（油气井工程专业论文）胜利油田硬地层金刚石钻头研制.pdf

a b s t r a c t b a s e do nt h es t u d yo fc o m p l e xh a r df o r m a t i o na n dl i t h o l o g yo fs h e n g l i o i l f i e l da n dt h ei n v e s t i g a t i o no f c u i t e n ts t a t u so fd i a m o n db i tb o t ha th o m ea n d a b r o a d ，v a r i o u sk i n d so f s t r u c t u r e sa r ea n a l y z e da n da no p t i m i z e dd i a m o n db i t d e s i g ni s o b t a i n e d m i x e dc u t t e rs t r u c t u r ed e s i g ni s a p p l i e df o rd i a m o n db i t s s u i t a b l ef o rh a r df o r m a t i o no f s h e n g l io i l f i e l d ，w h i c hm e a l l sab r e a k t h r o u g h f o rh a r df o r m a t i o nd r i l l i n g d u r i n gt h ep r o c e s so fr & do ft h eb i t ，r e s e a r c ho n b i tm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n db i tm a t r i xm a t e r i a lh a sb e e nc a r r i e do u t o n l a r g e s c a l et e s t s ，w ed e t e r m i n e dt h eb e s tm a t e r i a lf o rt h eb i tm a t r i xw i t hg o o d i m m e r s i o n a lw e t t i n g ，h i 曲s t r e n g t ha n db e t t e rw e a ra n de r o s i o nr e s i s t a n c e f i e l dt e s t ss h o wt h ed i a m o n db i th a sb e t t e rp e r f o r m a n c ea tl o ww o ba n dh i i 出 r p m t h er e c o m m e n d e dr a n g eo fr p ma n dw o bi nh a r df o r m a t i o ni s 1 0 0 2 0 0 r m i na n d1 7 - 2 8 3 n m m 2 r e s p e c t i v e l ys i m u l t a n e o u s l y , f i e l d t e s t s a l s os h o wt h e g r e a t e rp o t e n t i a l f o rt h ed i a m o n db i tw i mc o m b i n a t i o no f d o w n h o l et o o l ss u c ha sh e l i c o i d a lm o t o ra n dt u r b i n ed r i l l ，w h i c hi st h em o s t e f f i c i e n ta n ds a f e s tm e t h o df o r i m p r o v i n gd r i l l i n gs p e e d i n d e e p w e l l c o m p a r e d w i t ht h er o l l e rc o n eb i t su s e di nt h es a r n eh o l ei n t e r v a lo ft h es a l i l e l o c a t i o n ，t h e r ea r ea ni n c r e a s eo f16 0 f o ra v e r a g ed r i l l i n gf o o t a g e ，a n da n i n c r e a s eo f5 5 9 f o ra v e r a g er o e k e yw o r d s ：h a r df o r m a t i o n ，d i a m o n db i t ，s t r u c t u r ed e s i g n l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：鲤西当细 年 1 1 月 j 岁日 导师签名：j 雄如3 年，。