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pdc钻头分析


PDC 钻头
英文:Polycrystalline Diamond Compact 聚晶金刚石复合片钻头的简称。是石油钻井行业常用的一种钻井工具。 PDC 产品性能不断改进。在过去的几年间,PDC 切削齿的质量和类型都发生了巨大的变 化。如果将20世纪80年代的齿与当今的齿进行比较的话,差异是相当大的。由于混合工艺 与制造工艺的变化,当今的切削齿的质量性能要好得多,使钻

头的抗冲蚀以及抗冲击能力都大 为提高。 工程师们还对碳化钨基片与人造金刚石之间的界面进行了优化, 以提高切削齿的韧性。 层状金刚石工艺方面的革新也被用于提高产品的抗磨蚀性和热稳定性。 除了材料和制造工艺方面的发展以外,PDC 产品在齿的设计技术和布齿方面也实现了 重大的突破。现在,PDC 产品已可被用于以前所不能应用的地区,如更硬、磨蚀性更强和多变 的地层。这种向新领域中的扩展,对金刚石(固定切削齿)钻头和牙轮钻头之间的平衡发生了 很大的影响。

8-1/2TD164A 4 刀翼 PDC 钻 头

2TD194B 4 刀翼 PDC 钻头

8-1/2TD165A 5 刀翼 PDC 钻头

8-1/2TD196A 6 刀翼 PDC 钻 头

9TD195A5 刀翼 PDC 钻头

9-1/2TD166A 6 刀翼 PDC 钻头

6TD136A

6 刀翼 PDC 钻头

12-1/4TD166A 钻头

6 刀翼 PDC

8-1/2TD13A

最初,PDC 钻头只能被用于软页岩地层中,原因是硬的夹层会损坏钻头。但由于新技术的 出现以及结构的变化,目前 PDC 钻头已能够用于钻硬夹层和长段的硬岩地层了。PDC 钻头正越 来越多地为人们所选用,特别是随着 PDC 齿质量的不断提高,这种情况越发凸显。 由于钻头设计和齿的改进,PDC 钻头的可定向性也随之提高,这进一步削弱了过去在马达 钻井中牙轮钻头的优势。目前,PDC 钻头每天都在许多地层的钻井应用中排挤掉牙轮钻头的市 场。 PDC 钻头厚层砾岩钻进技术探索与实践: 为了降低海上钻井作业成本、 提高作业效率,开发了 PDC 钻头厚层砾岩钻进技术.在保持普通 PDC 钻头 快速切削性能的基础上,通过优选新型高强度 PDC 切削 齿、改进钻头切削结构提高钻头的整体强度, 通过采用后倾角渐变、力平衡设计、加强切削齿保护等方法提高钻头的稳定性,并且在使用中通过优 化钻具组合、采用 合理的钻井参数和"中低排量-中低转速-中高钻压"的平稳钻进模式预防 PDC 钻头 在砾岩段的先期破坏,有效延长了钻头在砾岩钻进中的寿命.应用该技术实现 了用 PDC 钻头在辽东湾 一次性钻穿馆陶组和东营组上部疏松地层中垂厚近 80 m 的砾岩段,有的井钻穿砾岩段后又直接钻下部 中硬地层至完钻井深.采用 PDC 钻头厚层砾岩钻进技术,可以大量节省海上钻井作业时间,显著降低钻 井费用. PDC 钻头工程技术措施石油钻井装备: 1) 、首先做好 PDC 钻头的选型工作,钻头水眼、流道设计应利于排屑; 2) 下入 PDC 钻头之前, 、 应充分循环泥浆, 清洗井眼, 防止起钻后滞留在井眼内的钻屑继续水化分散; 3)、下钻时钻头不断刮削井壁,井壁上的泥饼或滞留于井内的钻屑会在钻头下堆积,到一定程度便会 压实在钻头上,那么下钻中途进行循环,将钻头 冲洗干净也是有其必要的; 4) 、下钻过程中还应适当控制速度,防止钻头突然冲入砂桥,钻进一堆烂泥中;另外如果速度恰当, PDC 钻头会顺着上一只钻头所钻的螺旋形井眼轨道行 进,而不是在井壁上划拉下大量泥饼。 5) 、每次下钻到底时必须先开泵,尽量提高排量充分冲洗井底和钻头,等排量满足要求后再轻压旋转 钻进 0.5-1m,这也是 PDC 钻头造型的要求。 6) 、下入 PDC 前先短起下钻,对井壁泥饼进行刮削、挤压,将厚泥饼拉薄、压实,尽量保证井眼畅通、 消除阻卡;在钻头泥包高发区,如果采用了所有方法 也无法避免 PDC 钻头泥包,那么先使用牙轮通 一趟井就成了必要手段 7) 、尽量采用大排量钻进,保证 PDC 钻头的充分清洗与冷却; 8) 、在软泥岩中钻进,应尽量采用低钻压、高转速、大排量,没有必要盲目使用高钻压去追求那仅高 一小点的钻速,那只是牙轮钻头的使用方式; 9) 、操作要精细,送钻加压一定要均匀,不能忽大忽小。 *牙轮钻头在使用中的结构特点 牙轮钻头在使用中具有良好的结构特点,下面简单的介绍一下牙轮钻头的结构特点: 牙轮钻头 1、牙轮钻头采用浮动轴承结构,浮动元件由高强度、高弹性、高耐温性、高耐磨性特点 的新材料制 成,表面经固体润滑剂处理。在降低轴承副相对线速度的同时,减少摩擦面温升,能有 效提高高钻压或高转速钻井工艺条件下的轴承寿命和轴承可靠性。 2、镶齿钻头采用高强度高韧性硬质合金齿,优化设计的齿排数、齿数、露齿高度和独特的 合金齿外形,充分发挥 了镶齿钻头高耐磨性和优异的切削能力。钢齿钻头齿面敷焊新型耐磨材料, 在保持钢齿钻头高机械钻速的同时,提高了钻头切削齿寿命。 3、牙轮钻头中的钢球锁紧牙轮,适应高转速,能够在使用中提高工作效率。 4、采用可限制压差并防止钻井液进入润滑系统的全橡胶储油囊,为轴承系统提供了良好的 润滑保证。 5、采用可耐 250°C 高温、抗磨损的新型润滑脂。

