山前构造钻头优选技术 - 图文

山前构造钻头优选技术

3 山前构造钻头的适应性分析

3.1 PDC钻头适应性分析

目前，金刚石钻头已不再是只能打坚硬地层的天然金刚石钻头的单一品种，而是形成一个能钻进从极软到极硬地层的完整系列。由于金刚石钻头能在低钻压、高转数下取得高钻速和高进尺，所以在许多钻井作业中，能取得牙轮钻头无法比拟的技术——经济效率，成为快速钻井——防斜钻井、定向钻井、超深钻井、海洋钻井、高温钻井、井下动力钻井中高效、经济、安全的优良钻井工具。

3.1.1 PDC钻头类别

（1） PDC钻头及大复合片钻

头——聚晶金刚石复合片

[7]

，其复合片上部为聚晶金

刚石薄层是切削元件锋锐的刃口，硬度及耐磨性极高，但抗冲击韧性差。下部为碳化钨基片，在钻井中易于形成“自脱”，同时其抗冲击性好，为金刚石层提供良好的弹性依托。该钻头适用于钻进产生摩擦热较少的软---中软地层，但由于近年来PDC钻头的高速发展，其适用范围以变得非常的广，大大超出了软---中软地层的限制，并可用于硬地层。

（2） 巴拉斯钻头——热稳定

聚晶块，其是在复合片基础

11

图3.1 PDC钻头

西南石油大学成教学院四川石油学院教学站专科毕业设计（论文）

上发展起来的新材料，该类型钻头适用于钻进中—中硬并带有一定研磨性的地层。

（3） 马赛克钻头——马赛克切削块，是由热稳定晶片拼合成复合片的尺寸，然后

以特殊工艺烧结与钻头胎体上。该钻头兼具有热稳定聚晶块的耐高温性质和聚晶金刚石复合片的切削能力，其适用地层范围广。

（4） 天然金刚石钻头——天然金刚石，该钻头适用的天然金刚石分为五种：优级、

标准级、特优级、立方体钻石、黑钻石。其不同等级的金刚石有不同的适用性地层。

这几种中以天然金刚石钻头和PDC钻头使用最广，特别是PDC钻头的使用。 天然金刚石钻头的破岩过程，可看成使单粒金刚石破碎岩石的过程，每一粒金刚石，均可看为一球体。当钻某些硬地层时，钻头上的每粒金刚石在钻压作用下压入岩石时下面的岩石处于极高的应力状态，呈现塑性，同时在旋转扭矩的作用下产生切削作用，破碎岩石的体积大体上等于金刚石吃入岩石的位移体积。但在一些另外的情况下，其破碎岩石机理稍有不同。

PDC钻头是以切削齿对地层进行切削来破碎岩石的，由于钻头在井下高速旋转以及井下的高温环境，使得井底岩石具有一定的弹性和塑性，整个切削过程与金属切削过程很相似。岩石的切削过程实质上是一种挤压过程，在挤压的过程中，岩石主要以滑移变形方式成为切屑。当岩石开始接触切削齿的刀刃最初瞬间，接触点的应力使岩石内部产生弹性应力和应变；当切削刃逼近岩石时，岩石内部的弹性应变逐渐增大，在岩石内某一位置剪切应力达到岩石的屈服强度，因而岩石开始沿剪切力相等的“初滑移面”滑移，这个滑移面的左边代表变形区域，右边代表塑性变形区域。PDC钻头的破碎岩石机理可概括为：PDC钻头切削齿在钻压作用下能自脱地吃入地层，在扭矩作用下向前移动剪切岩石。

PDC钻头在均匀的较软岩石地层中钻进以剪切的方式破碎岩石，它能取得较高的机械效率，而且寿命较长，没有易损的活动件，使用过程中比较安全，缺点是遇到硬夹层时，钻头容易损坏，而且当地层硬度太大时，钻进效率下降很快，地层适应性差。

3.1.2 塔里木山前构造PDC钻头使用现状

实践证明，钻头能否与地层相适应是提高山前地区钻井速度的关键。由于塔里木山前地区地层岩性变化快，软硬交错，研磨性强，可钻性差，且普遍钻遇复

12

山前构造钻头优选技术

杂地层，钻头在井下工作环境恶劣，加之不同构造间可对比性差，导致山前地区钻头选型困难，机械钻速普遍较低。提高钻头的使用技术水平，是解决复杂地层提高钻速的关键。下为山前复杂地层钻头使用技术的难点[1]：

