术、以及现场试验与推广应用等方面的情况。主题词：主题词：塔里木盆地 四大区域 复杂地层 PDC 钻头 优化 改进 选型 应用二、塔二、塔里木油田的地层岩性特征里木油田的地层岩性特征塔里木盆地幅员辽阔，面积巨大。各构造带由于受多次造山运动的影响，地质条件十分复杂，是国内陆上钻井难度最大、最集中的地区之一。塔里木油田在持续不断的攻关过程中逐渐认识到，由于塔里木油田复杂多变的地层，其钻头使用技术关键在于钻头本身，否则无论采用何种方法优选，钻头选型准确程度都不高，若想提高钻井速度必须针对地层特性改进旧系列钻头、设计新型钻头：依据地层可钻性分析，针对钻头使用中发现的问题，联合钻头厂家设计、改进 PDC 钻头；对改进后的钻头首先进行应用评价,达到预期的效果后,再进行全面推广应用，否则,将再次进行改进或重新设计,最终形成塔里木油田不同区域，不同井段、不同岩性特征的高效钻头系列。根据上述思路，结合塔里木油田各区域的实际地层特点，在以下几方面优化设计、改进 PDC 钻头。三、三、PDC 钻头的优化设计技术钻头的优化设计技术（一）（一）塔里木油田针对不同地层特点的塔里木油田针对不同地层特点的 PDCPDC 钻头的优化设计技术。钻头的优化设计技术。1 1、针对地层复杂、研磨性强的特点所采用的金刚石含量更高、抗冲击性更强、针对地层复杂、研磨性强的特点所采用的金刚石含量更高、抗冲击性更强、寿命更长的复合片寿命更长的复合片优化设计技术。优化设计技术。采用环槽型等新的复合片镶嵌技术，消除了交界面的热应力，同时应力更加分散，复合片与基坐结合更加牢固，使增加复合片的金刚石含量成为可能，从而增加了复合片的抗冲击性和耐研磨性。、选用加厚环槽蜂窝镶嵌齿-Hammer环槽蜂窝 Hammer 齿使复合片与基坐结合便加牢固，同时应力更加分散，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200%。极大地提高了齿的抗冲击力和抗研磨能力。加厚环槽蜂窝 Hammer 齿的抗冲击能力是普通齿的 4倍。、选用加厚 GT 齿图 1、普通镶嵌的厚金刚石层在交 界面上产生高的张应力图 2、环槽型镶嵌蜂窝齿消除了有 害张应力图 3 环槽蜂窝镶嵌 Hammer 齿GT 齿是百施特公司委托国外专业金刚石切削齿制造公司最新开发的超强切削齿，其抗研磨能力比常规齿有大幅度提高，是高研磨地层的专用切削齿。GT齿多用于以抗研磨为主的钻头，如 8-1/2M1365R、M1385R 等型号钻头。、TITAN-齿的残余应力降到了最低水平，具有锋利的特性，一般应用于攻击性强的快速钻头，如 MS1952SS 等钢体钻头。 、DRAGON 齿是抗研磨和抗冲击综合性能良好的齿，一般安装在钻头的鼻部和鼻部外侧。选用 BAR CUTTER 齿新型 BAR CUTTER 的特点：abrasion050001000015000200001308 standard1308Titan IIabrasion0.00E+005.00E+051.00E+061.50E+062.00E+062.50E+063.00E+063.50E+06 1313 Sabre 1313 MUT 2.5X INCREASEMajor Product Improvements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%）经过测试的新型 BAR CUTTER 的主要技术指标：超高的金刚石浓度和粒度提高切削齿的抗冲击性、抗研磨性。硬质合金支撑座含钨、钴元素保证了支撑座的 机械性能；具有高硬、高研磨性能。切削齿有限元分析发现金刚石与 硬质合金结合面的残余应力。新型结 构的硬质合金支撑座将结合面的残余 应力进行有效的转移和减小。电镜扫描分析及超声波探测分析有利于了解金刚石层内部的结构和金刚石粒之间的连结6 65 50 07 70 00 07 75 50 08 80 00 08 85 50 09 90 00 09 95 50 0Temperature oC0 0. .3 31 10 0. .3 32 20 0. .3 33 30 0. .3 34 40 0. .3 35 50 0. .3 36 60 0. .3 37 70 0. .3 38 80 0. .3 39 90 0. .4 40 0. .4 41 10 0. .4 42 2Flank wear (mm)9 95 5% C CI I S St td d mmmmo od da al lThermal Stability 5 minutes in Argon方式，以判断其抗冲击性和抗研磨性的高低。热稳定性测试：2 2、针对塔里木油田大部、针对塔里木油田大部分区块上部地层为软分区块上部地层为软- -中硬的特点所采用的钢体式、高螺旋刀翼、大排屑流道钻中硬的特点所采用的钢体式、高螺旋刀翼、大排屑流道钻头头优化设计技术。优化设计技术。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，允许切削齿出刃高。高螺旋刀翼设计在有效地防止钻头发生回旋，使钻头工作更加平稳的同时，其刀翼高度比普通钻头增高一倍，使钻头的攻击性大大增强；大排屑流道设计，可以更加有效地使钻屑及时离开井底，避免重复破碎，防止钻头泥包。