装备空问 看美国Ｐ Ｄ Ｃ钻头技术最新发展 口编译／申守庆 增加，各大钻头制造商都将目光 而通过造斜或降斜趋势从而最大程 Ｉ 右着北美地区页岩地层探明储量的 钻头在造斜井段实现最大的可操控性， 速达到了每４ｑ１／，２ｏｏ米。新型钻头很容 易就能实现９。／３０米的造斜速度，在井 集中到应对在这类地层钻井的挑战上， 或是开发出新结构的钻头产品，或是在 现有钻头结构基础上进行强化处理，以 使其适合于具体的钻井用途。上期介绍 了贝克休斯、哈里伯顿、ＮＯＶ井下公 司的ＰＤＣ钻头最新发展动态。这期继续 介绍美国三家公司的技术发展情况。 Ｓｈｅａｒ Ｂｉｔｓ公司 快速通盘考虑钻头开发过程能够 大幅提高钻头的钻井性能，该方法的 一个成功案例就出现在加拿大西部市 场，在Ｓｐｅａｒｆｉｓｈ油页岩区块以创记录的 （短）时问钻完了难于钻进的单眼水平 井段。 所钻井的轮廓包括一个相对短的直 井段，然后是一个小半径造斜以及一个 水平分支，用一只７—７１８英寸的ＰＤＣ钻头 一次钻完。前期所用［￣４ＪＰＤＣ钻头都能在 垂直井段、造斜井段或是水平井段获得 良好的钻井性能，但没有钻头能够在全 部三个井段都同时获得最好的性能。 前期在该地区钻井时在垂直井段 达到每小时１５０米的机械钻速是较常见 的，在弯曲井段的目标造斜率为每３Ｏ 米８。一９。，另外，水平井段的平均长 度大约为７００米，通常的机械钻速都在 每小时５０米以上，因此，所存在的一个 很大的挑战就是要开发出一种高机械钻 速，且在弯曲井段能打出高造斜率，在 水平井段能够实现很好的稳斜效果而 不需要过度的对钻头进行操控的ＰＤｃ钻 头。还有一个重要的方面就是要使钻头 结构与定向工具的特征相吻合。 Ｓｈｅａｒ Ｂｉｔｓ公司按客户要求专门为 此用途设计了一只７—７／８英寸的ＳＤ４１３Ｅ ＰＤＣ钻头。该钻头的初期性能目标是使 ８６石油与装备Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ 度的减小在水平分支内的滑动时间。该 眼侧向部分的滑动时间保持在低于６％ 钻头的特点是具有加长的螺旋保径垫 的水平。 结构以加强钻头在水平井段中的稳斜能 力，以及具有主动切削结构和保径外形 史密斯国际公司 以便提高其在弯曲井段的造斜能力。 史密斯国际公司对在岩石／切削齿 这种最初结构的钻头被使用了４ 界面处产生的摩擦热进行了详细的分 次，每次钻进时的定向响应都很好，但 析，这种摩擦热是使得ＰＤＣ钻头在硬岩 和研磨性地层不易钻进的一个主要因 该公司技术人员又发现了一个能够在垂 素。该公司还对ＰＤＣ钻头在深井和高温 直井段提高机械钻速（ＲＯＰ）的机会， 井中钻进时通常会遇到的热降解和微掉 所以在随后的六个星期的时间内，该公 块现象也进行了缜密的分析。 司又在前期结构的基础上开发出４种结 构的钻头，这４种新的钻头在钻井时创 该公司的研究表明，不同的应用 下了一系列的记录，其中最好的记录是 需要不同的切削齿性能。一般而言，如 从开钻到完钻后拆卸钻机只用了３．５天 要高效的钻进研磨性地层，就需要切削 的时间，与最初结构钻头的首次钻进相 齿具有较好的耐磨性和热稳定性；而抗 比，整个井段的平均机械钻速儿乎翻了 冲击性更好的齿则用于钻夹层地层以及 岩石强度更大的地层最为合适。 