6、采用高精度的金属密封。金属密封由一副精心设计加工的金属密封环作为轴承轴向动密 封,两个高弹性的橡胶 供能圈分别位于牙掌和牙轮密封区域内作为静密封,优化的密封压缩量确保 了两个金属环密封表面始终保持良好接触。

钻头的选型及分类 一、 金刚石钻头 (一)金刚石材料钻头的特点( (与牙轮钻头相比) (1)金刚石材料钻头是一体性钻头,可以使用高的转速,适合于和高转速的井下动力钻具一起使 用,取得高的效益;在定向钻井过程中,它可以承受较大的侧向载荷而不发生井下事故,适合于定向 钻井; (2)金刚石材料耐磨且寿命长,适合于深井及研磨性地层使用; (3)在地温较高的情况下,牙轮钻头的轴承密封易失效,使用金刚石材料钻头则不会出现此问题; (4)在小于 165.1 mm(61/2in)的井眼钻井中,牙轮钻头的轴承由于空间尺寸的限制,强度受到影 响,性能不能保证,而金刚石材料钻头则不会出现问题,因而小井眼钻井宜使用金刚石材料钻头; (5)金刚石材料钻头的钻压低于牙轮钻头,因而在钻压受到限制(如防斜钻进)的情况下应使用金 刚石材料钻头; (6)金刚石材料钻头结构设计灵活,简单,能满足非标准的异形尺寸井眼的钻井需要; (7)金刚石材料钻头中的PDC钻头是一种切削型钻头,切削齿具有自锐优点,破碎岩石时无 牙轮钻头的压持作用,切削齿切削时的切削面积较大,是一种高效钻头; (8)金刚石材料钻头工作时必须保证充分的清洗与冷却; (9)金刚石材料钻头抗冲击性载荷性能较差; (10)金刚石材料钻头价格较高。 (二)金刚石材料钻头选型(适应的地层) TSP钻头适合于在具有研磨性的中等至硬地层钻井。 PDC钻头适用于软到中等硬度地层,但是PDC钻头钻进的地层必须是均质地层,以避免冲击 载荷,含砾石的地层不能使用PDC钻头。 二、牙轮钻头的选型及分类法 (一)牙轮钻头选型的原则及应考虑的问题 (1)地层的软硬程度和研磨性。 (2)钻进井段的深浅。 (3)易斜地层。 (4)软硬交错地层。 选用的钻头对所要钻的地层是否适合,要通过实践的检验才能下结论。 对于同一地层使用过的几种类型的钻头,在保证井身质量的前提下,一般以“每米成本”作为评 价钻头选型是否合理的标准。 (1)国产牙轮钻头型号表示方法如下

例:用于中硬地层、直径为 81/2in(215.9 mm)的镶齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为: 81/2×HP5 或 215.9×HP5。 (2)IADC 牙轮钻头分类方法及编号 IADC 规定,每一类钻头用四位字码进行分类及编号,各字码的意义如下: 第一位字码为系列代号,用数字 1~8 分别表示八个系列,表示钻头牙齿特 征及所适用的地层: 1 一铣齿,低抗压强度高可钻性的软地层; 2 一铣齿,高抗压强度的中到中硬地层; 3 一铣齿,中等研磨性或研磨性的硬地层;

