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GeneralElectric公司在1973年研究开发出PDC复合片,在随后的几年内PDC复合片就被应用到钻头上并具备商业价值。
PDC钻头是人造聚晶金刚石复合片钻头的简称,PDC钻头真正具有划时代的发展并投入使用是在80年代末,当AmocoProduction公司验证钻头回旋是阻碍PDC钻头有效应用的主要原因,这使PDC钻头技术有了一个革命性的突破。
钻头回旋是指钻头偏移了钻头几何中心线进行旋转工作。在钻头发生回旋过程中,钻头的瞬时旋转中心总是变化,它不是和井眼中心保持在同一条中心线上。切削齿在径向移动,甚至相对于地层岩石面向后移动。钻头回旋产生的井底造形形状能够造成PDC切削齿的金刚石层掉片或冲击破坏,加速钻头的磨损,降低钻头工作寿命。
在计算机辅助设计和计算机辅助加工(CAD/CAM)和计算机辅助工程(CAE)进行有限元分析的推动下,开发了钻头抗回旋技术,井底动态流场模拟技术应用于水力设计,大大提高了钻头的工作寿命和机械钻速。
PDC钻头获得高机械钻速的最大一项障碍是避免PDC切削齿过热。PDC金刚石层和碳化钨基体有着不同的热膨胀系数,在高温下会导致PDC切削齿出现热裂纹。为了减少在钻井过程中PDC切削齿出现的热裂纹影响,最近成功地开发出在PDC金刚石层和碳化钨基体之间具有各种几何形状交接面的PDC切削齿,这些高质量的PDC切削齿具有很高的抗研磨性,即使出现磨损,仍然会有许多金刚石保留在碳化钨基体上继续切削地层。这种非平面形状的几何结构,大大提高了PDC切削齿在井下的工作寿命。
冶金技术、水力条件、PDC切削齿等技术的快速发展,虽然没有能够减低钻头的成本,但这些技术最终使PDC钻头钻的进尺更多,可以在多套不同地层下有效钻进。这些技术的发展带来的另外一项重大进步是PDC钻头可以钻硬夹层。
PDC钻头机械钻速和寿命的提高,在以前认为仅能使用牙轮钻头的地层,目前也能够用PDC钻头钻穿。
PDC钻头目前经常使用在井底需要钻头长时间工作的井段、油基泥浆、或在非缩径井段使用的水基泥浆。在高转速钻具上,PDC钻头也具有优越性,如涡轮钻具、螺杆钻具或造斜井段。
PDC钻头经常使用在低抗压强度、胶结性差、低研磨性、或带有薄夹层的地层中,如盐岩、石膏岩、泥灰岩、灰岩等,中等抗压强度、具有一定研磨性和脆性的地层,如砂泥岩、硅质页岩、孔隙性碳酸岩和石膏岩。但PDC钻头在高抗压强度、致密胶结的研磨性砂岩、燧石和花岗岩、刚玉、黄铁矿、砾石中使用效果不好。一般PDC可钻地层的抗压强度低于18000PSI、岩石研磨性低于41°(岩石的内磨察角IAF值)
很多服务公司和钻井承包商使用岩石抗压强度软件来确定地层的硬度值。这些计算机分析岩石抗压强度模式使用了测井分析技术,主要分析和确定地层的三轴抗压强度。
岩石抗压强度分析软件可以协助钻井承包商确定PDC钻头可钻的井段,优化钻头选型,确定最优钻井参数。该软件的开发应用,为扩大PDC钻头的使用范围起到推进作用。
PDC钻头是人造聚晶金刚石复合片钻头的简称,是美国石油工业八十年代的一项重大技术新成就。其基本特点是切削刃锋利耐磨,钻头无轴承,因而具有在低钻压、高转速措施下工作取得高钻速、高进尺的效果。从而大大降低钻井周期和钻井成本。并大大降低井下事故的发生。
Zi,di-分别代表第i种尺寸的齿的数量和直径(不包括保径上的PDC齿)