一番 该公司开发的ＯＮＹＸ切削齿技术是 在该项目开始时，该公司设计的 世界上第一种全面考虑了三个关系到 ＳＤ４１３Ｅ ＰＤＣ钻头的平均机械钻速为每 ＰＤＣ切削齿寿命长短关键因素的剪切切 ｄ＇，Ｈ￣２８～３３米，但针对具体用途对钻头 削元件，这三个关键因素包括热稳定 进行优化后，取得了每４，￣ｆｓ７米的平均 性、耐磨性和抗冲击性。无论是与以前 机械钻速，且在垂直井段的瞬时机械钻 的标准齿还是优质ＰＤＣ齿相比，这种新 Ｓｈｅａｒ Ｂｉｔｓ公司的７ ７／８ ＳＤ４１ ３Ｅ ＰＤＣ钻头一次钻进便钻完了整 史密斯国际公司设计的１２％英寸ＰＤＣ钻头装有加强齿且 口井的全部垂直、造斜和水平 优化了刀翼和喷嘴形状。用于旋转导向底部组合上在西 井段．创下了每小时５７米的平 非地区打研磨性极强的地层效果很好。 均机械钻速记录 装备空问 型切削齿都展现了更好的热稳定性能、 更好的耐磨性以及更长的疲劳寿命。 这种新型切削齿的生产分为两个 步骤，首先用传统的高温高压工艺制造 出优质的聚晶金刚石（ＰＣＤ）层，然后 均数据（６次钻头钻进）相比，这种新 翼、装有 ｌ ６ｍｉ１３直径 型钻头的进尺（１，７０２米）提高了１６５％， 机械钻速（２１．１８米／ｔｂｕ，／）提高１２２％，而 ＰＤＣ齿的钻 且是一次钻进便钻完了该井段。 头用于钻 对该金刚石层进行酸处理以便得到无催 化剂的金刚石片，将该金刚石片组装到 瓦瑞尔国际公司 瓦瑞尔国际公司最近正致力于改 ９—７／８英寸 井段。钻该 井段就必须 一种碳化钨（ＷＣ）基托上而后再进行 另一次高温高压处理。对最终产品还要 再进行一次处理以便清除掉第二次高温 高压工艺过程中的渗入材料。 与标准的优质切削齿相比，这种 新型齿每单位所钻岩石的磨平度大为减 小，在冷却状况良好的情况下，新型齿 所切除的岩石大约为传统齿的１３０％， 且试验后的钝化状况也更好。而在没有 进行冷却的一次类似试验中，这种新 型ＯＮＹＸ切削齿比传统统优质齿多钻了 ８５％的岩石，钝化状况与传统齿相比不 相匕下。 前期在西非地区用ＰＤｃ钻头打 １２一ｌ／４英寸井段时效果十分不理想， 该井段含有既硬且又有研磨性的砂岩 ／页岩夹层地层，地层抗压强度大于 ２０，０００ ｐｓｉ。钻该井段时通常需要用 ４～８只钻头，ＰＤＣ钻头大多数情况下起 出时钝化状况都很差，既有缩径现象又 有齿的严重磨损现象。在该地区改进钻 井的初期目标是一次钻进打完该井段或 是尽可能多的减少起下钻次数。 为此，史密斯国际公司设计并制 造了装有加强齿且优化了刀翼和喷嘴形 状的８刀翼１２一ｌ／４英寸ＭＤＳｉＳＩ６ ＰＤＣ钻 头，该钻头在２号和５号井中被用于旋转 导向钻具组合上成功钻进了研磨性很大 的地层。 在２号井中，该钻头钻完了从钻井 斜到总深（ＴＤ）的整个井段，这在该 油田尚属首次，起下钻次数的减少为钻 井作业商节省了６天的时间，成本降低 了二百万美元。 在５号井中，进尺和机械钻速几乎 都翻了倍，并且还有助于ＬＷＤ（随钻 测井）的数据捕获，因而消除了钻井以 后再进行测井的需要。与３口邻井的平 进其ＰＤＣ钻头结构以便能够更好的在 Ｈａｙｎｅｓｖｉｌｌｅ页岩地层中钻进，这种地层 含有研磨性很大的过漉｝生岩层，这类岩 层会因造成过大的磨损而导致早期钻头 磨损。