月，少日 互池太生( 坐垒2 丝塞煎直 第1 章前言 自七十年中期以来p d c 钻头因具有机械钻速高、进尺多、寿命长等 特点，已逐渐成为石油工业广泛推广应用的一种破岩工具。胜利油田在中 深井取得较好成绩的基础上，继续向深井要储量和产量，深井的勘探开发 数量逐年增加，但用于下部地层的钻头基本以牙轮钻头为主，由于下部地 层情况较为复杂，在井深超过? , 5 0 0 米以后，对于较大的井眼，钻井速度 非常慢。据胜利油田近几年的钻头使用资料统计表明：单只牙轮钻头在 2 9 0 0 米以后入井的平均进尺为1 9 1 米，平均机械钻速为3 4 7 米小时。 以莱深l 井为例，在井深3 8 0 0 米左右，使用直径3 1 1 衄的j 。；牙轮钻头的 钻井速度为4 6 米日，单只钻头进尺一般不超过2 0 米就必须起钻换钻 头，频繁的起下钻增加了工人的劳动强度，较慢的钻井速度大幅度增加了 建井周期，影响了深井的勘探开发速度。 胜利油田近期研制和开发的金刚石钻头，尤其是针对胜利油田东营 一沙河街地段地层夹层较多且软硬交错的特点，成功开发出了复合p d c 钻 头，大幅度提高了东营一沙河街段地层的单只钻头进尺和机械钻速，缩短 了建井周期，降低了钻井成本。但针对胜利油田下部地层较的岩性特点， 却没有适合的钻头可以大幅度提高钻头进尺和钻井速度，减少起下钻次 数，降低工人的劳动强度，节约钻井成本。另外，下部地层硬地层钻头的 开发，对加快油田深部油藏开发和提高国产钻头水平具有重要意义。本论 文根据金冈4 石钻头设计理论及室内试验和钻头青4 造工艺，拟研制出适合胜 利油田硬地层使用的金刚石钻头，以达到提高钻井速度、降低钻井成本、 增加经济效益的目的，并为胜利油田的中深井钻井提供高效的破岩工具。 鱼地厶堂f 坐壅2 丝塞国出处虹塞鲤丛 第2 章国内外研究现状 由于金刚石钻头具有很好的破岩性能，机械钻速高，寿命长，综合经 济效益显著，故此世界各国均加大工作力度进行高效金刚石钻头的研制工 作。在钻头设计、切削齿研制、水力能量利用研究等诸方面都取得很大进 展，推出不少新理论、新技术、新产品。 2 1 国内外金刚石钻头研究成果 以休斯克里斯坦森公司为代表的一些主要钻头设计制造公司，在钻 头的改进和开发方面做了大量的工作，取得可喜成果，推出了混合式钻头、 抗回旋钻头、抗振钻头、双切削结构钻头、新型p d c 钻头等【“2 1 。其最新 研究成果有： 1 在应力处理齿，黑冰抛光齿、硬质合金支撑边缘齿的基础上，又研 制出加厚复合片切削齿、双切削刃齿等新型切削结构。 2 在p d c 钻头力学的研究中也有新的突破，提出漫流水力设计概念 ( 即在靠近和远离钻头中心各布一对称喷嘴，使水力能量分配更合理) 、 异形喷嘴结构等新的水力设计方案。 3 与此同时，近几年运用电渗透原理减轻钻头泥包的研究也比较活 跃，并开发出使钻头表面呈负电特性的工艺气体渗氮处理技术。 4 在加强保径、改进排屑槽设计、延长钻头寿命、钢体钻头表面硬化、 增加切削面积、有效清除岩屑等方面的研究中也做了大量工作，取得不少 成果。 5 金刚石钻头切削元件的规格也从单一品种发展到今天的品种多样。 目前，热稳定聚晶金刚石有三角聚晶系列、圆柱系列、园片系列：聚晶金 ， 白遛盔堂( 坐丕2 盈塞国出处篮塞现丛 刚石复合片直径有中9 5 m m ( 3 8 ”) 、中1 2 7 n t m ( 1 2 ”) 、中1 9 r n m ( 3 4 ”) 、巾 2 5 4 m m ( i ”) 系列等，从常规片到爪形片、弧形片、精磨片等，使切削元件 的规格品种多样化。 2 2 国内外金刚石钻头的钻头研制 最近几年，c h r i s t e n s e n 、s m i t h 、h y c a l o g 、s e c u r i t yd b s 、g e o d i a m o n d 等外国公司以及国内的川克、新星、石油大学、胜利等单位都在致力于 金刚石钻头的研制与改进、推出一批设计新颖的钻头”“。7 ”嘲。 1 适用多地层的新型p d c 钻头 一种被称为“变换式”的钻头钻软地层时能象布齿密度低的钻头那 样快速钻进，而在较硬地层钻进时又能象布齿密度高的钻头那样具有坚韧 的耐久性。这一特点是通过把主刮刀与辅助刮刀之间可变夹角特性与享有 专利的新型水力系统相结合而实现的。这种钻头上装有两种形式的刮刀、 通过调节这两种刮刀的切削作用可使钻头适用各种地层。 2 多水眼p d c 钻头 休斯克里斯坦森公司最近研制出一种装五个刮刀片和1 9 m m 切削齿 的多水眼p d c 钻头。这种多水眼p d c 钻头配有两个斜置的中心主喷嘴和八 个辅助水眼。通过喷嘴和水眼的液流指向每一个切削齿，使总过流面积从 4 8 4 m m z 增加到7 7 4 平方m i l l 2 ，降低了钻头处的压降，获得更大的流量，钻 头处只消耗泵压5 ，有效地清除了钻头泥包。这种设计还提高了钻头在 低水马力范围内的工作效率。 休斯克里斯坦森公司在这种钻头的设计中加入了碳化钨支撑边缘 ( c s e ) 切削齿，以防止切削齿发生早期断裂。