金刚石钻头选型与应用

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,金刚石钻头选型与应用,目 录,PDC,钻头的发展及适用范围,使用,PDC,钻头的优势,PDC,钻头选型所需资料,PDC,钻头,IADC,编码标准,岩石力学分析及应用,使用环境因素对机械钻速的影响,PDC,钻头现场应用注意事项,PDC,钻头的发展及适用范围,General Electric,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,Amoco Production,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。,HAMMER,TITAN,KILLER,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。,使用,PDC,钻头的优势,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。,钻头选型所需资料,地质资料,岩性分析,地质分层,测井资料,井深,声波时差（,DT,）,伽玛（,GAPI,）,密度,钻井工程数据,井身结构,井眼轨迹,泥浆性能,钻具组合,钻井参数,邻井钻头使用资料,PDC,钻头,IADC,编码标准,钻头体材料,布齿密度,代号,(,当量齿数,),PDC,齿直径,代号,PDC,钻头冠部形状高度代号,胎体,钢体,分级,代号,尺寸,(mm),鱼尾形,短,58mm,中,(58114mm),长,114mm,M,S,1,稀,30,1,24,1,2,3,4,2,1424,3,14,4,8,2,中,30,齿数,40,1,24,2,1424,3,14,4,8,3,密,40,齿数,50,1,24,2,1424,3,14,4,8,4,高密,50,1,24,2,1424,3,14,4,8,当量齿数计算,式中：,D,钻头直径,n,钻头上切削齿尺寸种类数,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。,岩石力学分析及应用,岩石力学分析所需测井资料,井深,声波时差（,DT,）,伽玛值（,GAPI,）,密度,伽玛值与抗压强度的关系,测井值，,API,抗压强度，,PSI,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。,抗压强度，,1000,PSI,声波,DT,t,，,s/ft,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。,声波时差与抗压强度的关系,抗压强度，,1000,PSI,岩石体积密度，,g/cm,3,分析方法：,岩石体积密度,2.5 g/cm,3,时，地层抗压强度陡升。,抗压强度与岩石体积密度的关系,常用测井方式、代码和单位,岩石力学分析在钻头选型中的应用,抗压强度,内摩擦角,岩石抗压强度在,PDC,钻头选型中的应用,抗压强度,(psi),地层强度,类别,地层强度,级别,PDC,钻头,IADC,编码,刀翼数量,切削齿尺寸,(mm),4000,极软,1,2,M/S112M/S222,5,19,40008000,软,3,M/S122M/S223,4,5,19,800012000,软中硬,4,M/S223M/S323,5,6,19,，,16,12000,16000,中硬,硬,5,M/S323M/S433,6,7,13,1600021000,硬,6,M/S433M/S444,=8,13,，,8,21000,极硬,7,级以上,牙轮钻头或巴拉斯钻头或孕镶钻头,内摩擦角在,PDC,钻头选型中的应用,内摩擦角,(,度,),地层强度,类别,地层研磨,级别,PDC,钻头,IADC,编码,刀翼数量,切削齿尺寸,(mm),10,极软,1,2,M/S112M/S222,5,19,1020,软,3,M/S122M/S222,5,19,2030,软中硬,4,M/S222M333,5,6,19,，,16,，,13,30,41,硬,5,6,M/S333M444,7,8,13,，,8,41,极硬,7,级以上,其它非,PDC,钻头,使用环境因素对机械钻速的影响,影响,PDC,钻头机械钻速的因素有钻头本身的因素和环境因素,钻头本身因素（或内因）包括：,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,455860,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。,使用环境因素包括：,第一、地层岩性和压实强度。,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。,空隙度与机械钻速的关系,机械钻速，,FT/HR,声波孔隙度,，,%,分析方法：,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。,增加,机械钻速,泥浆参数对机械钻速速的影响,PDC,钻头现场应用注意事项,一、,钻前准备,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。,二、,上扣,1,、清理钻头公扣或母扣并涂抹丝扣油。,2,、将卸扣器卡在钻头上，放下钻柱使之与钻头公扣或母扣接触上扣。,把钻头和卸扣器一起放入转盘补心，然后按照规定扭矩旋紧丝扣。,三、,下钻,1,、取下卸扣器小心下放钻头通过转盘、防喷器、套管悬挂器。,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。,3,、距井底,30,米时开始以,60rpm,的转速旋转并以额定排量冲洗井底。,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。,四、,划眼,1,、不推荐使用金刚石钻头进行长井段划眼。,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。,五、钻水泥塞,1,、首先确定套管鞋是否是,PDC,钻头可钻的。,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。,六、,造型,1,、保持额定排量、下放钻头至井底。,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。,3,、以每次,10KN,的增加量将钻压增至正常钻进最佳值。,保持钻压恒定调整转速以便获得最佳的钻进参数组合。,七、,正常钻进,1,、在遇到研磨性或硬沙泥岩时，降低转速以延长钻头寿命。,2,、遇到地层变化或夹层时调整转速和钻压以保持最佳的钻头效能。,3,、每次接单根以后需注意以下几点：,1,）恢复泵