PDC钻头稳定性技术研究

PDC钻头稳定性技术研究

王福修,田京燕

(胜利石理局钻井工艺研究院,山东东营257017)

摘要:文章对影响PDC钻头稳定性的回旋振动与扭转振动进行了分析与研究,提出了多种改善PDC钻头稳定性的技术措施,并简要介绍了应用效果。

关键词:PDC钻头;稳定性;振动

中图分类号:T E921.101　　　文献标识码:A

The technology study on PDC b it stab il ity

W AN G Fu2x iu,T I AN J ing2yan

(D rilling T echnology R esea rch Instu tity of S heng li P etroleum A dm in istra tion,D ongy ing257017,Ch ina)

Abstract:T h is p ap er describes the w h irl vib rati on and to rsi onal vib rati on they are having on PDC b it stab ility.It discu sses techno logy m easu res w h ich i m p rove PDC b it stab ility,and describes their po sitive effect b riefly.

Key words:PDC b it;stab ility;vib rati on

　　自70年代初,PDC钻头问世以来,PDC钻头在世界范围内得到了普遍应用。在均质的较软地层中PDC钻头具有破岩效率高、钻速快、进尺多、寿命长等优点。从80年代中期开始,国内先后投入了大量

3　4000m钻机应采用旋升式井架和底座井架及底座选择有3种方案,双升式(Slingsho t

Sub structu res平行四边形式)、旋升式(PYRAM I D 公司生产的“Sw ing U p”)和SO I LM EC B ranham公司生产的“Sw ing L ift”。进口的5000m以上电驱动钻机及国内生产的40D,50D,70D型钻机大部分采用的是双升式井架,但与后2种井架形式相比,一是结构件笨大,尤其是底座和钻台面,我国生产的ZJ40 2250DB型钻机采用这种井架形式,其底座质量为130×103kg,井架质量为47×103kg,搬家需要的车辆多;二是双套起升绳系,一套起升井架,一套起升钻台面,多了一套绳系;三是起升拉力大;据测算,起升钻台面时,起升力近2000kN,接近满负荷;四是钻井工况下整体稳定性差,振动比较大。旋升式井架克服了以上缺点,但搬家安装时,仍存在翻倒大绳的问题。B ranham公司生产的“Sw ing L ift”保持了“Sw ing U p”低位安装、稳定性好等上述井架的优点外,它还有自己的特点。

1)　起升井架后不用翻倒大绳,只需下放游车,把起升大绳挂在后台的导轮上就可起升绞车。由于井架的导轮设计在井架内侧,大绳的受力情况得到改善。

2)　井架不仅是单靠在人字架上,而是与人字架联结成一体,形成4点支承,井架的稳定性及受力更好。

3)　井架、底座,特别是后台质量减轻,运输单元进一步减少。该类型井架的设计提升能力范围从2500kN到11300kN,不仅适合4000m钻机,而且也适合50D,70D型钻机。

井架及底座采用“Sw ing L ift”形式,有明显的优势和便利。

2002年第31卷　　　　　　　　　　　　　　石油矿场机械　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第2期第7页　　　　　　　　　　　　O I L　F IELD　EQU IP M ENT　　　　　　　　　　　　2002,31(2):7～10　

Ξ收稿日期:2001209228

作者简介:王福修(19572),男,山东东营人,高级工程师,现从事金刚石钻头的研制与开发工作。

的人力物力从事PDC 钻头的研究与开发,并有多种PDC 钻头在国内得到推广应用。在研究开发与使用过程中,人们发现PDC 钻头的损坏是由于其不能在井下稳定地工作而造成的。为提高PDC 钻头的工作性能,使其获得更广泛的适用范围,胜利石理局钻井工艺研究院对“PDC 钻头的稳定性技术”进行了研究。在对影响PDC 钻头稳定性的因素进行大量调研及分析的基础上,在设计、制造工艺及现场使用操作参数等方面采取了诸多消除或减弱钻头振动的技术措施,改善了PDC 钻头的钻进稳定性,从而使其钻进性能有了显著提高。

1　影响PDC 钻头稳定性的因素

现场应用中,有许多PDC 钻头的钻进性能不理

想,进尺少、钻速慢、寿命短,分析其原因主要是由于在钻进过程中PDC 钻头发生了某种振动而使PDC 钻头不能够稳定工作所致。振动形式主要有回旋振动、扭转振动及轴向振动。111　回旋振动