4 一镶齿,低抗压强度高可钻性的软地层; 5 一镶齿,低抗压强度的软到中硬地层; 6 一镶齿,高抗压强度的中硬地层; 7 一镶齿,中等研磨性或研磨性的硬地层; 8 一镶齿,高研磨性的极硬地层。 第二位字码为岩性级别代号,用数字 1~4 分别表示在第一位数码表示的钻头所适用的地层中再 依次从软到硬分为四个等级。 第三位字码为钻头结构特征代号,用数字 1~9 计九个数字表示,其中 1~7 表示钻头轴承及保径 特征,8 与 9 留待未来的新结构特征钻头用。1~7 表示的意义如下: 1 一非密封滚动轴承; 2 一空气清洗、冷却,滚动轴承; 3—滚动轴承,保径; 4—滚动、密封轴承; 5 一滚动、密封轴承,保径; 6 一滑动、密封轴承; 7 一滑动、密封轴承,保径。 第四位字码为钻头附加结构特征代号, 用以表示前面三位数字无法表达的特征, 用英文字母表示。 目前,IADC 已定义了 11 个特征,用下列字母表示: A 一空气冷却; C 一中心喷嘴; D 一定向钻井; E 一加长喷嘴; G 一附加保径/钻头体保护; J 一喷嘴偏射; R 一加强焊缝(用于顿钻); S 一标准铣齿; X 一楔形镶齿; 。 R 一圆锥形镶齿; Z 一其他形状镶齿。 有些钻头,其结构可能兼有多种附加结构特征,则应选择一个主要的特征符号表示。 钻头的合理使用 一、金刚石钻头 操作规程 1. 下井前准备。 (1)井下情况正常,起下钻畅通无阻。 (2)井底干净,无金属落物。 (3)钻井液符合钻井设计要求,净化设备运转正常。 (4)用好钻杆滤清器,其最大孔径应小于钻头最小喷嘴的直径。 2.下钻。 (1)钻头螺纹要涂好标准的润滑脂,上卸钻头要用钻头装卸器。 (2)钻头人井要扶正、 慢放。 至防喷器时更要找中, 防止碰坏 PDC 切削齿。 通过阻流 环位置时, 尤其要减慢下放速度,注意防碰。 l (3)下钻遇阻划眼时, 划眼钻压应控制在 20 千牛以下 (钻头直径小于 215.5mm 时,要低于 10 千牛) , 转速低于 50 转/分。严禁大段划眼和不循环钻井液划眼。 (4)下钻接近井底时应提前开泵。钻头离井底 0.5m 以上,应缓慢上下活动和转动钻具,充分循环 钻井液。待井底清洁后,校正指重表。待泵压正常后方可井底造型。 3.井底造型。 确认钻头接触井底后, 采用 50 转/分左右的转速和 5~20 千牛的钻压参数磨合井底, 进尺 0. 5~ 1.0 米。

4.钻井 (1)钻速试验。井底造型后,可在推荐钻井参数范围内,选用不同的钻压转速进行钻速试验,直 到找到一个最优钻速为止。正常钻进时若遇地层变化,可再做钻速试验。 (2)钻速试验完毕,即可按最优参数正常钻进。钻进中要确保排量满足要求,送钻均匀。枉钻 遇泥岩井段时,钻速会明显下降,这时司钻要耐心,并可适当提高钻压,降低转速,但钻压也不宜过 大,一般提高 10~30 千牛为宜。若钻遇硬夹层发生轻微蹩钻现象时,可适当降低钻压,同时降低钻 速,等钻穿后再采用正常参数钻进。 (3)每钻进 300~400 米要进行一次短起下钻(双心 PDC 钻头除外),以防止起钻拔活塞。 (4)钻头使用到后期,PDC 切削齿的磨损平面加大,降低了 PDC 切削齿切入地层的深度,因此可 适当提高钻压以维持较高的机械钻速。5.起钻。 遇到下列情况之一者应考虑起钻: 1)地层岩性变化不大,而机械钻速和转盘扭矩却明显降低。 2)有连续蹩钻现象且没有进尺。 3)立管压力明显上升或降低。 注意事项: 1)钻头搬动时要小心轻放,防止 PDC 切削齿损伤。 2)钻头不允许采用堵喷嘴的办法钻进,以防止降低对 PDC 切削齿的冷却效果。 3)本钻头不适应于钻砾石层。 4)避免带钻压启动转盘。 5)正常钻进时,钻井液排量必须保持在推荐范围内,以确保岩屑能及时排出,以及 PDC 切削齿进 行充分冷却。 6)当钻遇大段疏松砂岩地层时,要适当降低机械钻速,以巩固裸眼井壁,防止下套管遇阻。 7)在定向井中,严禁使用本钻头在井口进行动力钻具试运转,以防止损坏 PDC 切削齿。 8)采用双心 PDC 钻头进行套管开窗侧钻时,要确保钻头下过窗口后,再启动转盘加压钻进,防止 套管碰伤 PDC 切削齿。 二、三牙轮钻头 操作要点: (1)钻头人井前要严格检查外观,测量钻头外径。连接螺纹应符合 API 标准,无损伤,牙齿和密 封件好,牙轮不互碰,焊缝无裂纹,气孔、喷嘴尺寸选择合适,安装正确。检查结果要做好记录,发 现有问题的钻头不能下井使用。 (2)安装喷嘴时应保证喷嘴和壳体清洁,严禁用锤子敲打,以免损坏喷嘴和密封圈。 (3)钻头上扣时要使用合适的装卸器,以免损坏喷嘴和钻头体。 (4)下钻前应校正指重表。下钻操作要平稳,特别在使用镶齿钻头时,应适当控制下钻速度。在 硬地层井段,井斜大和井径不规则井段要特别小心,以免钻头碰击井壁,引起镶齿折断和掌尖损坏, 导致密封早期失效。 (5)钻头下钻接近井底,或接单根后下放钻具时,速度不应过快,更不允许突然刹车,以免井下 钻具由于惯性作用冲击井底,损坏合金齿或牙轮。 (6)新钻头下到距井底 3 米处(可视井底沉砂多少而定),要充分循环钻井液,距井底 1 米左右时 旋转下放到井底。钻头刚接触井底时要轻压慢转一段时间。因为旧钻头形成的井底与新钻头底面形状 往往不相符合,新钻头的少数牙齿首先接触井底,形成应力集中,很大的冲击载荷使牙齿折断,折断 的牙齿在井下又会损坏其它牙齿,导致钻头早期损坏。钻头在修整井底的同时,轴承也进行了跑合, 使密封良好。轻压慢转跑合时间主要由该井使用的上一只钻头磨损情况决定,一般不应少于 30 分钟。 ATM 系列钻头(老系列可对照新旧对照表)在井底工作的第一个小时,应将钻压减低到最小程度以 避免钻头温度剧烈上升,12%”ATM 钻头的 WN 值应低于 9800 千牛·(转/分)。正常钻进时 WN 值也 不应超过 22540 千牛·(转/分)。 (7)任何情况下都不允许加压启动转盘。 (8)钻头转数应控制在推荐范围内,以免因相对线速度过大,摩擦副出现高温咬合或“0”形橡胶 密封圈先期损坏。 (9)钻进中,加钻压必须均匀,不允许间断加压,更要严防溜钻