之后又采用了优质抛光的 黑冰c s e 切削齿，进一步提高了钻头的耐磨性和工作性能。这种钻头与贝 鱼池盔堂i 堡垒! 监塞国出处盟宜理丛 克休斯i n t e q 公司的井底泥浆马达配套使用，到1 9 9 7 年9 月共钻了4 7 口井，机械钻速可达5 2 7 h 。 3 带有自锐式切削齿的水力辅助破岩钻头 石油大学研制了一种新型的、带有自锐式切削齿的水力辅助破岩系 统，既可提高对工作重点切削齿的冷却，又可实现水力一机械破岩的目的。 这种钻头由钻头基体、水力喷射系统及自锐式切削齿构成，其特征在于水 力喷射系统是由布置在钻头基体顶端的、中心径向倾斜喷嘴及外圈近切向 喷嘴组成，并将自锐式切削齿布置在钻头基体的顶端。 试验结果表明，由于该钻头采用了合理的水力喷射系统和自锐式切削 齿，使得重点切削齿实现与水力联合破岩的目的，弥补了普通p d c 类钻头 的纯机械切削、切削齿过快钝化及清岩不畅等缺陷，可大幅度提高钻进速 度。 4 新型剐体p d c 钻头 最近，s e c u r i t yd b s 公司综合运用了p d c 钻头的许多最新研究成果， 开发出一种新型刚体钻头f s 2 0 0 0 系列钻头。该系列钻头具有以下特 点： ( 1 ) 可采用更为复杂的几何形状，可增加钻头排泄面的体积，有效 地净化水眼和清除岩屑，可在泥页岩地层钻进时提高机械钻速。 ( 2 ) 在加工过程中，用防泥包技术进行了表面处理。处理后使钻头 带负电荷，可有效地排斥钻井液中阴离子，可防止泥包，保持高机械钻速。 ( 3 ) 低摩阻保径可以用金刚石t e c h 2 0 0 0 材料进行了表面硬化，提高 了耐磨性。 在这种钢体钻头的研制过程中，除了在传统刚体钻头基础上进行的改 进外，还采用了过去只用于先进的胎体钻头，而且已被现场证实了的一些 高性能特点，其中以抗回旋设计特点为主。这包括： 4 刍地厶望! 坐筮2 地区 囤出处蛆五塑丛 a 采用专有的布齿方法使该系列钻头实现受力平衡，以显著减少能造 成切削齿损坏的井下振动。 b 同轨布齿钻出的光滑井底形状更有利于防止钻头回旋。 c 新钻头采用了环爪形切削齿，金刚石体积为常规p d c 齿的三倍，大 大提高了耐磨性，耐冲击性比标准切削齿高四倍。 d 采用s e c u r i t yd b s 公司专有的缓冲器( 冲击消除器) ，可有效地限 制对p d c 切削齿的冲击破坏。 e 新系列钻头装有内腔为异形的v o r t e x x 喷嘴，可优化钻头水力学， 最好地清洗钻头。这种新型刚体p d c 钻头，通常用于钻进泥页岩含量为 4 0 的地层，用于水基泥浆钻进效果极佳，其优越的综合性能也得到证实。 5 “金”系列与“星”系列钻头 “金”系列钻头是克里斯坦森公司近年开发出的一种p d c 全面钻进钻 头，它的最大特点是大幅度提高钻头寿命和机械钻速。 “金”系列钻头具有独特的设计使其在p d c 钻头市场上处于高科技领 先地位。“金”系列钻头还有以下特点： 切削齿：采用专利切削齿和切削齿技术，它们是应力处理齿( s e c ) 、 硬质合金支撑边缘齿( c s e 齿) 、黑冰抛光齿及策略布齿。 加强保径：在保径部位采用更多数量的金刚石以延长保径寿命。 改进排屑槽设计：在不增加钻头长度的情况下最大限度地增加排屑 槽面积，以达到更好地清洗钻头和提高机械钻速的目的。 斜梯形刀翼：增加刀具面积以提高水力，且形成等强度刀翼特征。 大倾斜喷嘴：在高机械钻速条件下更有效地清除岩屑。 最大密度布齿：在研磨性地层及硬夹层中钻进时延长钻头寿命。 “金”系列包括十四种不同结构、适用于不同地层的钻头。 “星”系列钻头适合在大斜度井和水平井中应用。“星”系列钻头可 s i l 迪厶堂! 生筮2 丝塞国幽处研究塑鉴 容易地对切削齿的后倾角和磨损节进行调整，从而减轻其吃入性并降低扭 矩的变化。“星”系列p d c 钻头包含了“金”系列p d c 钻头的全新概念。 有预防早期碎裂的硬质合金支撑边缘齿( c s e ) 以及改善岩屑运移和 提高机械钻速的抛光齿。对采用中l2 7 m m ( 1 2 ”) 和o1 9 r a m ( 3 4 ”) 规格切削 齿的钻头类型，应力处理齿( s e c ) 被策略地布罱在关键部位，以便更好 地配合高抗压强度、低可钻性地层钻进。 “星”系列钻头有三种冠部形状：b 型冠部吃入性最差，适用于 造斜和定向井；“金”系列型冠部吃入型冠部，可获得最佳钻进性能； 抛物线型冠部在高转速下获得最佳磨损寿命，适用于涡轮钻具钻井。 “星”系列规径采用带有更密集的金刚石布置的一种更耐久的保径 块，以增强在定向井和研磨性地层钻进时规径的支持能力。 6 适合多夹层地层的p i ) c 钻头 胜利油田钻井工艺研究院研制出一种适合多夹层地层的p d c 钻头。 这种p d c 钻头具有独特的切削结构，以p d c 复合片作为主切削齿，以热稳 定聚晶金刚石作为辅助切削齿，二种切削齿以一定的加工形式形成复合切 削结构，大大提高了p d c 钻头的应用范围。 地层因素使得钻头的稳定性难以预测，因为在任何钻过的井中，地 层不可能象预测的一样，地层硬度的变化和钻机指示的不同操作参数都影 响钻头的使用性能。