正向回旋,由于钻头瞬时旋转中心距原井眼中心较近,多数PDC 切削齿的运动状态与受力状态属于正常,因而危害小。回旋主要指瞬时旋转中心为钻头保径。钻头发生回旋时,钻头设计的几何中心使钻头的旋转中心不再成立,因而钻头的几何结构、PDC 切削齿的布置变得不合理。回旋运动改变了PDC 钻头切削齿的工作状态,切削齿有时正向运动、有时侧向运动、有时反向运动,每个PDC 钻头切削齿都承受着较大的冲击载荷。如图1,PDC 钻头切削齿的瞬时速度为

v =Ξ

r 2

+R 2

-2rR co s Η,(1)

式中,v 为PDC 切削齿运动线速度;Ξ为钻头运动角

速度;r 为PDC 切削齿与钻头中心轴线之间的距离;R 为钻头半径;Η为PDC 切削齿所在的钻头半径线与OO i 线之间的夹角。

从上式看出,PDC 钻头切削齿的运动速度和方向无时不在变化,尤其是每时每刻总有部分PDC 切削齿的切向运动速度与设计要求的方向相反,这叫瞬时局部反向旋转现象,对PDC 切削齿的破坏特别严重。现结合图2对瞬时局部反向旋转现象作进一步分析研究。

PDC 切削齿的切向运动速度为v sin Α(图示方向为正),由图中几何关系R

sin (

Π2

-Α)=

r 2+R 2

-

2rR co s Ηsin Η

(Α如图1),

得　　　　v sin Α=Ξ(r -R co s Η

)。　　　(2)由式(2)知,当r -R co s Η<0时,v ・sin Α<0,实际方向与图中所示方向相反,即为反向旋转。r -R co s Η

<0的条件可转化为r 圆心位于O B O i 中点的一个圆。也就是说,位于圆r =R co s Η内部的PDC 切削齿均存在不同程度的反向旋转现象。圆r =R

co s Η的面积等于钻头端面面积的1 4,说明PDC 钻头在发生回旋运动时,每一时刻都约有1 4

的PDC 切削齿存在反向旋转现象。

O —井眼中心;O B —钻头中心;O i —钻头瞬时旋转中心

图1　PDC 切削齿的运动学分析

图2　PDC 切削齿受力状况

反向旋转是由于PDC 切削齿的承载特点所决定的。PDC 切削齿的结构和自锐特点只允许它承受来自正面的载荷,对来自侧面和反面载荷的承受能力很弱。如图2a ,切削力作用在金刚石层的正面,后面有W C 底层支撑着金刚石层,故可承受很大载荷;如图2b ,切削力主要作用在自锐出露的金刚石层反面上,正面无任何支撑,即使在较小载荷、作用时间较短的情况下,切削齿的金刚石层也会遭到严重破坏。

PDC 钻头发生回旋振动时,切削齿承受的冲击载荷很大。在较硬地层中,PDC 切削齿使得金刚石层凸缘被剪掉;使得部分或整个金刚石层碎裂。前者使钻头机械钻速减慢,但经过一段时间的热磨损后,凸缘又会自动形成。此过程反复进行,将加速PDC 切削齿的磨损破坏;后者使PDC 切削齿失去自锐能力,是导致PDC 钻头先期损坏的主要原因。

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1.2.1　钻头结构

促使钻头产生横向运动的任何因素都能增加钻头回旋倾向。钻头切削不平衡力愈大,冠高系数愈大或外锥愈长,保径部位愈粗糙,则愈易发生回旋。1.2.2　岩石性能

在软地层中钻进速度较快,没有足够的时间使井径扩大,因而钻头回旋不易发生。相反,由于某种原因,如,钻较硬地层,机械钻速就较慢,钻头就有可能发生回旋。易引起钻头泥包的粘性地层可减小回旋倾向。松散地层通常最糟,因为它极易引起井径扩大,所以很易导致钻头回旋的发生。

1.2.3　操作参数

转速越高,离心力越大,钻头越易发生回旋或回旋不易停止。因为相对不平衡力增大,使得钻压越小,越易发生回旋。

2　扭转振动

2.1　扭转振动的危害

发生扭转振动时,钻头会发生卡滑现象,导致钻头转速时大时小,甚至静止不动,或反向旋转。这样会使PDC切削齿承受很大的冲击载荷,加速切削齿的磨损甚至引起金刚石层脱落,尤其是钻头反向旋转更容易导致PDC金刚石层的碎裂或脱落。由于钻头或井底钻具发生扭转振动时,钻柱承受着循环交变载荷,所以容易引起钻具的疲劳破坏。

