鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)與選型技術(shù)

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1、鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)與選型技術(shù)一、前言近年來(lái)，隨著油氣勘探的進(jìn)一步深入，塔里木勘探區(qū)域由臺(tái)盆區(qū)逐漸向山前構(gòu)造帶轉(zhuǎn)移，塔中地區(qū)也向英東、滿(mǎn)東、古城等構(gòu)造帶推進(jìn)，探井的鉆井難度逐漸加大，地層越趨復(fù)雜，這些構(gòu)造特殊的地質(zhì)環(huán)境和復(fù)雜的地質(zhì)條件使其鉆井速度大大低于探區(qū)平均水平，制約這些構(gòu)造鉆井速度的最大障礙是鉆頭不適應(yīng)這些構(gòu)造地層巖性特征，根據(jù)這些構(gòu)造準(zhǔn)確的巖性特征有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)適合這些構(gòu)造地層特點(diǎn)的鉆頭系列及結(jié)合鉆頭自身特點(diǎn)進(jìn)行鉆頭選型是提高這些地區(qū)機(jī)械鉆速一個(gè)關(guān)鍵因素。通過(guò)塔里木工程技術(shù)人員的不懈努力，在鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)與選型技術(shù)等方面經(jīng)過(guò)持續(xù)近10年的綜合攻關(guān)研究，取得了突破性的進(jìn)展，

2、使塔里木盆地各區(qū)域鉆井速度得到了不斷提高，相繼完成了柯克亞、克拉蘇、大北、卻勒、迪那、塔東等一批具有典型代表的高效井。相繼推出了FM、FS、M、MS、P、R、G、S、BD、DS、DSX、TBT系列等一大批新型的鉆頭，同時(shí)加大了前期攻關(guān)技術(shù)成果的推廣應(yīng)用力度，使鉆頭的使用與各區(qū)域復(fù)雜的地層特點(diǎn)相結(jié)合，基本滿(mǎn)足了各區(qū)域復(fù)雜井的鉆井需要，鉆井速度得到了進(jìn)一步的提高，鉆井成本得以有效控制，塔里木油田探井評(píng)價(jià)井平均機(jī)械鉆速由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%以上就是明證。本文簡(jiǎn)要的回顧了近兩年來(lái)在鉆頭攻關(guān)研究方面的情況

3、，重點(diǎn)介紹了在PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)、改進(jìn)、開(kāi)發(fā)，選型技術(shù)、以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與推廣應(yīng)用等方面的情況。主題詞：塔里木盆地四大區(qū)域復(fù)雜地層PDC鉆頭優(yōu)化改進(jìn)選型應(yīng)用二、塔里木油田的地層巖性特征塔里木盆地幅員遼闊，面積巨大。各構(gòu)造帶由于受多次造山運(yùn)動(dòng)的影響，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，是國(guó)內(nèi)陸上鉆井難度最大、最集中的地區(qū)之一。塔里木油田在持續(xù)不斷的攻關(guān)過(guò)程中逐漸認(rèn)識(shí)到，由于塔里木油田復(fù)雜多變的地層，其鉆頭使用技術(shù)關(guān)鍵在于鉆頭本身，否則無(wú)論采用何種方法優(yōu)選，鉆頭選型準(zhǔn)確程度都不高，若想提高鉆井速度必須針對(duì)地層特性改進(jìn)舊系列鉆頭、設(shè)計(jì)新型鉆頭：依據(jù)地層可鉆性分析，針對(duì)鉆頭使用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，聯(lián)合鉆頭