(10)加压钻进中,钻具需要停止转动时,应待指重表恢复原悬重后,才能摘去转盘离合器,以防 止钻具扭转数圈后突然停转而恢复原长度,形成相当大的附加钻压而损伤钻头。 (11)为避免在硬地层钻进时产生过大的冲击和震动,导致钻头镶齿碎裂,应安装减震器。同时, 为避免钻进时因钻柱摆动,而使钻压加在一个或两个牙轮上,牙轮齿受力过大而折断,应在钻柱上使 用稳定器。 2.使用注意事项。 (1)镶齿钻头必须在井底干净、井下无落物时方能下井使用。井内如有落物必须打捞干净。在钻 进中用钻头将小碎铁块挤入井壁的做法是不可取的。井下有硬物撞碰,合金齿很易折断,而断掉的合 金齿又会损坏其它齿和牙轮基体,使钻头早期损坏。 (2)井眼缩小或井下复杂,需要长井段划眼时,不能使用镶齿钻头。因为扩眼使牙轮的外排齿受 到井壁的较大反力,造成牙轮背锥及牙掌尖磨损,使钻头缩径,密封圈早期失效,轴承提前损坏甚至 发生牙轮破裂落井事故。 (3)当地面设备有损坏、功率不足、管线刺漏、指重表不灵以及钻井液性能不符合要求或净化装 置达不到预期效果时,都不应下人镶齿钻头,以免发生井下事故造成经济损失。 (4)禁止在钻头上加热(如焊接、煮沸、火烤等)以免因高温损坏密封圈,导致密封早期失效或喷 嘴落井。 (5)钻井液性能必须满足高压喷射钻井的要求。尤其要严格控制钻井液含砂量,以免通过喷嘴的 高速钻井液中的硬颗粒刺坏钻头体。 (6)新钻头不能用油浸泡和强行活动牙轮。