上表中的“当量齿数”是以8-1/2钻头、13.44mm直径的切屑齿为基准。当同一只钻头上存在多种直径的切削齿时,PDC齿直径代号应以主切削齿为依据。
测井值反应岩石中放射性物质的多少。泥岩中最多,砂岩、碳酸岩等最少。在地质力学分析软件中主要用来分析岩性。
声波是测量声波在岩石中的传播速度。地层硬度越大,传播速度越快。声波在测井上用DT或t表示。
第一、钻头选型。PDC钻头对地层相对比较敏感,根据地层情况选择合适的钻头型号或根据地层情况进行针对性的设计钻头,是非常重要的,也是PDC钻头能否取得较好经济指标的前提和关键。
第二、钻头设计参数和制造工艺。根据钻头的使用情况,进行不断的设计参数调整和改进。
第三、切屑齿质量。PDC切削齿由一层金刚石复合层和碳化钨基体焊接而成。金刚石的硬度是钢材的十倍,是碳化钨硬度的两倍。金刚石的耐磨性是目前已知材料中最高的,它的耐磨性是碳化钨的十倍。但金刚石的弱点是脆性,容易被冲击载荷破坏。还有金刚石的热敏性,在高温下会燃烧为co2和co,在空气中约455~860度之间,出现石墨化燃烧。可以认为,金刚石的磨损过程主要是金刚石中的碳氧化成co2和co气体,然后溶解于钻井液中。
从PDC钻头的发展过程来看,限制PDC钻头使用范围和经济性的因素主要有两个方面:一是PDC切屑齿断裂或磨损造成钻头寿命较低;二是井底清洗钻头不良造成机械钻速降低。
解决PDC钻头的内因问题就是要解决钻头选型、设计、制造工艺和材料质量的问题。
第二、使用的钻井参数。包括钻压、转速和排量,PDC的刚脆性要求钻头旋转要平稳、减少振动,根据钻头厂家推荐的钻井参数选择合适的钻压和转速组合以减少振动,防止跳钻和溜钻;PDC的热敏性要求选择合适的排量,以达到清洗和冷却切屑齿。通过水力参数计算,一般选择的排量要求钻头喷嘴的射流冲击力要达到40米/秒以上,钻头比水马力要达到1.5马力/in2以上,以满足清洗岩屑和冷却PDC的要求,泥浆环空最低返速达到0.6-1米/秒。
第三、泥浆性能。一般说来,PDC钻头在油基泥浆中使用效果要比水基泥浆要好。但是,由于环境保护方面的要求和规定,以及使用后高昂的泥浆处理费用,使油基泥浆在很多区域无法使用。目前在矿物油和甘油泥浆基础上新开发的合成体系泥浆,以及在水基泥浆中加入降磨阻剂、使用低固相优质泥浆和低密度泥浆等新技术,都有助于提高PDC钻头的机械钻速。
在地质条件一定的情况下,使用合适的钻井参数和低固相优质泥浆体系是提高PDC钻头使用效果切实可行的技术措施。
孔隙度低于8%,对机械钻速影响不大。孔隙度大于15%时,对机械钻速有较大影响。
1、检查前只钻头是否有有钻头体损坏、掉齿等,确定井底无切屑齿、硬质合金、钢件等硬物存在,确保井底清洁、无碎金属。
2、小心搬运钻头,将钻头放置在橡胶垫或木板上。禁止把钻头直接放在铁板上。
3、检查钻头切屑齿是否有损伤、钻头内是否有异物、喷嘴孔内是否有O型密封圈,根据需要安装喷嘴。
2、注意上次起出时出现的遇阻井段,下钻过程中遇到缩径和狗腿时应使钻头缓慢通过。
4、注意观察指重表和扭矩表使钻头平稳接触井底。到达井底后上提0.5米左右以额定排量循环5-10分钟。
2、如必须进行划眼,应以额定排量、60rpm转速、10-20KN钻压缓慢低扭矩划眼。
2、若是PDC可钻的,则采用低钻压、低转速缓慢钻进,若胶塞随钻头一起转动,则上提钻具,重新钻进,直到有效切入。
3、 若是PDC不可钻的,则用牙轮钻头钻进,并把井底打捞干净,再下PDC钻头钻进。
2、采用10-20KN的钻压、60rpm转速缓慢钻进至少1米,以建立井底模型。