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金刚石钻头国内外研究现状及发展趋势

摘 要:近年来,随着石油勘探开发的难度增加,在现有钻井技术条件下,使用牙轮钻头已经很难大幅度提高钻井速度,因此国内外研究的热点集中在对金刚石钻头的研究开发方面。目前国内外在金刚石钻头设计、切削齿研制、水力能量利用研究等诸方面都取得很大进展,推出不少新理论、新技术、新产品。
众所周知,钻井是石油勘探开发的“龙头”,行业中有句名言:“钻头不到,石油不冒”,说得就是这个道理。此话既形象地比喻出钻井工程在油气田勘探开发工程中的重要地位,更道出了“钻头”这一用于凿岩成孔的硬件在钻井工程中所处的重要作用。故此,世界各国均在注重钻井工艺技术研究的同时,加大工作力度进行高效钻头的研制和新产品研究开发。

1 新工艺、新技术

以休斯·克里斯坦森公司为代表的一些主要钻头设计制造公司,在钻头的改进和开发方面做了大量的工作,取得可喜成果,推出了混合式钻头、抗回旋钻头、抗振钻头、快速硬地层钻头、双切削结构钻头、新型金刚石钻头等。其最新研究成果有:

1.1在应力处理齿,黑冰抛光齿、硬质合金支撑边 缘齿的基础上,又研制出加厚复合片切削齿、双切削刃齿等新型切削结构。

1.2在金刚石钻头力学的研究中也有新的突破,提 出漫流水力设计概念(即在靠近和远离钻头中心各布一对称喷嘴,使水力能量分配更合理)、异形喷嘴结构等新的水力设计方案。

1.3与此同时,近几年运用电渗透原理减轻钻头泥 包的研究也比较活跃,并开发出使钻头表面呈负电特性的工艺——气体渗氮处理技术。

1.4在加强保径、改进排屑槽设计、延长钻头寿命、 钢体钻头表面硬化、增加切削面积、有效清除岩屑等方面的研究中也做了大量工作,取得不少成果。

1.5金刚石钻头切削元件的规格也从单一品种发 展到今天的品种多样。目前,热稳定聚晶金刚石有三角聚晶系列、圆柱系列、园片系列;聚晶金刚石复合片直径有3/8"、1/2"、3/4"、1"系列等,从常规片到爪形片、弧形片、精磨片等,使切削元件的规格品种多样化。

2 新产品

最近几年,Christensen、Smith、Hycalog、Secu2rityDBS、Geodiamond等外国公司以及国内的川克、新星、石油大学(华东)、胜利油田等单位都在致力于金刚石钻头的研制与改进、推出一批设计新颖的钻头。

2.1 适用多地层的新型金刚石钻头

一种被称为“变换式”的钻头钻软地层时能象布齿密度低的钻头那样快速钻进,而在较硬地层钻进时又能象布齿密度高的钻头那样具有坚韧的耐久性。这一特点是通过把主刮刀与辅助刮刀之间可变夹角特性与享有专利的新型水力系统相结合而实现的。这种钻头上装有两种形式的刮刀、通过调节这两种刮刀的切削作用可使钻头适用各种地层。

2.2 多水眼金刚石钻头

休斯·克里斯坦森公司最近研制出一种装五个刮刀片和19mm切削齿的多水眼金刚石钻头。这种多水眼金刚石钻头配有两个斜置的中心主喷嘴和八个辅助水眼。通过喷嘴和水眼的液流指向每一个切削齿,使总过流面积从484mm2增加到774平方 mm2 ,降低了钻头处的压降,获得更大的流量,钻头处只消耗泵压5%,有效地清除了钻头泥包。这种设计还提高了钻头在低水马力范围内的工作效率。

休斯・克里斯坦森公司在这种钻头的设计中加入了碳化钨支撑边缘(CSE)切削齿,以防止切削齿发生早期断裂。之后又采用了优质抛光的黑冰CSE切削齿,进一步提高了钻头的耐磨性和工作性能。这种钻头与贝克・休斯Inteq公司的井底泥浆马达配套使用。

2.3 带有自锐式切削齿的水力辅助破岩钻头

石油大学(华东)研制了一种新型的、带有自锐式切削齿的水力辅助破岩系统,既可提高对工作重点切削齿的冷却,又可实现水力—机械破岩的目的。这种钻头由钻头基体、水力喷射系统及自锐式切削齿构成,其特征在于水力喷射系统是由布置在钻头基体顶端的、中心径向倾斜喷嘴及外圈近切向喷嘴组成,并将自锐式切削齿布置在钻头基体的顶端。试验结果表明,由于该钻头采用了合理的水力喷射系统和自锐式切削齿,使得重点切削齿实现与水力联合破岩的目的,弥补了普通金刚石钻头的纯机械切削、切削齿过快钝化及清岩不畅等缺陷,可大幅度提高钻进速度。

2.4 “金”系列与“星”系列钻头

“金”系列钻头是克里斯坦森公司近年开发出的一种金刚石全面钻进钻头,它的最大特点是大幅度提高钻头寿命和机械钻速。“金”系列包括十四种不同结构、适用于不同地层的钻头,“金”系列钻头具有独特的设计使其在金刚石钻头市场上处于高科技领先地位。

“星”系列钻头可容易地对切削齿的后倾角和磨损节进行调整,从而减轻其吃入性并降低扭矩的变化,适合在大斜度井和水平井中应用。“星”系列金刚石钻头包含了“金”系列金刚石钻头的全新概念。

2.5 适合多夹层地层的金刚石钻头

胜利油田钻井工艺研究院研制出一种适合多夹层地层的金刚石钻头。这种金刚石钻头具有独特的切削结构,以金刚石复合片作为主切削齿,以热稳定聚晶金刚石作为辅助切削齿,二种切削齿以一定的加工形式形成复合切削结构,大大提高了金刚石钻头的应用范围。

3 结论

金刚石钻头技术的发展已经有二十多年的历史,但目前金刚石钻头在设计上的改进步伐比以往任何时候都快。因为金刚石钻头的应用范围越来越广泛,人们对它的期望值越来越高,于是迫使设计人员要不断的努力,不断地创新,开发出新的更有效的方法来优化钻头设计,改进钻头设计,研制出新型钻头。目前,金刚石钻头研究的焦点已从治疗型向预防型转变。

从国内外钻井趋势来看,在现有钻井技术条件下,使用牙轮钻头已经很难大幅度提高钻井速度,特别是在易斜等特殊地层,受钻井参数影响,机械钻速较低,大大影响了建井周期。而金刚石钻头机械钻速高、进尺多、寿命长,极大地提高了钻井速度,在深井中更是具有寿命长的优势。使用金刚石钻头是加快勘探开发速度的趋势所在。

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