石油鉆頭技術現(xiàn)狀及發(fā)展方向.ppt

石油鉆頭技術現(xiàn)狀及發(fā)展方向 楊迎新 況雨春 陳煉 ( 西南石油大學，成都，610500 ),深井、超深井鉆井技術在我國油氣資源的勘探和開發(fā)中占據(jù)著至關重要的地位，有著廣闊的發(fā)展空間和發(fā)展前景。對深井、超深井而言，深部地層的鉆井成本在總的鉆井成本中占據(jù)著相當大的比重。而深部井段鉆井液密度高，巖石可鉆性差，加之水力能量嚴重不足，所以鉆進的速度相當?shù)?。目前，深部地層的低鉆速已經(jīng)對深井、超深井的建井周期和鉆井成本造成了嚴重影響。因此，如何提高深部地層的破巖效率，已成為石油鉆頭技術領域最前沿的研究課題和最具挑戰(zhàn)性的技術目標。,隨著材料技術以及鉆頭設計、制造技術的不斷進步，PDC鉆頭對地層的適應范圍越來越寬。過去，PDC鉆頭只限于鉆軟到中硬的均質地層。如今，其應用范圍也逐漸向硬地層、高研磨性地層以及含礫、軟硬交替等不均質地層擴展。只要地層適宜，PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金剛石復合片）鉆頭應是深部井段鉆頭的較佳選擇。然而盡管如此，面對深部井段惡劣的鉆井條件特別是地層條件，PDC鉆頭往往難以適應。牙輪鉆頭仍是深部地層鉆井中不可或缺的利器。,牙齒技術,2.1,美國猶他州立大學為Smith公司 開發(fā)的蜂窩狀結構聚晶金剛石,二次燒結硬質合金材料（Double Cemented Tungsten Carbide）由具有較高硬度和研磨性的微粒和具有較高韌性的基體材料共同組成。微粒是由更小的硬質合金粉末和粘接劑燒結而成；基體材料一般是鈷合金粘接劑，其中加入了碳化物、氮化物、硼化物等以提高基體材料的耐磨性。硬質微粒和基體材料在一定的壓力和溫度下燒結后所形成的新材料在保持（或更好）原有耐磨性的基礎上，韌性大大提高。因此，二次燒結硬質合金牙齒可用于高研磨性、高硬度地層的鉆頭。,近年來，用于牙輪鉆頭的金剛石加強牙齒技術在國內外鉆頭產(chǎn)品中應用越來越廣。所謂“金剛石加強牙齒”（Diamond Enhanced Insert）實際上就是與PDC鉆頭復合片類似的聚晶金剛石復合牙齒。這種牙齒耐磨性非常好，但成本也高，所以一般多用于保徑結構。但也開始出現(xiàn)全部使用金剛石加強牙齒的鉆頭產(chǎn)品，用于鉆進研磨性極強的地層。,采用了滾動、滑動兩種摩擦副相復合的結構，在保持滑動軸承高承載能力的同時，顯著提高了軸承適應高轉速的能力。,滾滑軸承技術是江漢石油鉆頭股份有限公司的專利技術，是目前世界上最有特色的鉆頭軸承技術之一。江鉆股份的SMD系列鉆頭就采用了這種新軸承技術，該系列鉆頭能適應高達400rpm的高轉速。就高轉速適應能力而言，這是世界上最出色的鉆頭軸承技術。該系列鉆頭在俄羅斯等海外油田配合渦輪鉆具鉆進，取得了令人矚目的成績。,Hughes公司于1988年取得牙輪鉆頭金屬密封專利，并經(jīng)不斷改進。近年，在SEM單金屬密封的基礎上，開發(fā)出新一代單金屬密封（SEM II）。SEM II進行了金屬表面特殊強化處理，改進了密封系統(tǒng)的結構，明顯挺高了密封效率，延長鉆頭使用壽命，并能提高整個軸承系統(tǒng)的可靠性。,（1）HAR橡膠密封技術,HAR橡膠密封是Hughes公司近年來在橡膠密封基礎上不斷改進推出的新型橡膠密封結構。這種密封技術的優(yōu)點在于其形狀特殊的密封圈能實現(xiàn)較高的壓縮比，因而能更有效地補償密封面的磨損，為軸承提供更穩(wěn)定的密封性能。,（2）HAR橡膠密封技術,Gemini雙密封技術（Gemini Dynamic Twin Seal System）是Smith公司的一項特色技術。