2.2　影响扭转振动的因素

研究证明,在钻头布齿密度大、钻头已磨钝、地层较硬、泥饼摩擦因数大、水敏地层、高钻压低转速情况下,钻头容易发生扭转振动。钻头布齿密度大,要想取得同样快的机械钻速,必须增加钻压,这样一是增大了切削齿与岩石之间的摩擦力;二是更易使BHA靠近井壁因而容易引起扭转振动。水敏地层或泥饼摩擦因数大,加大了BHA与井壁之间的摩擦力,所以易引起扭转振动。PDC钻头的一个固有特性是随着转速的增大而扭矩减小。对于磨钝了的PDC钻头,该特性更为明显。这是因为PDC钻头以剪切方式破岩,岩屑排出方便迅速,而磨钝了的PDC钻头部分地以挤压方式破岩,岩屑不易清除,因而扭矩增大,若转速增大,岩屑清除速度加快,因而扭矩就会减小。也就是说,井底岩屑不能及时清除,是引起扭矩随转速增大而减小的根本原因。说明,磨钝了的PDC钻头在低转速条件下容易引起扭转振动。3　技术措施

3.1　钻头结构方面

3.1.1　平坦的钻头冠部轮廓

试验表明,钻头冠部轮廓锥度愈大,其钻头旋转中心对钻头的横向偏移越敏感。而具有平坦冠部轮廓的PDC钻头不易发生横向移动,其稳定性较好。

3.1.2　钻头冠部轮廓深内锥

当PDC钻头发生横向偏移时,钻头深内锥上受力的切削齿与锥外受力的切削齿在方位上处于相反的两侧。这样内锥上受力的切削齿则阻止钻头作进一步横向运动。如果内锥较浅,则心部岩石易被横向运动的切削齿切削掉,因而起不到阻止钻头横向运动的作用。深内锥结构的另一个作用是防止内锥上的PDC切削齿受反向载荷的作用。此外,若内锥深度与外锥高度相当,那么钻遇由硬到软的地层交界面时,深内锥结构可使钻头中心和保径部位同时有PDC切削齿处在硬地层内,有利于钻头平稳钻进。

3.1.3　低摩阻保径

低摩阻保径是利用一个无切削作用的摩擦力很小的保径块来平衡钻头上的不平衡力。不平衡力指向低摩阻保径块,该保径块与井壁之间的摩擦比保径切削齿与井壁之间的摩擦小得多。由于在垂直于不平衡力方向上的摩阻很小,所以钻头可沿井壁滑动而不会滚动。如果该保径块相对较宽,那么不平衡力允许有较大的方向变化。只要不平衡力始终指向低摩阻保径块,钻头则不会发生回旋运动。这种低摩阻保径结构的关键是确定不平衡力的大小、方向和低摩阻保径块的包角(或宽度)。

3.1.4　轨径布齿

轨径布齿是将全部或部分PDC切削齿分布在钻头冠部端面上不同的同心圆环上,即某一个钻头半径上布置数个PDC切削齿,而各个同心圆环之间的PDC切削齿的重叠系数很小。这一径向布齿方式使钻头在钻进过程中产生不平滑的井底,使相邻的同心圆环之间形成地层岩石凸起环带。在钻头旋转钻进过程中,若由于某种原因引起旋转中心偏移, PDC切削齿会撞击相邻的岩石凸起环带。这一作用产生一个与偏移方向相反的稳定力,试图恢复钻头绕其几何中心旋转。该稳定力作用在垂直于钻头轴线的平面上,其大小与切削深度,岩石抗压强度及切削齿同心圆环的分布等因素有关。

3.1.5　力平衡设计

钻头在钻进过程中,PDC切削齿通常承受径向

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　王福修,等:PDC钻头稳定性技术研究

力、切向力、轴向力等,还有弯矩作用,这些力的大小和方向取决于钻头设计参数、所钻地层的强度及钻井工作参数,其中设计参数包括钻头冠部轮廓、PDC 切削齿的前倾角及侧倾角、PDC 切削齿的径向布置、周向布置、轴向布置和装配角、各个PDC 切削齿的切削面积等。这些力的矢量和在垂直于钻头中心轴线的平面上产生一个静不平衡力,其值通常与钻压成正比,大小用所占钻压的百分比表示。它是导致PDC 钻头偏离几何中心旋转的根本原因,因此一般借助计算机将不平衡力设计为最小(低摩阻保径结构的PDC 钻头除外)。

