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钻头(工具)

在钻井过程中,钻头是破碎岩石的主要工具,井眼是由钻头破碎岩石而形成的。一个井眼形成得好坏,所用时间的长短,除与所钻地层岩石的特性和钻头本身的性能有关外,更与钻头和地层之间的相互匹配程度有关 [1] 。钻头的合理选型对提高钻进速度、降低钻井综合成本起着重要作用。

钻头是进行石油钻井工作的重要工具之一,钻头是否适应岩石性质及其质量的好坏,在选用钻井工艺方面起着非常重要的作用,特别是对钻井质量、钻探速度、钻井成本方面产生着巨大的影响,PDC钻头是当今石油和天然气勘探开发行业广泛使用的一种破颜工具,它有效地提高了机械钻具,缩短了钻井周期 [2]

钻头是钻井设备的主要组成部分,其主要作用是破粹岩石、形成井眼。旋转钻头是目前石油行业普遍使用的钻头,在机械的带动下旋转钻头会产生旋转,从而带动整个钻头产生向心运动,并通过侵削、研磨使岩石发生裂痕并破碎,起到向下钻探的作用。钻头是主要的钻井设备之一,根据工作环境、地域环境的不同,钻头的规格、形状也应当有所不同,在进行石油钻井工作时,应当以具体需要、具体设计方案为根据,合理地、科学地选择钻头 [3] 。在具体的钻井工作中科学选择钻头、合理确定钻井液,从而提高石油钻井的工作效率、工作质量,才能使石油钻井更好地发挥自身的价值,为促进石油事业的发展作出一定的贡献。

目前石油行业使用的钻头有很多种类,以不同的钻进方式为根据对钻头进行分类,可以将其分为金刚石钻头、牙轮钻头与刮刀钻头,这三种钻头是最基本的钻头形式。在这三种钻头中,在石油钻探工作中应用最为普遍、最为广泛的一种是牙轮钻头,其应用程度也比较深。将这三种钻头进行对比,使用范围最小的一种钻头是刮刀钻头。本文主要介绍的是金刚石钻头与牙轮钻头 [4]

切削刃使用的是金刚石材料的钻进刀具就是金刚石钻头,金刚石钻头的主要优势在于能够适应研磨性较高、地质较硬的地层,切割性能也比较优良。在高速钻探方面具有非常显著的优势。

以所适应地层的差异为根据,可以将金刚石钻头分为普通金刚石钻头、聚晶金刚石复合片钻头两大类。在这两大类之中,普通金刚石钻头适用于研磨性较高、地质较硬、地质复杂的地层;聚晶金刚石复合片钻头能够被广泛的应用于硬质地层、软质地层、软硬适中的地层,其应用范围十分广泛。刀片的不同是这两种金刚石钻头的主要差别所在。

聚晶金刚石复合片钻头主要有四个组成部分,即金刚石复合片、喷嘴、胎体以及钻头体;普通金刚石钻头主要有四个组成部分,即金刚石颗粒、喷嘴、胎体以及钻头体。因为金刚石钻头的切割性能比较优良,因此在选择金刚石钻头当做石油钻井工具时,能够高速钻探,也能够在一定程度上扩大钻深。在使用金刚石钻头进行石油钻井作业的过程中,需要高度注意的有以下几个方面:

第一,金刚石钻头的价格比较高,因此在使用时应小心操作,降低损坏程度;

第二,金刚石钻头在热稳定性方面具有一定的缺陷,因此在使用时要保证钻头的冷却性能、清洗情况;

第三,其质地比较脆,因此金刚石钻头的抗冲击性能会比较差,应该严格按照金刚石钻头的相关规程来进行严格的、规范的操作 [5]

以牙轮钻头的结构为依据,可以将其分为水眼、轴承、巴掌、牙轮以及钻头体这五个部分。如果是密封喷射式的牙轮钻头,在一般情况下还包括储油补偿系统这一部分。螺纹一般会在牙轮钻头的上部,钻柱与螺纹进行相互连接,钻头下部会存在牙轮,其上带有三个巴掌,牙轮轴上装上牙轮,牙轮轴与各个牙轮之间装有轴承,牙轮
  会通过其自身所带的切削齿进行破碎岩石工作。钻井液的通道就是钻头的水眼。在进行石油钻井工作的过程中,通过钻进过程中的横向剪切作用、纵向振动作用,牙轮钻头会实现破碎岩石的目的,从而能够提升钻井速度。