因此，成功的设计确实是复杂的过程，在设计中设计 者按照钻头应用目的，尽量满足切削要求和水力要求。 p d c 钻头技术的发展已经有二十多年的历史，随着p d c 钻头的应用范 围越来越广泛，人们对它的期望值越来越高，于是迫使设计人员要不断的 努力，不断地创新，开发出新的更有效的方法来优化钻头设计，改进钻头 设计，研制出新型钻头。为此，目前p d c 钻头在设计上的改进步伐比以往 任何时候都快。而且，p d c 钻头研究的焦点已从治疗型向预防型转变。 6 查潼太翌f 釜赛2 望塞壅彝筮塞鬓邃 从国内钋钻井趋势来看，在现有钻井技术条件下，使用牙轮钻头已经 很难大幅度撼高钻井速度，特别是在易斜等特殊地层，受钻井参数影响， 极皴链逮较低，大大彩鹣了建井周欺。瑟金燃石链头特别是p d c 钻头蛾械 钴速高、进尺多、寿命长，极大地提高了钻井速度。因此使用金刚石钻头 是藤绥勘探秀发速凌豹趋势裰巷。 7 ! i 遛奎堂l 坐壅2 监塞! 匹笪叁的途盐婴窥堡监 第3 章p d o 钻头的设计研究理论 通过对胜利油田破碎硬地层的以及国内外适合类似地层的钻头使用 情况表明，金刚石钻头是胜利油田硬地层钻井提高钻井速度的主要破岩工 具。因此，把主要研究方向集中在金刚石钻头研究开发上”1 。而研究开发 的金刚石钻头主要是p d c 钻头( 人造聚晶金刚石复合片钻头) 和t s p 钻头 ( 人造热稳定聚晶金刚石钻头，另称巴拉斯钻头) 。在确定研究目标后， 对钻头的基础理论进行了研究和分析。 金刚石钻头设计理论主要包括冠部轮廓结构设计、切削齿结构设计、 水力结构设计、稳定性结构设计等几方面。“。而这些因素除稳定性结构 设计外，它们之间具有密切的关联，如图3 - 1 所示。 由此可以看出，钻头设计虽然各部分可以单独考虑，但其最终目的 是使设计能够满足使用要求，使制造的钻头达到最佳状态。 3 1 钻头冠部轮廓结构 根据钻头的使用目的，首先选择一个最适合钻进所对应的地层的冠 部轮廓，使得钻压最有效地分布在钻头冠部表面的切削元件上，配合适当 的旋转运动，达到最高机械钻速。 钻头冠部轮廓结构明显地影响钻头的清洗、稳定性和井斜控制“。 经现场调研发现，用过的p d c 钻头有许多是先期损坏的，尤其是外圈齿， 断、裂、碎现象极多，而内部的齿磨损较少，甚至无明显磨损。究其原因， 与钻头冠部轮廓结构和钻头稳定性有关。在进行钻头设计时，依据稳定性 理论，采取抗回旋措施，力图从钻头结构方面减弱或消除钻头工作时的回 旋振动，使其尽量处于稳定状态，防止切削齿的先期破坏。 i i 油厶堂f 坐垒2 地塞 ：匹丛达曲遮进盟基堡迨 大切削齿的优点： 1 每个切削齿切削深度大 2 水力流动舒畅 3 金刚石量大寿命长 小切削齿的优点： 1 每个切削齿受力均衡 2 切削齿小抗冲击性大 3 切削齿小和锥形剖面能 保证一定的流动面积 图3 1钻头设计与相关参数的关系 9 巫、抽厶堂( 堡垒2 迨塞! 匹地煞的遮i 土硒究理迨 钻头的冠部轮廓主要根据钻头设计原则( 等切削原则、等磨损原则和 等功率原则) 和地层的软硬程度决定。p d c 钻头的冠部形状的确定一般应 遵循以下三个原则“： 1 冠部形状的选择应有助于实现钻头设计原则。 如按等切削原则设计钻头时，冠部形状就应尽可能保证很容易实现钻 头上的每一个齿具有大致相等的切削体积；对其它设计原则也是一样。 2 切削齿在冠部表面容易布置，有着足够的布齿空间。 3 冠部形状易于加工成形。 单锥、浅锥和双锥型的冠部轮廓是金刚石钻头冠部轮廓设计的三种 基本轮廓。 3 1 1 单锥轮廓 单锥轮廓钻头主要使用于软地层，它常常镶装大切削齿( 以p d c 复合 片为主) ，这种轮廓的钻头容易发挥水力作用，在较软地层中能产生高机 械钻速。该种轮廓适合于低到中等密度布齿，适用于钻进极软到中软地层。 它可细划分为：鱼尾式、半球式、阶梯式三种轮廓。如图3 2 所示。 鱼尾式半球式阶梯式 图3 - 2 单锥三种轮廓 1 0 五油盔堂( 坐丕2 鲨皇邀型金刚五丛达窒凼达堡 单锥轮廓钻头( 特别是鱼尾式和半球式) 具有以下布齿特征和使用特 点： 布齿少，单齿受力大；适合布置直径1 6 m m 以上p d c 切削齿；切削齿 全出露。 钻较软地层时采用大排量和高水马力、保径较短；若钻研磨性地层， 应设计较多的保径齿。 低钻压，高转速，大扭矩。 3 1 2 浅锥轮廓 具有浅锥轮廓的钻头的切削齿由于抗载荷能力加强而具有较长的寿 命，常制作成容易清洗的各式各样钻头。该种轮廓适合于低到高密度布齿， 适用于钻进软到中硬地层。它可细划分为：平底式、短锥式、长锥式三种 轮廓。如图3 一所示。 平底式短锥式 图3 - 3 浅锥三种轮廓 长锥式 浅锥轮廓钻头具有以下布齿特征和使用特点： 布齿密度从中等到大；适合布置1 3 r a m 到1 6 m m 的切削齿；切削齿半出 1 l 鱼地厶：羔! 堡堑2 监塞! 匹丝达趁邈过盟塞堡途 露。 钻头表面( 平底式、短锥式) 容易清洗，易达到有效优化水力：能提供 可变的保径空间。 钻压中到高；可用于转盘钻或动力马达；较平轮廓的钻头将产生较大 扭矩。 