3、针对岩性变化频繁、大尺寸钻头由于切削齿吃入地层不均等易、针对岩性变化频繁、大尺寸钻头由于切削齿吃入地层不均等易引起钻头憋、跳严重问题的特点，采用多种抗回旋设计技术。引起钻头憋、跳严重问题的特点，采用多种抗回旋设计技术。、切削齿力平衡设计钻头设计时使用了专门开发的计算机软件，对每一个PDC 切削齿进行受力矢量分析计算，把 PDC 切削齿在井底承受的轴向与径向不均衡的交变载荷都控制在最小范围内，极大地提高了钻头在井底的工作稳定性。、非对称刀翼设计对称刀翼设计的钻头在井底有产生周期性震动的趋势，易引起钻头产生回旋。非对称刀翼设计的钻头可以有效地破坏在井底产生周期性震动的趋势，减少由此产生钻头回旋的可能性。、螺旋刀翼与螺旋保径设计与直刀翼和直保径设计相比，PDC 钻头螺旋刀翼与螺旋保径设计技术可以避免刀翼和保径段与井壁和井底直接碰撞接触。采用螺旋刀翼与螺旋保径设计的钻头以更加平稳的方式切削地层，钻头保径段与井壁的接触也更加平缓。、防碰齿设计防碰减震齿设计可以平衡在井底产生的径向与轴向震动载荷，使钻头在井下工作更加平稳，防止钻头出现 PDC 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。为提高钻头钻穿砂、砾岩夹层的能力，避免在软硬交错地层损坏切削齿，专门采用防碰减震齿设计技术，保护钻头。4 4、针对抗压强度高或弹塑性强的地层、针对抗压强度高或弹塑性强的地层的特点的所采用的钻头的特点的所采用的钻头优化优化设计技术。设计技术。、尖圆混合齿设计在钻遇抗压强度较高或弹塑较大的以剪切方式不容易吃入的地层时，尖齿（楔形齿）因与地层接触面积小受力集中，岩石在较大的接触应力作用下产生破碎裂纹，楔形齿能够比较容易地吃入地层。随着钻头的不断旋转，楔形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其强度已大大减弱的大块岩石，达到快速钻进的目的。该设计可以提高钻头对地层的攻击能力，弥补了普通钻头尤其16、17 1/2大尺寸 PDC 钻头机械能量普遍不足的问题。、切削齿负前角的调整对于山前构造井的中下部地层，普通 PDC 齿为保证一定寿命，负前角一般为20、25、30，钻头吃入地层的能力差，攻击性不强。将 PDC 齿负前角改为 15、20、30，减小负前角，加强 PDC 齿吃入地层的能力，使钻头能获楔形齿布齿设计原理得较高的机械钻速和寿命。5 5、针对山前上部地层易斜、针对山前上部地层易斜的特点所采用的短的特点所采用的短保径优化保径优化设计技术。设计技术。短保径：缩短钻头保径能减小钻头与井壁的接触而产生的扭矩，同时也能减小圆拄管壁效应；降低了保径表面积而增加了钻头保径表面的接触力，使钻头的侧向切削能力增强，有利于井斜控制。6、针对长裸眼段、盐膏层等复杂地层的特点所采用的倒划眼齿、针对长裸眼段、盐膏层等复杂地层的特点所采用的倒划眼齿优化优化设计技术。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，利于钻头的顺利起钻。7 7、针对易水化膨胀从而造成钻头泥包的地层特点所采用的防泥、针对易水化膨胀从而造成钻头泥包的地层特点所采用的防泥包优化设计技术。包优化设计技术。FS 系列 PDC 钻头全部进行防泥包处理，其原理是采用在钻头上进行负离子处理技术，使带有负电荷的泥岩钻屑与带有负电荷的钻头体之间产生相斥，从而达到防泥包的效果。防泥包设计是 Security DBS 公司的专有技术。8 8、为加快机械钻速所采用的调整切削、为加快机械钻速所采用的调整切削齿的出刃高度，进一步提高钻头攻击性的优化设计技术。齿的出刃高度，进一步提高钻头攻击性的优化设计技术。随着切削齿外观结构的改变和焊接工艺的提高，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，该技术在钢体钻头如 MS1952SS 上获得广泛应用并取得很好的效果。9 9、低扭矩保径优化设计技术。、低扭矩保径优化设计技术。在保径部位覆焊一层天然金刚石耐抹层，可以大幅度提高保径寿命，同时可以降低保径段与井壁的磨擦扭矩。金刚石材料焊接是 Security DBS公司最新获得的专利技术。防泥包设计示意图低扭矩保径设计1010、在高粘、高密度泥浆体系下所采用、在高粘、高密度泥浆体系下所采用的负压喷嘴优化设计技术。的负压喷嘴优化设计技术。在高粘、高密度泥浆体系下采用负压水眼技术。目前在现场使用的常规喷嘴在井底产生的是正压力场，在高粘、高密度泥浆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。这项技术的关键是将目前现场使用的普通喷嘴在井下形成的正压力场转变为负压力场，对井底钻屑的压持作用转变为抽吸作用，即从负压喷嘴中喷射出的泥浆实际上是将井底钻屑抽吸出井底，起到快速高效清岩的作用，提高机械钻速。1111、为优化钻头设计所采用的软件优化设计技术。、为优化钻头设计所采用的软件优化设计技术。3D3D 井下动态模拟设计技术。井下动态模拟设计技术。由Security-DBS开发并投入设计