在这类地层中用过的大多数钻头 都存在着耐用性和机械钻速二者之间的 平衡问题。 该公司技术人员对该地区已用过 的钻头的钝化状况以及钻头使用记录 进行了分析，发现许多钻头都是由于 机械钻速太低而被从井眼中起出的， 在钻头切削结构的关键部位有严重磨 损现象，通过这一调查研究，使得现 场工程师和钻头设计师最终决定开发 出适合于硬地层钻井和研磨性地层钻 井的两种钻头结构。 对于硬地层钻井，该公司所开发 的Ｔｏｕｇｈ—Ｄｒｉｌｌ系列钻头经现场证实能够 减小冲击损坏、改善钻头清洗和切削结 构的冷却效率。通过采用专用软件对 钻头切削进行分析，该公司开发出最适 合硬地层钻进且又不会牺牲钻头机械钻 速（ＲＯＰ）的ＰｏｗｅｒＣｕｔｔｅｒ切削结构，这 种切削结构在关键的钻头台肩部位设计 有较大的露齿高度和布齿密度，所以能 够以最大的机械钻速在硬岩中钻进，而 且还能够继续钻进更硬的砂岩或石灰岩 地层而不会发生过度的磨损或损坏。 Ｔｏｕｇｈ—Ｄｒｉｌｌ钻头结构在设计过程中采用 动态流体动力学理论对其进行了分析， 这有助于消除钻井岩屑的重复研磨和重 复循环，这两种现象是在硬岩和研磨性 地层钻井时经常出现的两种不良现象。 瓦瑞尔公司的技术人员同时还对 抗研磨切削齿的质量进行了多次试验， 以便保证在用于研磨性地层钻井时能够 具有恰当的金刚石粒度和热稳定性。 在美国路易斯安那洲钻井的一个 作业商要求瓦瑞尔公司开发一种８刀 通过十分难 于钻进且极 具研磨性 的ＨＯ Ｓ ＳｔＯｎ 和Ｃ Ｏ ｔ ｔ Ｏ ｎ Ｖ ａ １ １ ｅ Ｙ岩 瓦瑞尔公司设计的具有 ＰｏｗｅｒＣｕｔｔｅｒ切削结构的６刀翼 层，在这类 Ｔｏｕｇｈ—Ｄｒｉｌ ｌＰＤＣ钻头以３７米 岩层中打井 ，，』、时的高机械钻速成功钻进了 Ｈｏｓｓｔｏｎ研磨性地层 时钻头通常 磨损很快。而该井段的最后６００英尺是 要通过Ｂｏｓｓｉｅｒ地层，这是一种较软的页 岩／石灰岩组合地层，要求最好要用没 有磨损的切削结构来进行钻进。 钻头没计的主要目标是要提高其 机械钻速，但同时又不牺牲现有钻头结 构的耐用性。另外，设计人员还研究了 在钻头钻入页岩，石灰岩地层时切削齿 的优越性。 这种新型钻头采用了部分 ＰｏｗｅｒＣｕｔｔｅｒ切削结构，在主刀翼上加 装了加强齿，在辅助刀翼上设汁了碳化 钨防振齿，这种结构为在研磨性和过渡 性地层中钻进提供了更好的稳定性以及 对主切削结构的保护。 对于更为锋利的钻头切削结构， 该公司在钻头上设汁安装了耐磨性能 更好的齿以便防止此类地层对钻头切削 结构带来的损坏，同时还可在钻井作业 的后期充分利用切削齿尺寸所带来的优 势。该公司的新型钻头实现进尺２，３３９ 英尺，钻到了１０，９４５英尺的总深，平均 机械钻速为每ｄ＇，１１￣２９．１英尺。在最近的 一口邻井中使用的一只其它钻头因机械 钻速太低而被起出，在Ｃｏｔｔｏｎ Ｖａｌｌｅｙ地 层中仅钻进了６００英尺。瓦瑞尔国际公 司的新型钻头使机械钻速提高近３０％， 节约每英尺钻井成本大约为３０％。 【完】（资料来源：美国《钻井承包 商》（Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｃｏｎｔｒａｃｔｏｒ）杂志２０］０年５／６ 月号）圃 ２０１１ｔｇ０２￣总第３６期（双月刊）８７