PDC 钻头使用指南 钻头使用前的准备工作: 首先应仔细检查前一只钻头的使用情况,了解钻头规径的磨损状态,检查钻头体上是否有缺落性 的损坏(缺落部分如掉齿等会对即将入井的钻头造成伤害)。 钻头的工作稳定性对于防止井斜并最大程度地发挥钻头的性能具有重要作用,因此,使用 PDC 钻头时都推荐钻头在稳定的工作状态下钻进。然而,由于具体的钻井过程以及井眼条件的特殊性,有 钻头 时并不需要刻意追求这种稳定性。 所有的稳定器和扩眼器都应该检测其外径, 以确保外径尺寸不过大。 操作指南 新钻头首次钻进: 1.在钻头接近井底时将泵的排量开到最大,而后启动转盘,将转速控制在 30~60rpm。缓慢下 钻直至钻头接触井底。 2.为了形成新的井底,在钻进最初的 1m 左右深度井眼的过程中,应该按照推荐的起始钻压值施 加钻压。表中提供了不同尺寸的各种型号钻头的起始钻压值。钻头的起始工作参数(钻压和转速)至 少应维持钻完一只钻头的长度。 3.新的井底形成后,就可以平缓、均匀地增加钻压直至达到正常钻进时的钻压水平。对于极软 地层,该钻压与起始钻压非常接近。对于较硬的地层,钻头磨合形成新井底将花费较长的时间,最终 的正常工作钻压也较高。最佳的钻压值应该是:当钻压达到此值后,钻头的机械钻速 ROP 不再随着钻 压新的增加而增加,或钻头扭矩已达到极限扭矩值。 4.增加钻头转速直至达到预期水平。钻头的最佳转速应该是:当转速达到此值后,钻头的机械 钻速 ROP 不再随着转速新的增加而增加,或钻头扭矩已达到极限扭矩值。通常情况下,钻头在较软的 岩石中钻进时的机械钻速 ROP 对转速的变化更加敏感。对于较硬、研磨性较强的地层,高的钻头转速 易导致切削齿提前磨损失效。因此,及时监测钻头钻速 ROP 随转速 RPM 的变化情况是很重要的,这样 我们可以在最低的转速下达到预期的机械钻速,一般而言,推荐的钻头转速范围为 60~240rpm。 5.当钻遇岩性变化的地层时,应连续监测和调整钻压和转速,以达到最优的钻头寿命和钻进速 度。 接单根: 除了没有磨合形成新井底的过程外,接单根时遵循与新钻头首次钻进相似的规程。 1.当钻达方钻杆尾端时,降低转速至 30~60rpm。 2.制动刹车,不再送钻,使钻头上的部分钻压在数分钟内逐渐得以释放。 3.将钻头提离井底,停止钻头转动。 4.接单根完毕后,钻头重新入井。在钻头接近井底时开足钻井泵排量,使井底泥浆充分循环。 开动转盘(或顶驱),转速 30~60rpm。 5.钻头到达井底后,首先增加钻压,然后增加转速,如前所述。 PDC 钻头使用、维修概述 钻头的制造设计要求,制做模具、配料、烧结、焊接、清理、检验出厂。 PDC 钻头 常见 PDC 钻头的损坏原因 1、地层中存在砾石 2、地层硬夹层较多 PDC 钻头在钻进过程中,从软地层钻至硬夹层,钻头冠部轮廊结构形状造成钻头相同部位的切削 齿接触,地层的硬度不一样,使得钻头不同部位的切削割齿切削地层时受力不均,造成蹩钻、跳钻。 作用在钻头上的载荷大部分集中在切削硬夹层的切削齿上,而蹩钻、跳钻产生的瞬时截荷导致这部分 切削齿因受力较大而碎裂,特别在切削硬地层中的硬质点时,瞬时载荷足以造成切削齿的碎裂。 PDC 钻头水力参数不适合 使用 PDC 钻头时,若比水功率选择过大,钻头体就受到严重冲蚀,若喷嘴布置位置不合适,喷射 的流体冲击井底后会反射直接冲蚀切削齿。若比水功率选择过小,对复合片清洗冷却都不利,特别是