在选择牙轮钻头当做石油钻井工具时,需要按照钻井设备的实际情况、地层的实际条件以及相邻油井的地质资料、地层资料来进行牙轮钻头的选型。在进行选择时,需要考虑的问题主要有以下几点:

首先,应考虑钻井地层中的软硬交错情况是否存在;其次,应考虑在石油钻井工作中是否需要防斜钻进、曲线作业;

再次,应考虑同一油井中的不同钻进井段的实际深浅情况;

最后,应考虑钻井地质、地层的可研磨性以及软硬程度 [5]

PDC钻头是当今石油和天然气勘探开发行业广泛使用的一种破颜工具,它有效地提高了机械钻具,缩短了钻井周期 [2]

金刚石复合片(PDCPolycrystalline DiamondCompact)是采用金刚石微粉与硬质合金衬底为原料,在超高压高温条件下烧结而成的复合超硬材料,它既具有金刚石的硬度与耐磨性,又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性,是一种卓越的切削工具与耐磨工具材料,现已广泛地应用于金属与非金属切削刀具、木材加工刀具、石油与天然气钻头等许多领域。PDC研发及其在石油、天然气钻头方面的应用历史已过去了35年,在这漫长的旅程中许多科学研究者为此作出了杰出的贡献。

在PDC研发方面,GE公司1970年公布,1972~1973年正式进行商品化生产的Compax具有划时代意义,而该公司1976年叉推出了专用于石油、天然气的PDC系列产品Stratapax钻井钻头用PDC,为钻头的研制提供了良好的基础。自此以后许多PDC制造公司在技术创新上也取得了重大进展,其中美国合成公司(US Synthetic)制造的金刚石层更厚、更耐冲击的PDC于上世纪90年代中期进入钻井市场后,使PDC钻头的钻井效果显著提高。1997年该公司即成为了市场份额的领头羊。

我国郑州三磨所于1987年研制成功PDC并逐步进入钻井市场,虽然产品性能还不完美,但其却以极低廉的价格赢得了我国刚起步的钻头制造业的青睐。

1992年郑州新亚复合超硬材料有限公司建成投产后,对PDC的制造技术作了持续不断的改进,使PDC的性能有了长足的进步。

PDC石油、天然气钻头的开发与应用也可追溯到30多年前,1973年Tulsa大学钻井研究中心与GE公司所进行的最初的平面PDC钻头设计以及在美国几大油田进行的几次现场钻井试验具有开创性、里程碑性的重大意义。自此以后,钻头制造商也不断在钻头设计、制造与使用诸多方面作了不懈的努力和持续的改进,才得以使PDC钻头在石油、天然气钻井中广泛推广,并给PDC及其钻头制造业、石油与天然气开采业带来丰厚的经济回报。

1985年我国四川石油管理局与美国克里斯坦森(Eastman Christensen)公司合资建立了川石一克里斯坦森金刚石钻头公司。

1994年新疆石油管理局与Halliburtos的secarity DBS公司合资建立了新疆一帝陛艾斯钻头工具公司,这两家企业都利用了国外成熟的PDC钻头制造技术,有力地促进了我国PDC钻头的制造与应用技术的进步、促进了PDC钻头在我国各大油田的推广和普及 [6]

在PDC的生产技术尚未成熟,或者说PDC钻头刚开始开发之前的一段时间,就有厂家用无硬质合金衬底的聚晶人造金刚石取代天然大颗粒金刚石来制造表镶钻头。聚晶体的形状有一端为圆锥的圆柱形、三角块形、圆片形及矩形、块形等多种,如GE公司的Geoset、Fomset,De Beers公司的Syndax3以及郑州三磨所的TSP,它们的共同特点是具有高热稳定性,即耐1000℃~1100℃的高温,可直接烧结到由碳化钨粉未及粘结金属组成的钻头胎体的冠部作为钻齿,破碎与切削地层。

1969~1975年郑州三磨所分别生产了几种不同直径的JR20SN一2聚晶体,首先用于保径的孕镶钻头和扩孔器的制造,钻进矿山7级以下的地层,而后用6x 6mm聚晶体制造石油刮刀钻头,在胜利油田进行试验,以钻进同一井深2400m为例,聚晶刮刀钻头与硬质合金刮刀钻头相比,每口井可节约1.1~1.2万元,并节省78%的时间;聚晶刮刀钻头与牙轮钻头相比,节省成本50%以上,钻井时间减少5~8天。另外1.8×5mm聚晶体制造的地质取芯钻头、扩孔器以及2.5×5mm聚晶体用于冶金、煤田及地质孕镶钻头的保径,其效果也与天然金刚石相近。