3 1 3 双锥轮廓 双锥轮廓钻头具有较尖的鼻部和较深的内锥，一般适合布置尺寸较 小的切削元件，适合于中到高密度布齿，具有较强的保径能力，钻头需要 清洗的表面较大，需要大排量和高水马力，适用于在中中硬地层钻进。 适合的钻井参数为：中等或高的钴匪、高转速，可与井下马达、涡轮钻具 配合，产生的扭矩较小。t s p 钻头和天然金刚石钻头通常使用双锥轮廓。 它细划分为：短锥式和长锥式两种轮廓。如图3 - 4 所示。 双锥轮廓钻头具有以下布齿特征和使用特点： 短锥式 图3 4 双锥两种轮廓 长锥式 布齿密度大；适合布置1 3 r a m 以下切削齿；切削齿半出露。 钻头表面较大，需要大排量和高水马力清洗；外锥能提供好的保径，与深 内锥结合具有好的定向稳定性；尖锥在硬地层中非常锋利。 1 2 血渔盔堂! 堡丕! 丝塞堕地基丝迢盐蛆窥堡迨 钻压中到高；可用于转盘钻或动力马达；较小切削齿分布在轮廓上将产生 较低扭矩。 通常，具有短锥的浅锥钻头或双锥钻头寿命较长，具有长锥的浅锥 钻头或双锥钻头非常锋利，但在硬地层和研磨性地层钻进时容易迅速失 效。鱼尾式单锥钻头也非常锋利，切削齿少的鱼尾式单锥钻头最适合钻进 较软的地层。 研究表明，只要沿冠部轮廓曲线均匀布齿，就能保证外锥上各个齿具 有大致相等切削体积或切削功率或磨损速度。 冠部轮廓的选取与要钻进的地层有密切关系，在确定地层的可钻性范 围后，利用收集的地质资料分析岩性的特点和力学性能，结合室内试验确 定钻头的冠部轮廓结构。然后，根据钻头总体结构设计的需要，采用圆弧 形或双锥形或抛物线形进行曲线拟合，并由设计者确定冠部内锥角或内锥 高度，即可最终确定出钻头冠部形状的具体设计参数。 3 2 钻头切削结构 钻头切削结构主要影响钻头在工作中的使用寿命和钻井速度，在其它 因素相对固定的情况下，钻头切削结构就表现出来该钻头性能的优劣。钻 头切削结构主要涉及切削齿的种类、尺寸、切削角度、布齿密度、布齿方 法等因素。 3 2 1 切削齿的类型和尺寸 切削齿是金刚石钻头上的关键部件，其质量的好坏直接影响到整个钻 头质量的优劣。根据所钻地层的岩性特点和地层的可钻性选择切削齿的类 型和尺寸f 1 3 】。 1 3 亘垫盘堂( 堡垒2 坌皇 ! 匹熊基丝邀过虹塞堡途 目前，金刚石钻头采用的切削元件主要是p d c 复合片、热稳定聚晶 金刚石和天然金刚石，切削元件的组合主要有下列形式： p d c 复合片与热稳定聚晶金刚石组合； 热稳定聚晶盒刚石和天然金刚石组合； p d c 复合片、热稳定聚晶金刚石和天然金刚石组合； 单类切削齿不同齿形组合。 根据钻头设计一般经验，对可钻性在3 级以下的地层，选择直径为 1 6 1 9 n l l n 的p d c 复合片作为主切削元件，选择适当尺寸的硬质合金齿作 为辅助齿，保护复合片的使用寿命。对可钻性在4 5 级的地层，选择直 径为1 3 1 6 m m 的p d c 复合片作为主切削元件，选择适当尺寸的t s p ( 人 造热稳定聚晶金刚石) 作为辅助切削元件，两者形成复合切削结构。对可 钻性在5 7 级的地层，选择直径为8 1 3 m m 的p d c 复合片或适当尺寸的 i s p 齿作为主切削元件，选择大颗粒天然金刚石作为辅助切削元件，两者 形成复合切削结构。对可钻性在7 级以上的地层，一般只有选择大颗粒天 然金刚石作为切削元件，但钻头的机械钻速将较低。这些经验经实践证实， 确实是有一定的参考价值的。 金刚石钻头的主要切削元件是p d c 复合片和t s p 齿，由于盒刚石钻 头在井底旋转时工作条件恶劣，因此对钻头切削元件的性能指标严格要 求：p d c 复合片磨耗比不低于4 0 1 0 1 ，热稳定性不低于7 0 0 0 c ：t s p 齿磨 耗比不低于8 1 0 4 ，热稳定性不低于1 2 0 0 。c 。 3 2 2 切削齿出露量 切削齿的出露量和切削角是与钻头设计相关的另一对变量，受所要 钻地层影响。切削齿的出露量是切削齿高出钻头基体轮廓的距离：切削齿 的切削角是切削齿面与切削表面垂直线的夹角。 1 4 尘鲴丕芏! 生丛2 丝墓 ! 匹缄叁昀丝苴盟嚣堡迨 在较软地层，切削齿的出露量将影响机械钻速，而钻头面与地层问有 较大的间隙将使岩屑较快返出。因此对钻进软地层的钻头设计采用切削齿 的全出露量，同时，具有较小切削角每个切削齿受力越大，切削量越大。 如图3 5 所示。 图3 - 5 切削刃全出露 当地层变硬后，为保持有效切削深度需要较大的载荷，而较大的载荷 会折断全出露量的切削齿柱。将切削齿柱插入基体深一些对切削齿柱就会 有较大的支撑和保护。 具有切削角的部分出露量切削齿柱可配置较高的压缩载荷和较低的 剪切载荷。在压缩状态下，金刚石和碳化钨越强，金刚石碎裂和碳化钨支 柱折断就越少。切削齿的部分出露量将减少间隙面积，但如果地层一致较 硬，清洗不好将不再是钻头性能的限制因素。如图3 - 6 所示。 3 2 3 切削齿角度 和任何切削刀具一样，余刚石钻头切削齿工作时的工作角度对切削齿 的切削效率和工作性能有重要影响。而工作角度是由切削齿的结构角度即 l5 五迦厶生( 坐筮! 途塞! 