在软地层中易造成钻头泥包。在硬地层中易造成复合片的热加速磨损。 PDC 钻头的选型 金刚石材料钻头对地层的适应性较差,但地层及其他条件适合于金刚石材料钻头时,可以取得高 的使用效益;反之,则不行。因此金刚石材料钻头的选型特别重要。与牙轮钻头相比,金刚石材料钻 头具有以下特点: 1、金刚石材料钻头是一体性钻头,它没有牙轮钻头那样的活动部件,也无结构薄弱环节,因而 它可以使用高的转速,适合于和高转速的井下动力钻具一起使用,取得了高的效益;在定向钻井过程 中,它可以承受较大的侧向载荷而不发生井下事故,适合于定向钻井; 2、金刚石材料钻头使用正确时,耐磨且寿命长,适合于深井及研磨性地层使用; 3、在地温较高的情况下,牙轮钻头的轴承密封易失效,使用金刚石材料钻头则不会出现此问题; 4、在小于 165.1mm(61/2in)的井眼钻井中,牙轮钻头的轴承由于空间尺寸的限制,强度受到 影响,性能不能保证,而金刚石材料钻头则不会出现问题,因而小井眼钻井宜使用金刚石材料钻头; 5、金刚石材料钻头的钻压低于牙轮钻头,因而在钻压受到限制(如防斜钻进)的情况下应使用 金刚石材料钻头; 6、金刚石材料钻头结构设计、制造比较灵活,生产设备简单,因而能满足非标准的异形尺寸井 眼的钻井需要; 7、金刚石材料钻头中的 PDC 钻头是一种切削型钻头,切削齿具有自锐优点,破碎岩石时无牙轮 钻头的压持作用,切削齿切削时切削面积较大,是一种高效钻头。实践表明,这种钻头适应地层时可 以取得很高的效益; 8、金刚石材料钻头由于热稳定性的限制,工作时必须保证充分的清洗与冷却; 9、金刚石材料钻头抗冲击性载荷性能较差,使用时必须保证遵照严格的规程; 金刚石材料钻头适应的地层 PDC 钻头使用于软到中等硬度地层, 但是 PDC 钻头钻进的地层必须是均质地层, 以避免冲击载荷, 含砾石的地层不能使用 PDC 钻头。 PDC 钻头的维修 PDC 钻头的结构特性决定了它的可修复性,在其它条件相同的情况下,复合片切削齿(金刚石复 合片)的好坏决定了 PDC 钻头的使用效果,当复合片严重磨损时,钻头就无法切削地层,机械钻速降 低,甚至没有进尺。因此,将已损坏的复合片更换(对于金刚石取心钻头同样适用),可以达到新钻头 性能的 80~90%,成本则只有新钻头的 30%左右,符合挖潜增效,节约成本的节能性社会的要求。 1、钻头磨损情况分类 根据我们长期修复钻头的经验,我们将钻头磨损大体分为四类:第一类,轻微磨损,钻头体无磨 损,胎体及接头无裂纹,复合片有磨损。此类钻头易维修,维修后质量好,成本低。 第二类磨损,钻头体轻微磨损,胎体及接头无裂纹,复合片有磨损。此类钻头需对磨损的胎体进 行修补,维修后的钻头质量较好,成本较低。 第三类严重磨损,钻头体上齿窝磨损少于原齿窝直径的 1/3,胎体及接头无裂纹、复合片磨损严 重此类钻头需对磨损的胎体进行修补、造型、清理,维修后的钻头质量一般,成本较高。 第四类,报废钻头,钻头体严重磨损,齿窝磨损量大于 1/3,外径严重磨损或胎体及接头有裂纹 不能修复。 根据以上分类,建议使用修复后的钻头或新钻头完成一口井后及时送修,使钻头处于在一、二类 磨损以下,便于修复,使下井使用的钻头始终处于完好状态,以提高机械钻速,延缓钻头报废时间, 增加钻头维修次数。 2、修复工艺过程: ①、入厂初检,确认能否维修,填写《金刚石钻头维修卡片》,送修人员签字认可; ②、清理,修补胎体、造型、配齿、焊接。 ③、保温后期整理配置水眼(井队可提供所需水眼当量直径,我们可以据此配置好水眼)、出厂 检测 矿用 PDC 钻头的工作原理