在上世纪80年代初期我国自主研发的PDC尚未成功之前,6×6mm聚晶体曾大量用于石油、天然气钻井的取芯钻头和西瓜皮式的全面钻进钻头。三角块形聚晶也曾大量用于制造中硬至硬地层(如石灰岩、白云岩)、轻微研磨性地层的取芯或全面钻进钻头。自90年代国产PDC大规模生产之后,聚晶人造金刚石逐渐退出了钻井市场,被PDC全面取代。

石油、天然气钻井用PDC钻头的研发与应用经历了一个相当长的时间,早期PDC的抗冲击性不高、存在分层现象,加上钻头设计制造方面存在问题及石油、天然气钻井具有风险性,占据钻井市场较大份额的牙轮钻头制造厂商表现不是那么积极,因此PDC钻头的研发和应用遇到了较大的困难与阻力。

美国在1973~1975年间采用GE公司生产的8.38×2.8mm、金刚石层为0.5mm厚的PDC(Compax)焊接到硬质合金齿柱上再安装到钢体钻头上进行试验,大量的原始试验数据表明:PDC可取代用于钻进最硬和磨蚀性很高的岩石的表镶钻头上的天然金刚石。但考虑到PDC的结构与性能特点以及石油、天然气地层大都为软一中硬地层,于是钻头制造厂商把PDC应用重点放到了具有重大市场前景的石油钻井市场。美国Tulsa大学钻井研究中心参与了最初的平面PDC钻头设计,并对PDc本身进行了关键性试验。在此期间GE公司在南得克萨斯州、科罗拉多州、犹他州、上密歇根州进行了4只PDC钻头的试验,暴露了PDC柱齿、钻头设计与制造方面的一些问题。

初期试验存在的问题解决后,1976年12月GE公司推出了钻头专用PDC系列产品Stratapax,其性能有所改进,更耐冲击,也更有利于固定到钻头体上。与此同时Diamant B0art公司在波斯湾和北海盐岩中、East.man Christensen公司在北海也进行了一些较为成功的PDC钻头试验。

通过上述初步探索性试验之后,80年代末一直到现在,PDC制造厂对PDC进行了一系列的改进与创新,使PDC的各项性能得到了很大提高,而各大钻头公司随着能源市场的景气、原油价格的不断创新高,他们与石油公司一起积极开发了一系列新型PDC钻头,改善了使用效果与扩大了使用领域。

90年代起,从钻头水力学角度出发,通过完善钻井泥浆以控制页岩中钻头泥包现象获得了成功,使解决钻进页岩夹层存在的问题获得了突破性进展。PDC钻头的最大发展是Amoco公司发现了钻头损坏的最主要原因是钻头旋转偏摆(回旋)造成的,随之发展了防钻头偏摆设计技术,各钻头制造厂从钻头设计角度出发对布齿结构、刀翼结构、钻头剖面形状等采用了一系列防偏摆设计技术,将旋转偏摆程度降低到最小。此外,Eastman Christensen公司将Amoco的防偏摆产品实现了商品化,采用了稳定钻头工作装置,使PDC在钻进时降低导致其破坏的剧烈偏摆载荷,正式推出了防旋转偏摆钻头,这种钻头在多层(非均质夹层)岩层钻进中更为有利。此外,钻头冠部形状也由平面状变为3~8刀翼甚至更多刀翼(螺旋形)的西瓜皮状。

PDC钻头不断提高与创新的另一原因是开发与应用了更为现代、更为复杂的计算机数据模型系统(CAD/CAM),并与实验室验证相结合,增加了钻头成功应用的把握。在我国,PDC钻头的开发因为受到PDC国产化的影响,相对美国要晚15年左右,在上世纪80年代中期,江汉钻头厂、大港总机厂钻井研究所及北京石油大学等单位开始着手研发PDC钻头,1985年川石一克里斯坦森金刚石钻头公司与1990年新疆一帝陛艾斯钻头工具公司成立后分别引进了国外成熟的PDC钻头技术及后续新技术,并采用GE、DeBeers、USS公司生产的质量稳定可靠的PDC,它们制造的钻头在钻井中均有卓越的表现,为我国PDC钻头的开发与应用迅速铺平了道路,展现了PDC钻头在石油、天然气钻井市场的光明前景。但因钻头成本过高及售价昂贵,其应用主要在新疆地区油田及海洋油田钻井中推广。