匹壁达的邈i 虹嚣堡迨 齿前角和侧转角决定的，因而正确地设计切削齿的齿前角和侧转角在金刚 石钻头设计中是十分重要的。 图3 - 6 切削刃部分出露 1 切削齿的负前角 p d c 钻头的切削齿的负前角对提高切削效率、保护切削齿、延长寿命， 从而提高钻速起主要作用。普遍认为，负前角减小能更有效地切削，相同 钻压切削深度增加，机械钻速增加，但小负前角的切削齿耐冲击的强度降 低，遇较硬地层时易冲击损坏。相反，负前角增大，切削齿在较硬地层中 耐用，钻头寿命长，而机械钻速和切削效率下降。 总的来说，对于软地层，p d c 钻头的切削齿能强烈地切削地层，负前 角取0 。或较小值；对于较硬地层，负前角应较大以有效切削地层，并防 止冲击引起地损坏。 钢体式钻头负前角为一固定值，通常为一2 0 0 要在制造模具时自由选用负前角值。 2 切削齿的侧转角 侧转角度有利于钻头的清洗和岩屑的转移，岩屑被剪切下来时主动向 1 6 互迪厶：兰f 堡壅2 坌塞! 匹丛头趋超过婴童理诠 排屑槽及环形空间转移。侧转角随着钻头切削结构的不同而不同。侧转角 度在直切削刀翼上一般取5 0 1 5 0 ，在螺旋切削刀翼上则随着螺旋线变化。 对t s p 钻头，切削齿的切削角度一般控制在0 0 l o o 之间。 在实际设计过程中，以切削齿工作过程中的磨损状态最佳为目标， 对切削齿的齿前角和侧转角进行优化设计”1 。西南石油学院根据此思想开 发的钻头设计软件用于硬地层金刚石钻头的研制，成功的解决了设计中的 切削齿的角度问题。 3 2 4 布齿密度 钻头的布齿密度是根据所钻地层的硬度和研磨性而决定，地层软、研 磨性低则布齿密度低，地层硬、研磨性高则布齿密度高，而研磨性高的软 地层、研磨性低的硬地层的布齿密度则根据具体情况确定，一般介于二者 之间。钻头在软硬地层交界面上工作时容易产生各种振动，造成钻头鼻部 和圆弧过渡带处切削齿的掉片、崩片和剥蚀脱层而先期损坏，因此，这些 部位应适当提高布齿密度，特殊的通过切削齿的双重布置来提高布齿密 度，加强切削齿的抗冲击性。 3 2 5 布齿方法 对于p d c 钻头，切削齿布置主要根据钻头设计原则( 等切削原则、等 磨损原则和等功率原则) 来进行，包括钻头径向布置和周向布置”“1 。 径向布景是在钻头半径平面内沿轮廓外形布置切削齿，得到的结果是 径向布齿图，反映了切削齿在钻头径向上的布置或者在井底半径方向的覆 盖情况。 根据等切削原则推导出径向布齿公式： 1 7 亚、地厶望i 垡垒2 迨塞些毡去曲丝进鲤究堡鲨 屯= 争+ - - ；r ：+ b 警( i = 1 , 2 , k , n - 1 ，厶z 半汁， 式中r 。，、r 。为第i 、i + 1 个切削齿中心在钻头上的半径m m ；r 。为钻 头冠顶半径r i i n ；f 。为切削齿半径m m ；f d 为布齿密度系数：n 为钻头上切 削齿数量：l 。为冠部轮廓上切削齿中心连线弧长响。 利用上述公式就可以确定出各个切削齿在钻头表面的径向位置，保证 井底切削覆盖良好。 周向布置是在垂直于钻头轴线的平面内按一定方式布置切削齿，得到 周向布置是在垂直于钻头轴线的平面内按一定方式布置切削齿，得到的结 果是周向布置图，反映了切削齿在钻头平面上布置方位情况。根据极坐标 方程推导出周向布齿公式： 先= 等鲁或+ 0 m f 1 ，】，脏 1 ，圳 ( 4 _ 2 ) 式中吼，为第m 条螺旋线上第i 齿的周向位置角：以为规径齿和中心 齿处的极角差；以为第m 条螺旋线的起点极角；r r 。r 。一分别为中心 齿中心、第i 齿中心、规径齿中心在钻头上的半径唧；n 、m 分别为钻头 上切削齿数、布齿螺旋线数。 利用上述公式就可以确定出各个切削齿的周向位置角，保证切削齿在 钻头面上分布合理，结合径向布齿容易得到周向布齿图。 根据布置理论做出钻头初步设计后，再经过调整形成实际的切削齿的 布景和定位。 3 3 钻头水力结构研究 合适的钻头设计需要同时考虑岩石破碎和清洗，钻头设计者必须根据 破碎地层岩屑的体积和方向来确定钻头的水力结构，既喷嘴布置和流道及 1 8 互i 迪厶：茎( 垡盔2 途塞匹丛达盥遨丑：鲤嚣理迨 排泄槽形状，以便使流经每个切削元素的流量能够足以完成钻头清洗和冷 却功能”“”“。因此，设计有效的水力参数必须考虑钻头不同部位的水力 要求的变化，在满足清洗和冷却的基础上，必须认识到钻头的三个部位需 要不同的设计，既钻头中心部位( 岩屑移到环形空间的距离长，需要高度 清洗，中等冷却) ，钻头中间部位( 切削齿密度大需要均衡流体分布，高 度清洗，高度冷却) ，钻头保径和排泄槽部位( 低流速携带大量岩屑，高 度冷却，中等清洗) 。钻头水力结构必须满足切削要求和水力要求，增加 水力破岩作用，同时减少水力对钻头体及切削齿的冲蚀。 钻井液的喷射轮廓即从喷嘴出来到冲击井底的速度分布与喷射角直 接相关。垂直喷嘴产生的流动集中在中心部位，在其周围速度相同。与钻 头面成一角度布置喷嘴就改变了速度轮廓，流动向量与喷射角轴向成正比 增加。如图3 7 所示。因此，喷射压力和漫流速度可以影响钻头的清洗效 果。 0o 图3 7 喷嘴喷射速度轮廓 1 9 n 酒厶堂! 坐丕2 途塞l ! 