A、矿用 PDC 钻头冠部(工作面)的几何形状。矿用 PDC 钻头冠部的几何形状影响钻头的稳定性、 井底清洗、钻头各部位载荷分布。钻头工作面形状一般包括内锥、顶部、侧面、肩部及保径五个基本 要素。 矿用 PDC 钻头在生产和加工中要注重良好的几何形状, 按照一定的工艺方式和方法使用和制作, 保证能够在开采矿业中发挥重要的作用和价值。 B、钻头种类:胎体钻头、钢体钻头。胎体钻头的钻头体用铸造碳化钨粉烧结而成,烧结时在钻头工作 面上留下窝槽,再将复合片直接焊接在窝槽上。钢体钻头的钻头体用整块合金钢通过机械加工而成, 这种钻头将复合片焊接在碳化钨材料齿柱上制成切削齿,再将切削齿镶嵌在钻头体上,保径部位也是 将金刚石块或其他耐磨材料镶嵌在钻头体上,为防止冲蚀,可在钻头工作面上喷涂一层耐磨材料。 矿用 PDC 钻头的工作原理: 矿用 PDC 钻头工作原理和刮刀钻头基本相同。 (1)在坚硬岩石(如燧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等)中,由于金刚石本身强度的限制,较大粒 度金刚石上的钻压不足以使岩石内部产生塑性变形。 所以一般均采用细颗粒的金刚石制成孕镶式金刚 石钻头来钻进,其特点是要靠金刚石的棱角实现微切削、刻划等方式来破碎岩石。这时分离出来的岩 屑基本上是粒度很细的粉末,钻头的工作效率和寿命均很低。 (2)在塑性地层(或岩石在应力作用下呈塑性的地层),金刚石吃入地层并在矿用 PDC 钻头扭矩的 作用下使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动,脱离岩石基体,形成岩屑,这一切削过程相当于“犁 地”过程,称作犁削。岩屑的体积大体等于金刚石吃入岩石的位移体积。 (3)在脆性较大的岩石中,在钻压和扭矩作用下所产生的应力使岩石表现为脆性破碎,即属于以剪 力和张力破坏岩石。在这种情况下,金刚石钻头的破岩速度较高,岩石破碎的体积大于金刚石吃入后 位移的体积。 常规 PDC 钻头的损坏原因 从使用过的 PDC 钻头来看,绝大部分 PDC 钻头损坏的主要特征为齿柱折断、复合片碎裂、掉片、 冲蚀、钻头基体冲蚀等现象。从 PDC 钻头的损坏特征来看,PDC 钻头在井下工作时,除了正常切削地 层而受到的反作用力和地层岩石磨损坏,还受到了额外作用力和影响,这个额外作用力是造成 PDC 钻头非正常损坏的主要原因。在统计和分析 PDC 钻头的使用情况后,结合 PDC 钻头使用的地区和地层 层段,认为 PDC 钻头的损坏有以下原因:)g2K$U t5z4U6K3@ 1、地层中存在砾石 \地层的下部含有不等厚度的砾石层,PDC 钻头钻进该井段,PDC 齿切削砾石时,常常产生崩片、碎 裂等现象,是造成 PDC 钻头切削齿在上部地层先期损坏的主要原因。3E&L5v-w'A8P/E/| 2、地层硬夹层较多 地层中硬夹层较多是 PDC 钻头复合片碎裂、掉片或齿柱式切削断裂的主要原因,因为 PDC 钻头在钻进 过程中,从软地层钻至硬夹层时,由于 PDC 钻头冠部轮廓开关使得钻头表面的切削齿接触地层的硬度 不一样,造成切削齿削地层时受力不均,使钻头出现蹩钻跳钻现象,作用在钻头上的载荷大部分集中 在切削硬夹层的几个切削齿上, 蹩钻跳钻产生的瞬时载荷尔导致这几个切削齿因受力较大而碎裂或折 断(特别是在切削硬地层中某些硬质点时,瞬时产生的载荷足以造成了切削齿的碎裂或切削齿折断) 。 如 PDC 复合片和钻头基体焊接的不牢固, 当受很大的瞬时载荷尔蒙作用时, 就造成了复合片掉片现象。 如果地层存在倾角并且倾角较大,钻头钻遇硬夹层时蹩钻跳钻现象更加严重,对切削齿造成更严重的 损坏。 钻头钻进硬地层所受的反作用力集中在复合片边缘, 钻进软地层的反作用力全布在切削齿面上, 因此,即使同样的钻井参数,钻进硬地层比钻进软地层容易损坏切削齿。 3、PDC 钻头水力参数不适合 在使用 PDC 钻头时,如果比水功率选择过大,就会造成钻头基体严重冰上蚀,致使切削齿柱或喷嘴脱 落。如果喷嘴布置位置不合适,喷射的流体冲击井底后会反射直接冲蚀切削齿。如果比水功率选择过 小,对复合片清洗冷却不利,特别是在软地层中易造成钻头泥包,在硬地层中易造成复合片的热加速 磨损。 PDC 钻头 PDC 钻头具有耐磨性强、寿命长、钻效高、成本低、工人劳动强度轻和应用范围广等优点。 焊接强度的高低会直接影响 PDC 钻头的使用性能,尤其是使用寿命,而焊接工艺又是影响焊接强 度的一个重要因素。本论文通过科学的试验方案设计,对影响 PDC 钻头钎焊工艺的主要因素进行