1988年郑州三磨所自主研制的价格十分低廉的PDC投放市场后,加速了我国PDC钻头国产化的步伐,先后出现了江汉钻头厂钻井研究所、大港石油总机厂、胜利油田钻井院、大庆石油管理局钻头厂等一批PDC钻头制造厂,完全国产化的PDC钻头在大庆油田、中原油田、大港油田、胜利油田、辽河油田、吉林油田等地区得到了推广和普及。

由于20世纪90年代初国产PDC的性能还不令人满意以及部分钻头厂家钻头设计与制造水平相对较低,钻井效果尚不太理想,直到郑州新亚复合超硬材料有限公司投产后,在PDC制造技术上坚持不懈地进行研究和创新,产品的规格与国外产品一致,产品的质量及可靠性提高,才基本上满足国内外钻头客户用于钻进软一中硬地层钻头的技术要求,目前该公司主要致力于开发适合于硬地层、夹层、深井等难攻地层钻头用的PDC。另外,在钻头制造方面,除川石一克里斯坦森金刚石钻头公司、新疆帝陛艾斯钻头工具公司外,又涌现了一批具有高质量水平的钻头制造公司:如成都百施特金刚石钻头公司、武汉亿斯达工具公司、成都迪普金刚石钻头公司及四川川石金刚石钻头公司等。可以相信,不久的将来,国产PDC钻头的使用效果及应用领域会随着PDC品质的改善以及钻头设计、制造水平的提高而迅速进步。

当今,在世界钻井市场上,在钻头制造技术与生产数量上占主导地位的知名公司有休斯(BakerHughes)公司、DBS(HaIliburton的Secarity DBS)公司、史密斯(Smith International)公司以及瑞特(Hycalog ToolReed)公司四家 [6]

1) 地层沉积年代远,地层硬度高、不均质,部分层段研磨性高。

厚度在500m以上的自流井组,泥页岩,砂岩互层,砂泥岩致密,硬度高,须家河段为泥岩夹石英砂岩,硅质胶结,岩石硬度达7级;二叠系阳新统地层岩石可钻性级值为4.7~7.5,岩石软硬变化大,因高围压作用,二叠系灰岩硬度高出三叠系3倍以上,且央带燧石结核,煤及黄铁矿 [7]

2) 井眼不稳定。

川东高陡构造井的上部沙溪庙组一珍珠冲组地层(井深0~2500m),岩性主要是砂,泥、页岩互层。由于岩石水敏性强以及高陡构造的地应力联合作用,使井眼很容易失稳,井壁严重坍塌。为了平衡垮塌而提高钻井液密度.导致机械钻速大幅降低,如天东26井在沙溪庙组、自流井组地层钻井中钻井液密度提至1.35~1.63g/cm3,由高液柱压力产生的“压持效应”使机械钻速降至0.96m/h;二叠系的龙潭组、梁山组也极易垮塌。

3)地层倾角大,地层倾角8~55,最高达85,容易发生地层自然造斜。

为了控制井斜往往采取轻压吊打的措施,从而大大降低了钻井速度。

4)地层压力系统复杂,从负压到异常高压相互交错,具有纵向上压力系统的多样性和横向上压力系统相对独立性。

碳酸盐岩气藏有裂缝性、孔隙性和裂缝一孔隙性3类产层。孔隙性气藏压力规律性较清楚,基本表现为常压,能实现平衡钻井,如川东石炭系、长兴生物礁等。而裂缝性气层压力依赖于地质运动的强弱及岩石本身的强度规律性差,很难预测。钻井时按有裂缝存在而采用高密度钻井液钻进。导致过平衡影响机械钻速,但采用低密度钻井液快速强钻,突遇裂缝井喷的风险很大。阳新组、长兴组两个高压产层,由于压力梯度高,岩石硬度大,并且地层深度深,钻井液密度通常为1.50g/cm3;(云安6井最高压力梯度达2.45MPa/hm,钻井液密度2.41g/cm3),致使钻速长期徘徊在1.00m/h左右。

5)大尺寸井眼长。

川东地区大于

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