照毡去曲邀主土婴宣堡迨 喷嘴喷射区域是一个锥形体，离丌喷嘴越远，准形体越扩散，喷射 速度越低。流体接触井底后，反向速度的冲击压力波产生了涡动和飞溅， 消耗了压力降。能量损失后，就产生了有效的漫流。 3 4 钻头稳定性的研究 钻头的稳定性主要是利于钻头的平稳运行，提高钻头的使用寿命 “。在实际钻井过程中，钻头在井底运转时承受三种振动：轴向振动、 横向振动和扭转振动，每一种振动都能对钻头造成致命的损坏。因此钻头 的稳定性关系到钻头使用的效果，是钻头质量和技术的真正体现。 钻头的稳定性的研究主要涉及切削齿的布置、切削结构布置和保径块 的布置。 3 4 1 钻头的受力平衡 钻头在钻进过程中，切削齿对地层产生切削作用而破碎地层岩石，但 同时钻头也受到地层的反作用力。由于每个切削齿在钻头上所处的位置不 同，所受到的反作用力及作用方向也不同，所有切削齿受力的合力就是钴 头所受到的地层的反作用力。如果将每个切削齿的切削力分解在钻头的轴 向、径向和切向上，就可以计算出钻头上的总钻压、扭矩、弯矩、横向不 平衡力等，而不平衡力是导致p d c 钻头偏离几何中心旋转的根本原因。合 成力作用点离钻头中心的距离即偏心距就可以求出，如果不考虑井壁对钻 头运动的制约和给钻头的作用力，那么钻头上所有切削齿的合力作用点就 是钻头的瞬时旋转中心。当下一瞬时钻头以该点为中心旋转时，钻头上每 个切削齿的切削力发生了变化，合力作用点也发生变化，又形成了另一个 新的瞬时旋转中心，钻头就开始了回旋运动( 如图3 1 2 所示) 。钻头受到 2 0 i i 擅厶堂l 垡丕2 监塞班笪达曲遮丑：硒究堡迨 0 井i 十趣 q 一譬舯冉 b 一量央_ 目黼十由 图3 1 2p d c 钻头回旋运动 的弯矩越大，合力的偏心距也越大，钻头发生回旋的趋势也越强。所以， 按“力平衡原则”设计钻头，横向不平衡力一般控制在钻压的5 以内。 受力平衡设计可显著降低由钻头的切肖作用而产生的井下振动，增加钻头 工作时的稳定性，从而提高钻头的使用寿命。 3 4 2 非对称刀翼布置 刮刀式刀翼对称布置或者说等距离布置时钻头回旋会自动再现，而非 对称刮刀会中断这种趋势。一般来讲，各种结构的p d c 钻头都存在着发生 某种振动的可能性。在适宜的条件下，某种振动就有可能发生，而且它要 钻头端面上均匀布置，那么它正好有助于维持其振动频率不变，甚至能增 2 1 i 【地厶堂! 坐盔! 诠塞! 匹缱基盥邈进蝤童堡迨 耗散一定的能量柬维持其振动频率不变或放大其振动幅度。若刀翼在大其 振幅。相反，刀翼呈非均匀布置，打破了某种振动发生初期所具有的频率， 从而对振动产生了一种阻尼作用。刀翼非均匀布置就是指钻头冠部端面上 各刀翼之间的周向分御角是互不相等的。 3 4 3 螺旋刀翼布置 螺旋式刀翼降低钻头回旋的作用与非对称刀翼相似。由于刀翼式布齿 ( 或肋状布齿) 排屑效果好，有利于提高机械钻速，因此当今p d c 钻头多 采用刀翼式布齿，即将全部p d c 切削齿都布置在刀翼上。但与自由式布齿 ( 散布式) 相比，这种布齿容易使切削载荷集中到某一个方向上，从而增 加了钻头产生偏移的可能性。为此，采用螺旋状刀翼结构。这样就分散了 指向井壁的切削力，减小了钻头保径与井壁闻的接触应力，因而减小了钻 头发生回旋运动的几率。此外，螺旋式刀翼还有助于钻井液携带岩屑，清 洗井底。螺旋式傈径块也可增加与井壁的接触面，提高钻头的稳定性。 3 4 4 同轨布齿 同轨布齿有助于把钻头恢复到居中旋转，提高钻头的稳定性。同轨布 齿是将全部或部分p d c 切削齿分布在钻头冠部端面上不同的同心圆环上， 即某一个钻头半径上布置数个p d c 切削齿，而各个同心圆环之间的p d c 切 削齿的重叠系数很小。这一径向布齿方式使钻头在钻进过程中可形成脊状 井底形状，产生不平滑的井底，使相邻的同心圆环之间形成地层岩石凸起 环带( 见图3 - 1 3 ) 。在钻头旋转钻进过程中，若由于某种原因引起旋转中 心偏移，p d c 切削齿就撞击相邻的岩石凸起环。这一作用产生一个与偏移 方向相反的稳定力，试图恢复钻头绕其几何中心旋转。这个稳定力作用在 歪迪厶堂l 坐塞2 监塞匹鱼达盥遘盐婴嚣堡选 垂直于钻头轴线的平面上，其大小与切削深度，岩石抗压强度及切削齿同 心圆环等因素有关。 p d c 切削齿 。岩石 勉 图3 1 3 同轨布齿 3 4 5 低摩阻保径块的布置 d c 切削齿 钻头基体 凸起环带 低摩阻保径是利用一个无切削作用的摩擦力很小的保径块来平衡钻 头上的不平衡力。不平衡力指向低摩阻保径块，该保径块与井壁间的摩擦 要比保径切削齿与井壁间的摩擦小得多。由于在垂直于不平衡力方向上的 摩阻很小，所以钻头可沿井壁滑动而不会滚动。如果该保径块相对说来较 宽，那么不平衡力允许有较大的方向变化。只要不平衡力始终指向低摩阻 保径块，钻头就不会发生回旋运动。这种低摩阻保径结构的关键是确定不 平衡力的大小、方向和低摩阻保径块的包角( 或宽度) 。不平衡力的大小 五迪厶鲎! 垡筮2 逾塞匹钻基的篮盐婴塞堡迨 和低摩阻保径块的包角的大小取决于钻头上的总侧向力的大小和方向。