PDC鉆頭用金剛石復合片PDC復合片

聚晶金剛石復合片( pdc) 鉆頭自投入使用以來以較高的機械鉆速和較長的使用壽命得到了廣泛應用。pdc 鉆頭以剪切破巖為主 ,主要用來鉆軟到中硬的均質砂泥巖地層 ,使用過程中通常采用“低鉆壓、大排量、高轉速”獲得高的破巖效率。由于 pdc 鉆頭相對牙輪鉆頭價格高昂 ,而且 pdc 切削片容易在礫巖鉆進中崩齒磨損而失去切削能力 ,因此極少用 pdc 鉆頭來鉆礫巖層段。海洋鉆井作業費高昂 , 但鉆頭費用所占比例不到全井費用的 5 % 。聚晶金剛石復合片( pdc) 鉆頭自投入使用以來以較高的機械鉆速和較長的使用壽命得到了廣泛應用。pdc 鉆頭以剪切破巖為主 ,主要用來鉆軟到中硬的均質砂泥巖地層 ,使用過程中通常采用“低鉆壓、大排量、高轉速”獲得高的破巖效率。由于 pdc 鉆頭相對牙輪鉆頭價格高昂 ,而且 pdc 切削片容易在礫巖鉆進中崩齒磨損而失去切削能力 ,因此極少用 pdc 鉆頭來鉆礫巖層段。海洋鉆井作業費高昂 , 但鉆頭費用所占比例不到全井費用的 5% 。
地層中存在大段礫巖對 pdc 鉆頭的使用提出了嚴峻的挑戰。pdc 復合片的抗研磨性能和抗沖擊性能是制約pdc鉆頭壽命的一對矛盾 。在渤海特別是遼東灣鉆井作業中 ,使用普通 pdc 鉆頭鉆厚層礫石段 ,較大的負荷沖擊載荷作用常造成 pdc 片崩齒 ,在砂礫的磨蝕下鉆頭刀翼鼻部和肩部會在短時間內 (通常在 3 m 進尺以內) 被破壞 ,并在肩部磨蝕成環(圖 2) ,喪失大部分或全部的切削能力 ,因此不得不起鉆換牙輪鉆頭,待鉆穿礫巖段后再換回pdc 鉆頭。頻繁地起下鉆會大大降低鉆井時效 ,從而增加海洋鉆井成本。因此 ,必須針對該地區礫巖層情況研究設計相適應的 pdc 鉆頭及鉆進技術。
首先通過對地震、錄井和測井數據進行計算分析 ,得到不同深度下巖石物性參數 ,建立典型井巖性剖面;然后比照廠商按照鄰井資料提供的鉆頭冠型、布齒(尺寸、形狀、密度和角度) 、pdc 復合片強度、水力設計、保徑齒與(或) 保徑面設計結果以及鉆頭性能參數 ,結合在渤海地區的鉆井經驗進行分井段鉆頭預選型(類似方法已廣泛用于其他油田[ 1 ] ) ;最后參照鄰井井眼清洗及軌跡控制要求 ,結合本區域類似鉆頭的鉆進參數及出井后的 iadc(國際鉆井承包商協會) 磨損定級 ,對預選出的鉆頭進行優化設計和分段定型,并針對本區塊制定出鉆頭使用策略和注意事項。
渤海地區優快鉆井通常要求一個井段用一只鉆頭鉆到底。也就是說 ,所設計的鉆頭在遼東灣地區既要鉆淺部的疏松地層(須穿過礫巖等硬地層) ,又要盡量滿足下部中硬地層鉆進 ,因此對鉆頭性能的設計要求很高。
對于淺部疏松地層 , pdc 鉆頭設計通常采用中長 物線冠形 ,主要使用 16 ～19 mm 大切削齒 ,兼顧造斜及穩斜鉆進要求 , 同時考慮鉆頭冠部、規徑齒、規徑長度對于移位趨向和導向性等鉆頭特性對定向井軌跡控制的影響[ 2 ,3 ] 。在本次鉆頭設計中 , 水力方面要滿足快速鉆進大排量的要求 ,并應用計算機水力輔助設計軟件進行流場模擬和優化 ,以滿足高鉆速下潤滑冷卻鉆頭切削齒 ,確保井底巖屑及時排出 ,降低高速鉆進所產生的大量固相鉆井液高速射流對鉆頭本體和井壁的沖蝕程度。
理論和試驗研究表明[ 427 ] ,由于井下復雜的受力情況 ,鉆進過程中 pdc 鉆頭運動狀態非常復雜 ,鉆頭在隨鉆具旋轉之外還會發生渦動與回旋。鉆頭渦動使得切削齒運動方向與其切削工作面不斷變化 , 進而使切削齒受到交變載荷和沖擊載荷 ,而回旋運動則導致切削齒在與鉆進方向垂直的方向受到高頻率大負荷的沖擊載荷。因此 ,這兩種運動的共同作用將會對鉆頭產生嚴重的損壞 ,尤其是在含有礫巖的地層中鉆進。所以 ,對于存在大段礫巖的地層 ,在進行 pdc 鉆頭設計時除了要考慮上述因素外 ,還要在切削結構和穩定特性方面作專門設計 ,即:首先考慮力平衡原則 ,以保證各個 pdc 復合片切削時產生的側向力向量之合最小(當鉆頭上徑向合力不為零時 ,盡可能將該合力指向專門設計的保徑接觸面 , 因為該保徑接觸面對井壁不產生切削) ; 其次通過環形布齒在井底切削出穩定環 , 以改善鉆頭穩定性。
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