·岩性变化快、软硬交错频繁，大段的均质岩性基本不存在； ·大部分井段岩性抗压强度属中到硬，钻头切屑齿吃入困难； ·不同构造间地层可钻性差异大，钻头选择借鉴性不强；

·普遍存在复杂地层，钻井中使用的钻井液密度均较高(迪那11井2.43g/cm3) ，井底不可避免地产生较强的压持效应，影响了机械钻速的提高；

·因防斜的需要，制约了钻头功效的发挥，也影响了钻井速度； ·目前的钻头技术还不能完全满足山前复杂地层高效钻井的要求。 （1）山前复杂地层钻头使用技术

·对不同构造具有典型代表性的岩芯在室内进行岩石可钻性测定； ·利用测井、录井资料建立已完钻井的岩石可钻性综合解释剖面；

·联合钻头厂家，针对山前地层特点，设计、引进或改进钻头，并进行应用评价,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，最终形成适合山前不同井段、不同岩性特征的高效钻头系列；

·积极利用已取得的技术成果，加大现场推广应用的力度；

·积极引进技术水平高、质量过硬的钻头厂家及新型钻头，创造公平有序的良好竞争环境，促进钻头技术水平的提高。

（2）、钻头设计、制造与选型技术研究

在钻头尤其是PDC钻头设计、制造与选型技术方面的研究持续进步，并取得了以下方面的技术成果：

1）、提高复合片金刚石含量，以改善复合片强度、韧性和耐磨性。 2）、根据不同地层特点，设计切削齿形状、尺寸、后倾角和布齿方案，提高钻头攻击能力。

3）、优化钻头刀翼、流道设计，改善钻头稳定、抗冲击性和清洗冷却性。 ·钻头冠部形状确定原则。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；

·针对软硬交错地层，采用多种抗回旋设计

13

西南石油大学成教学院四川石油学院教学站专科毕业设计（论文）

3.2 牙轮钻头的适应性分析

牙轮钻头是石油钻井中使用最广泛的钻头。这是由于牙轮钻头旋转时具有冲击、

压碎和剪切破碎岩石的作用；牙齿与井底的接触面积小，比压高；工作扭矩小；工作刃总长度大等特点，因而是牙轮钻头能适用于多种性质的岩石。目前，牙轮钻头按牙齿材料不同分为铣齿和镶齿两大类。铣齿牙轮钻头的牙齿均为楔形齿，由牙轮毛胚直接铣削加工而成。

牙轮钻头的破岩机理主要是冲击、压碎、剪切作用。（1）冲击、压碎作用，钻头在井底工作时，钻头及其牙轮绕钻头轴线旋转，由于地层对牙齿的阻力，也使牙轮同时绕自身轴线旋转。牙轮在旋转时，牙齿交替以单双牙轮流接触井底。牙轮钻头在井底破碎岩石时，牙齿作用在岩石上

图3.2三牙轮钻头

的力不仅有钻压所产生的静载荷，还有因

纵向振动而使牙齿以高速度冲向岩石所产生的动载荷，前者使牙齿压碎岩石，后者使牙齿冲击破碎岩石。（2）剪切作用，在硬地层中，利用钻头对井底的冲击、压碎作用，可以有效地破碎岩石。但在软和中硬地层中，除了要求牙齿对井底压碎、冲击作用外，还要有剪切刮挤的作用才能有效地破碎岩石，剪切刮挤作用来自牙轮在井底的滑动。具有复锥、超顶、移轴等结构的牙轮钻头，可使牙轮在井底产生滑动。在实际钻井工作中，不同岩性的地层，需要不同的滑动量，因此，不同类型的钻头，其移轴距、超顶距和主副锥角差距等都有不同的，地层越软、塑性越大、牙轮滑动量要求大些，反之则小些。

三牙轮钻头由于多年的发展，它已形成了适应各种地层的钻头序列，地层从软—硬都能找到其合适的三牙轮钻头，但在塔里木山前构造地区，发展最快的还是PDC钻头，它能达到快速钻进的目的。塔里木山前构造区域使用的三牙轮钻头类型比较多，每一种钻头都具有各自的结构特点，并适应与其对应的地层，在定向井用钻头还要考虑钻头的造斜、稳斜性能，因此，在钻头造型时要认真分析钻

14