3.1.6　螺旋状刀翼

由于刀翼式布齿(或肋状布齿)排屑效果好,有利于提高机械钻速,因此PDC 钻头多采用刀翼式布齿,即将全部PDC 切削齿都布置在刀翼上。但与自由式布齿相比,这种布齿容易使切削载荷集中到某一个方向上,从而增加了钻头产生偏移的可能性。为此,多采用螺旋状刀翼结构,这样就分散了指向井壁的切削力,减小了钻头保径与井壁之间的接触应力,因而减小了钻头发生回旋运动的机率。

3.1.7　刀翼非均匀布置

理论分析和试验研究表明,若刀翼在钻头端面上均匀布置,那么它正好有助于维持其振动频率不变,甚至能增大其振幅。相反,刀翼呈非均匀布置,打破了某种振动发生初期所具有的频率,从而对振动产生了一种阻尼作用。

3.1.8　保径环结构

在360°圆周上,钻头的保径形成一个整体圆环,防止最外排PDC 切削齿间歇地冲击井壁地层。这种结构减小了扭矩波动和扭矩绝对值,较大程度地了钻头无控制地横向运动,可钻出光滑的井眼,减小了钻头发生回旋振动与扭转振动的可能性。对于定向钻井,具有该结构的PDC 钻头可导性强,方位易于控制。

3.1.9　大排屑槽结构

采用大排屑槽结构有利于井底岩屑及时排出,减小钻头切削扭矩,从而降低钻头发生扭转振动的可能性。

3.1.10　低密度切削齿布置

要想获得相同的机械钻速,PDC 切削齿密度低的钻头在较小钻压情况下就能实现。这样BHA 则不易发生弯曲变形,不致于由于BHA 与井壁摩擦增大而引起扭转振动;再者,钻压小,PDC 切削齿与岩石之间的摩擦力也小,不易发生钻头引起的扭转

振动。

3.1.11　混合切削结构

该结构的主切削件是PDC 切削齿,辅助切削件是天然金刚石孕镶柱或硬质合金柱或大块T SP 。辅助切削件一般布置在PDC 切削齿稍后一点,且露出适当低于PDC 切削齿。该混合切削结构的主要特点是在含有硬夹层的地层中钻进时,有利于保持切削齿的连续吃入地层,即保持机械钻速的连续不变性。也就是说,这种结构使钻头的机械钻速在软地层中不致于太快,而在硬夹层中也不致于太慢。因此,这种混合切削结构减小了钻头在软硬交界面处引发各种振动的可能性。

3.2　其他措施

a )　高钻压低转速的钻井参数有利于防止钻头

回旋振动或轴向振动的发生,但易于引起钻头或钻具的扭转振动。如果确实发生了扭转振动,现场实用的解决办法是将钻头慢慢提离井底,待扭转振动停止后再将钻头放到井底,采取小钻压高转速的参数。实践中,应采用高钻压低转速组合还是采用低钻压高转速组合,需根据现场具体情况而定。

b )　采用井底动力钻具可以避免由于BHA 弯曲变形而导致的扭转振动。在井底MW D 内安装振动测量装置,随时将钻头振动情况反映给司钻,以对钻井参数进行实时调整。

4　应用效果

通过对钻头稳定性的技术研究,结合制造工艺及钻井现场实际情况,近期开发的PDC 钻头新产品采用了多项稳定性技术措施,增强了钻头的稳定性,提高了钻头的工作性能。其中P 284M 2241.3型PDC 钻头单只进尺达10027.59m ,创国产PDC 钻头单只进尺最高纪录;P 274M 2311型PDC 钻头在中国海洋石油渤海公司Q K 17—2—P 27井使用,连续进尺达1980m (井段460～2440m ),以65.45m h 的高机械钻速钻完了直径<311mm 井段(完钻),受到用户好评;P 185M 2152.4型PDC 钻头在新星公司东北局使用,一只钻头可连续钻完直径<152.4mm 井段,单只进尺1476m ,机械钻速14.67m h ,其性能指标大大高于老产品;最新研制开发的P 2M F 2215.9型PDC 钻头又创出了胜利油田陆上地区一只PDC 钻头连续钻完一口深度为3050m 的井的新纪录。

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