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PDC钻头的发展及范围

发布时间:2019/5/24 15:40:22人气:

  PDC钻头是人造聚晶金刚石复合片钻头的简称,PDC钻头真正具有划时代的发展并投入使用是在80年代末,当Amoco Production 公司验证钻头回旋是阻碍PDC钻头有效应用的主要原因,这使PDC钻头技术有了一个革命性的突破。

  钻头回旋是指钻头偏移了钻头几何中心线进行旋转工作。在钻头发生回旋过程中,钻头的瞬时旋转中心总是变化,它不是和井眼中心保持在同一条中心线上。切削齿在径向移动,甚至相对于地层岩石面向后移动。钻头回旋产生的井底造形形状能够造成PDC 切削齿的金刚石层掉片或冲击破坏,加速钻头的磨损,降低钻头工作寿命。

  在计算机辅助设计和计算机辅助加工(CAD/CAM)和计算机辅助工程(CAE)进行有限元分析的推动下,开发了钻头抗回旋技术,井底动态流场模拟技术应用于水力设计,大大提高了钻头的工作寿命和机械钻速。

  PDC钻头获得高机械钻速的最大一项障碍是避免PDC切削齿过热。PDC金刚石层和碳化钨基体有着不同的热膨胀系数,在高温下会导致PDC切削齿出现热裂纹。为了减少在钻井过程中PDC切削齿出现的热裂纹影响,最近成功地开发出在PDC金刚石层和碳化钨基体之间具有各种几何形状交接面的PDC切削齿,这些高质量的PDC切削齿具有很高的抗研磨性,即使出现磨损,仍然会有许多金刚石保留在碳化钨基体上继续切削地层。这种非平面形状的几何结构,大大提高了PDC切削齿在井下的工作寿命。

  冶金技术、水力条件、PDC切削齿等技术的快速发展,虽然没有能够减低钻头的成本,但这些技术最终使PDC钻头钻的进尺更多,可以在多套不同地层下有效钻进。这些技术的发展带来的另外一项重大进步是PDC钻头可以钻硬夹层。

  PDC钻头机械钻速和寿命的提高,在以前认为仅能使用牙轮钻头的地层,目前也能够用PDC钻头钻穿。

  PDC钻头目前经常使用在井底需要钻头长时间工作的井段、油基泥浆、或在非缩径井段使用的水基泥浆。在高转速钻具上,PDC钻头也具有优越性,如涡轮钻具、螺杆钻具或造斜井段。

  PDC钻头经常使用在低抗压强度、胶结性差、低研磨性、或带有薄夹层的地层中,如盐岩、石膏岩、泥灰岩、灰岩等,中等抗压强度、具有一定研磨性和脆性的地层,如砂泥岩、硅质页岩、孔隙性碳酸岩和石膏岩。但PDC钻头在高抗压强度、致密胶结的研磨性砂岩、燧石和花岗岩、刚玉、黄铁矿、砾石中使用效果不好。一般PDC可钻地层的抗压强度低于18000PSI、岩石研磨性低于41°(岩石的内磨察角IAF值)。

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