4、廠家設(shè)計(jì)、改進(jìn)PDC鉆頭；對(duì)改進(jìn)后的鉆頭首先進(jìn)行應(yīng)用評(píng)價(jià),達(dá)到預(yù)期的效果后,再進(jìn)行全面推廣應(yīng)用，否則,將再次進(jìn)行改進(jìn)或重新設(shè)計(jì),最終形成塔里木油田不同區(qū)域，不同井段、不同巖性特征的高效鉆頭系列。根據(jù)上述思路，結(jié)合塔里木油田各區(qū)域的實(shí)際地層特點(diǎn)，在以下幾方面優(yōu)化設(shè)計(jì)、改進(jìn)PDC鉆頭。三、PDC鉆頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)（一）塔里木油田針對(duì)不同地層特點(diǎn)的PDC鉆頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。1、針對(duì)地層復(fù)雜、研磨性強(qiáng)的特點(diǎn)所采用的金剛石含量更高、抗沖擊性更強(qiáng)、壽命更長(zhǎng)的復(fù)合片優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。圖1、普通鑲嵌的厚金剛石層在交界面上產(chǎn)生高的張應(yīng)力圖2、環(huán)槽型鑲嵌蜂窩齒消除了有害張應(yīng)力采用環(huán)槽型等新的復(fù)

5、合片鑲嵌技術(shù)，消除了交界面的熱應(yīng)力，同時(shí)應(yīng)力更加分散，復(fù)合片與基坐結(jié)合更加牢固，使增加復(fù)合片的金剛石含量成為可能，從而增加了復(fù)合片的抗沖擊性和耐研磨性。圖3環(huán)槽蜂窩鑲嵌Hammer齒①、選用加厚環(huán)槽蜂窩鑲嵌齒-Hammer環(huán)槽蜂窩Hammer齒使復(fù)合片與基坐結(jié)合便加牢固，同時(shí)應(yīng)力更加分散，外環(huán)增加一圈金剛石層的同時(shí)增加了復(fù)合片的金剛石含量。環(huán)槽型的鑲嵌方式增加了復(fù)合片的抗沖擊性，切削齒的金剛石層厚度2.29mm，比普通切削齒的金剛石含量增加200%。極大地提高了齒的抗沖擊力和抗研磨能力。加厚環(huán)槽蜂窩Hammer齒的抗沖擊能力是普通齒的4倍。②、選用加厚GT齒GT齒是百施

6、特公司委托國(guó)外專(zhuān)業(yè)金剛石切削齒制造公司最新開(kāi)發(fā)的超強(qiáng)切削齒，其抗研磨能力比常規(guī)齒有大幅度提高，是高研磨地層的專(zhuān)用切削齒。GT齒多用于以抗研磨為主的鉆頭，如8-1/2″M1365R、M1385R等型號(hào)鉆頭。③、TITAN-Ⅱ齒的殘余應(yīng)力降到了最低水平，具有鋒利的特性，一般應(yīng)用于攻擊性強(qiáng)的快速鉆頭，如MS1952SS等鋼體鉆頭。④、DRAGON齒是抗研磨和抗沖擊綜合性能良好的齒，一般安裝在鉆頭的鼻部和鼻部外側(cè)。⑤選用BARCUTTER齒新型BARCUTTER的特點(diǎn)：àMajorProductImprovements整體結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金支撐座較厚的金剛石層較低的殘余應(yīng)力，平均降

7、低20-50%較高的抗沖擊性（提高了兩倍以上）較好的抗研磨性（提高了約30%）經(jīng)過(guò)測(cè)試的新型BARCUTTER的主要技術(shù)指標(biāo)：超高的金剛石濃度和粒度提高切削齒的抗沖擊性、抗研磨性。硬質(zhì)合金支撐座含鎢、鈷元素保證了支撐座的機(jī)械性能；具有高硬、高研磨性能。切削齒有限元分析發(fā)現(xiàn)金剛石與硬質(zhì)合金結(jié)合面的殘余應(yīng)力。新型結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金支撐座將結(jié)合面的殘余應(yīng)力進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)移和減小。電鏡掃描分析及超聲波探測(cè)分析有利于了解金剛石層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和金剛石粒之間的連結(jié)方式，以判斷其抗沖擊性和抗研磨性的高低。熱穩(wěn)定性測(cè)試：2、針對(duì)塔里木油田大部分區(qū)塊上部地層為軟-中