钻头优化设计与选型技术

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1、钻头优化设计与选型技术一、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，

2、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

3、，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：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

4、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、PDC钻头的优化设计技术（一）塔里木油田针对不同地层特点的PDC钻头的优化设计技术。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、寿命更长的复合片优化设计技术。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采用环槽型等新的复

5、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。图3环槽蜂窝镶嵌Hammer齿①、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。②、选用加厚GT齿GT齿是百施

6、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8-1/2″M1365R、M1385R等型号钻头。③、TITAN-Ⅱ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。④、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。⑤选用BARCUTTER齿新型BARCUTTER的特点：àMajorProductImprovements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

7、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BARCUTTER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、针对塔里木油田大部分区块上部地层为软-中