了一系列系统的室内剪切试验、对比试验和磨耗比试验研究。试验结果表明,焊后炉中冷却始温对 焊缝焊接强度影响最大,冷却时间次之,焊前脱水方式对焊接强度影响最小。钎焊温度和时间对磨 耗比有一定的影响。通过试验我们得知,试验条件下焊前焊后最佳钎焊工艺参数组合为:冷却初温 600℃,保温 5 小时,散装丙酮脱水。焊前 PDC 片焊接面不锉比锉效果好;钢体焊接面喷砂比不喷 砂效果好;喷砂表面无锈比有锈效果好;焊接面无氧化层比有氧化层效果好;焊后炉中冷却效果显 著高于自然冷却;BAg612 焊料焊接强度显著高于 L312 焊料。 PDC 钻头泥包原因分析及对策 1、地质因素:所钻地层为上部不成岩的软泥,极易粘帖于钻头表层,压实后造成钻头泥包; 地层中的泥页岩虽成岩,但易于水化分散,使井眼内泥质或固相含量大增,吸附于钻头表面造成 钻头泥包;或者地层中含有分散状石膏,造成泥浆污染后,泥浆中的有害固相难于清除,使钻头 被泥包的机率大增;地层渗透率高,在压差作用下,吸附井筒内有害固相及未及时携带出的岩屑, 形成厚泥饼,起下钻时在 PDC 钻头下方堆积造成钻头泥包。 2、泥浆性能因素:泥浆抑制性差,无法控制泥页岩的水化分散;固相含量和粘切过高,钻出的岩 屑难于清除,易吸附在钻头表面,如果使用的是无固相钻井液,钻头是绝对不会发生泥包的;泥 浆比重偏高,失水大,易形成过厚的粗糙泥饼;润滑性能差、钻头表面无法形成有效的保护膜, 钻井液中的劣质固相易吸附在钻头上。 3、工程技术因素:钻进中排量小,不能有效清洗井底及钻头,同时上返速度不足,岩屑在井内滞 留时间长,粘附于井壁形成厚泥饼,尤其是中上部钻速高时更为严重;在软泥岩地层,钻压过大, 地层或钻屑与钻头表面形成直接接触,造成钻头泥包;长裸眼下钻未进行中途循环,从井壁上刮 下的泥饼或钻屑则会泥包钻头。中国石油钻井行业第一门户-r,m ~+H8|8H9{ 4、钻头选型因素:水眼设计无法满足排屑要求;流道排屑角阻碍了钻屑顺利脱离井底。-石油钻 井人技术交流+^)h5V*g'\ 5、操作水平因素:下钻速度过快,钻头不是在顺着螺旋型轨道向下滑行,而是在井壁上不断刮削 泥饼或钻屑,极易造成钻头泥包;下钻时遇阻不是接方钻杆循环划眼冲洗钻头,而是下压或下冲, 从井壁上刮下的泥饼或钻屑则会泥包钻头;下钻到底时操作方法有误,如果先启动转盘,后启动 泵,同样也会造成钻头泥包;在软地层中钻进时,送钻不均匀。石油钻井装备,钻井机械,钻井设 备,钻井机,海洋钻井,钻井液 三、PDC 钻头泥包的预防 1、泥浆性能的调整中国钻井网-论坛 1) 、混油或增加润滑剂投入量,使钻屑不易粘附到钻头上; 2) 、加大钻井液中聚合物含量,控制失水,提高泥饼质量;中国石油钻井行业第一门户 $x,q-[7L1L1v/` 3) 、提高钻井液抑制性,减少泥页岩的水化分散;china-drilling.net6P8E8_2I&W-w5m8]5~$].i 4) 、降低钻井液粘度、切力,及时清除劣质固相;-石油钻井人技术交流!S2Y%O!J!\"k 5) 、对高渗砂层,可使用屏蔽暂堵技术,减少渗透性漏失; 6) 、对含膏岩层,应提前加碱,防止其污染泥浆。 7) 、维护处理好泥浆性能,在 PDC 钻头入井前后对预防钻头泥包都是有效的;PDC 入井后,开泵 前,配置一定量的清洁剂(表面活性剂)对钻头加以清洗也有一定效果。 2、工程技术措施 1)首先做好 PDC 钻头的选型工作,钻头水眼、流道设计应利于排屑; 2) 、下入 PDC 钻头之前,应充分循环泥浆,清洗井眼,防止起钻后滞留在井眼内的钻屑继续水化 分散; 3) 、下入 PDC 前先短起下钻,对井壁泥饼进行刮削、挤压,将厚泥饼拉薄、压实,尽量保证井眼 畅通、消除阻卡;在钻头泥包高发区,如果采用了所有方法也无法避免 PDC 钻头泥包,那么先使 用牙轮通一趟井就成了必要手段;中国石油钻井行业第一门户 4) 、下钻时在钻头流道表面涂满黄油,形成一层保护膜,减少钻头与泥浆中的劣质固相直接接触 的时间,或者把钻头包起来,这样做既便在深井中也是有一定作用的; 5)、下钻时钻头不断刮削井壁,井壁上的泥饼或滞留于井内的钻屑会在钻头下堆积,到一定程度 便会压实在钻头上,那么下钻中途进行循环,将钻头冲洗干净也是有其必要的;

6) 、下钻过程中还应适当控制速度,防止钻头突然冲入砂桥,钻进一堆烂泥中;另外如果速度恰 当,PDC 钻头会顺着上一只钻头所钻的螺旋形井眼轨道行进,而不是在井壁上划拉下大量泥饼。 石油钻井装备,钻井机械,钻井设备,钻井机,海洋钻井,钻井液,` 6) 、每次下钻到底时必须先开泵,尽量提高排量充分冲洗井底和钻头,等排量满足要求后再轻压 旋转钻进 0.5-1m,这也是 PDC 钻头造型的要求。中国石油钻井行业第一门户 7) 、尽量采用大排量钻进,保证 PDC 钻头的充分清洗与冷却;中国钻井网-论坛,v4V(M7m/p;U0E3w 8) 、在软泥岩中钻进,应尽量采用低钻压、高转速、大排量,没有必要盲目使用高钻压去追求那 仅高一小点的钻速,那只是牙轮钻头的使用方式; 9)操作要精细,送钻加压一定要均匀,不能忽大忽小。 四、PDC 钻头泥包的处理 1、处理钻头泥包的第一条原则就是:不要急于打钻,因为越打包的越厉害; 2、无论预防或处理钻头泥包,调整泥浆性能都是必然的,发现钻头有泥包迹象,应立即停钻并配 置清洁剂在第一时间打入井内对钻头进行清洗; 3、停止钻进,提高排量加强水力冲洗效果,上提钻头脱离井底,提高转速增大离心力使泥块易于 甩出,并上下大幅度活动几次,然后下压至井底不开转盘循环 5-10 分钟,将上述过程反复操作; 如果在 2 个循环周内无效,就应当考虑起钻了


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