密封系統(tǒng)包括兩道密封圈主密封和保護主密封的次密封，如圖6所示。該密封系統(tǒng)在高壓、高溫、腐蝕性井底環(huán)境中能保持良好的持久性和可靠性。自推出至今，密封系統(tǒng)的材料和結構兩方面均在不斷改進。,（3）Gemini雙密封技術,新的PDC齒在耐磨性、耐沖擊性以及熱穩(wěn)定性等方面明顯優(yōu)于原有產(chǎn)品，因此使得PDC鉆頭適應硬地層、研磨性地層以及難鉆不均質地層的能力明顯增強。,總體而言，新一代復合片的共同特點主要表現(xiàn)在熱穩(wěn)定性、抗研磨性和抗沖擊性明顯增強。特別是熱穩(wěn)定性的改進，已經(jīng)成為尖端復合片技術的重點攻關目標。這對提高PDC齒在難鉆地層的工作壽命十分重要。此外，復合片的自銳性能也有了階躍式的進步，金剛石層表層的磨損速度明顯低于深層，因而能夠使復合片的切削刃更加銳利。這對提高PDC齒在高強度地層鉆進時的損態(tài)吃入能力是十分有益的。,“極限”地層PDC鉆頭技術,3.2,隨著鉆頭技術的不斷進步，PDC鉆頭的“個性化設計”正在從一個理想化的概念或宣傳手段逐漸向實用技術轉化?！皞€性化設計”不同于“鉆頭選型”，它是一個更加精細、更加科學、更加強調主動性的鉆頭設計開發(fā)模式。 科學的個性化設計必須依賴先進的鉆頭性能分析預測技術手段。目前，西南石油大學的PDC鉆頭數(shù)字化鉆進仿真分析系統(tǒng)與美國Smith公司的IDEAS系統(tǒng)代表了世界PDC鉆頭性能分析與評價技術的最高水平。,鉆頭與巖石的互作用狀態(tài),模擬回旋狀態(tài)鉆出的井底,西南石油大學巖石破碎學與鉆頭研究實驗室自2004年開始進行模擬實鉆條件下的PDC鉆頭破巖仿真分析技術研究，迄今為止已經(jīng)開發(fā)成功PDC鉆頭數(shù)字化鉆進仿真分析系統(tǒng)，并在國內鉆頭企業(yè)中的應用中初見成效。該系統(tǒng)的主要特點是能夠針對包括導向鉆進在內的各種復雜鉆頭運動條件、復雜鉆頭切削結構以及變化的地層條件開展模擬鉆進分析，評價鉆頭工作性能。,國內在導向鉆井PDC鉆頭產(chǎn)品的個性化、系列化方面存在明顯差距,除了PDC復合片材質的改進以外，切削結構的創(chuàng)新也是提高PDC鉆頭綜合性能（特別是在難鉆地層中的性能）的有效手段。 2005年，西南石油大學研究開發(fā)了一項對提高復雜難鉆地層PDC鉆頭性能的新技術內鑲后備齒（亦稱內鑲二級齒）技術。,內鑲二級齒PDC鉆頭具備單只鉆頭高效鉆完包含50150m館陶底礫巖層在內的12-1/4“井眼全井段能力。內鑲式后備二級齒新技術為難鉆地層的高效鉆進提供了新的思路和技術手段，具有重要的推廣應用價值。,加長異形PDC齒具有可磨損長度大、吃入地層性能好、占據(jù)布齒空間小的優(yōu)勢，因此是一項提高深部地層鉆井速度的很有潛力的新技術。,2010年2月，在美國石油工程師協(xié)會舉辦的交流展示會上，美國休斯公司介紹了一種新型混合鉆頭的試驗與應用情況。該鉆頭由固定刀翼和牙輪混合組成。固定刀翼上采用固定PDC齒，牙輪上采用硬質合金齒，這種混合鉆頭在頁巖和塑性地層中鉆進時，比普通牙輪鉆頭更具攻擊性和高鉆進效率，機械鉆速是牙輪鉆頭的2-4倍，且有效減少了鉆柱扭振、粘滑和渦旋等現(xiàn)象的發(fā)生。,Hughes的HedgeHog系列,Smith 的 Kinetic 系列,孕鑲金剛石鉆頭配合高速井下動力鉆具是提高硬地層、復雜難鉆地層鉆進速度的十分有效的方式。,高耐磨、高韌性的牙齒和長壽命鉆頭軸承是牙輪鉆頭永恒的追求目標。牙齒技術的關鍵在于材料，軸承技術的關鍵在于密封。所以，牙齒材料技術和軸承密封技術仍舊是未來牙輪鉆頭技術發(fā)展的主旋律。隨著技術的完善和