影 响不平衡力的因素固然有p d c 切削齿的布置、磨损状况和地层性质及机械 转速，然而在计算不平衡力的大小、方向和确定低摩阻保径块的包角大小 时还必须考虑一下两个重要因素： a 钻头稳定性 不平衡力指向低摩阻保径块的p d c 钻头或许处于平衡，但稳定性未必 满足要求。研究证明，为了使不平衡力指向低摩阻保径块，且保证钻头运 行平稳，低摩阻保径块的包角晟好大于9 0 。 b 井底钻具组合( b h a ) 施加在钻头上的侧向力的影响 一般井眼都不是铅垂向下的，因而井底钻具组合( b h a ) 就会因其自 身重量而施加在钻头上一个侧向力，在定向井中这个因素尤为重要。相对 于钻头来讲，这个力是旋转的。这个力与已计算出的不平衡力相加，其矢 量和r 必须指向低摩阻保径块( 见图3 1 4 ) 。 保径面 图3 1 4b h a 对钻头低磨阻保径块包角n 的影响 根据图3 一1 4 ，可以计算出低摩阻保径块的包角n 应满足f 式： o 2 s i i q - i k( 3 - 3 ) 2 4 歪迪盔堂! 坐盔2 监塞微型金剧i 笪基窒幽道鉴 a 式中k = f b 。f ( o k 1 ) f 。一b h a 自身重量施加在钻头上的侧向力 f 。一p d c 切削齿产生的不平衡力( 不平衡力) 若k l ，上式无意义。 事实上，当k l 时，钻头每旋转一周，合力f 。也会围绕钻头中心旋转 一周，低摩阻保径块失去作用。而实际钻井过程中由于扶正器的存在，k 值一般不会大于1 。经验数据为k = o 3 0 o 8 2 ，相应地= 3 5 。11 0 。 结合上述第一个因素，一般的取值为9 0 。1 1 0 。之间。为使k 值尽可 能得小，以使钻头的稳定性更强，对于低摩阻保径结构，人为地使不平衡 力f 。稍大一点，一般取该不平衡力f 。与钻压的比值在1 5 2 0 之间为宜。 3 4 6 全接触保径环结构 在整个3 6 0 。圆周上钻头的保径形成一个整体圆环，防止最外排p d c 切削齿间断地冲击井壁地层。这种结构减小了扭矩波动及绝对波动值，较 大程度地限制了钻头无控制的横向运动，可钻出光滑的井眼，减少了钻头 发生回旋振动与扭转振动的可能性，同时也提高了机械钻速，延长了切削 齿的寿命。对于定向钻井，居于该结构的p d c 钻头可导性强，方位易于控 制。 3 4 7 复合切削结构 复合金刚石钻头的切削结构设计为主切削件是p d c 切削卤，副切削件 是大块t s p ，t s p 布置在p d c 切削齿稍后，且出露高度适当低于p d c 切削 齿，如图3 1 5 所示“1 。在钻进硬夹层时，复合片在切削地层产生大量的 摩擦热，使其温度迅速升高，磨损加快。随着复合片的磨损，t s p 切削齿 逐渐出露，不仅减小了复合片上的作用力，并参与切削，依靠其良好的热 2 5 圣酒盔堂( 坐丕2 迨塞 邀型金刚五丛达窒凼达堡 稳定性和尖刃在复合片切削的地层表面上切削或犁出沟槽，增加了地层表 面的自由度，降低了复合片破碎地层的能量，提高了机械钻速，并使钻头 的使用寿命大大延长。此外，复合p d c 钻头的另一个主要特点是在钻进软 硬地层交界面时，钻头往往发生跳钻、蹩钻现象，复合切削结构承受由于 跳钻、蹩钻而产生的瞬时载荷，由p d c 切削齿和t s p 切削齿共同负担，因 此大大减少了p d c 切削齿非正常损坏的概率，从而提高了钻头的使用寿 命。 另外一种复合金刚石钻头的切削结构设计为主切削件是t s p 切削齿， 副切削件是大颗粒天然金刚石。该类型金刚石钻头主要使用于硬地层。 图3 1 5 混合切削结构 五油盔堂( 坐丕2 鲨皇邀型金刚五丛达窒凼达堡 第4 章微型金刚石钻头室内试验 4 1 试验目的 石油勘探开发的高速度取决于钻井的高速度，提高钻井速度，除不断 在钻井工艺技术方面进行技术创新、研究开发外，另一重要技术途径是根 据地层岩石合理选择和使用钻头，研制适应性强的新型钻头。而在钻头选 择、使用和研制工作中，除应在钻头设计、材质选用、制造工艺等方面进 行深入研究开发外，有目的进行岩石破碎机理的试验研究，是一项相当重 要而又十分必要的基础研究工作。室内试验研究，是紧紧围绕以提高钻井 速度为目的，研究如何解决对硬地层岩石的高效破碎，它既是钻头设计与 科研的必需，又是根据地层岩石合理选择和使用钻头的必要基础条件。 4 2 试验方法及前期准备 4 2 1 试验方法 本试验所用的钻头为中3 0 r a m 的金刚石小钻头。试验所用的试验装置 为原岩石可钻性测定试验装置，由钻床、恒压液压加压系统和数字化测量 记录系统组成。用自来水冲刷小钻头与岩样的接触面、冷却钻头和清洗岩 屑。试验方法步骤如下： 1 根据试验要求，调整好转速档和液压系统配重砝码； 2 将金刚石小钻头和岩样夹紧在钻床上和工作台上； 3 启动液压泵给金刚石小钻头加载，使其压在岩样表面，停泵，拧 紧阀门，数字位移显示仪清零。 2 7 五油盔堂( 坐丕2 鲨皇 邀型金刚五丛达窒凼达堡 4 启动钻床，同时秒表记时，当数字位移显示仪显示钻至预定深度 时，钻床和时问记录同时停止，开启液压卸载阀卸噩，即完成一次试验。 5 转动工作台，重复步骤3 、4 在岩样另一位置钻孔。 4 2 2 试验前期准备 在完成试验设备维修、调试和平衡加载配重校核