PDC鉆頭設(shè)計與優(yōu)選技術(shù)課件

PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計與選型技術(shù)二00四年三月九日PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計與選型技術(shù)二00五年三月九日1PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計與選型技術(shù)二00四年三月九日PDC鉆頭優(yōu)化一、PDC鉆頭使用現(xiàn)狀二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計三、綜合選型技術(shù)四、各區(qū)塊鉆頭設(shè)計與選型五、應(yīng)用效果PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計與選型技術(shù)2一、PDC鉆頭使用現(xiàn)狀PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計與選型技術(shù)2塔里木油田油藏埋普遍埋藏較深，深度4000—6000米不等，地質(zhì)情況復雜，地層可鉆性差，鉆井周期長、成本高。經(jīng)與各鉆頭廠家10余年的聯(lián)合攻關(guān)，形成了以FM、FS、M、MS、G、STR、BD、DS、DSX等為代表的一系列新型PDC鉆頭，先后完成了柯克亞、克拉蘇、大北、卻勒、迪那、塔東等地區(qū)一批典型高效井。鉆頭技術(shù)基本滿足了探區(qū)復雜井的需要，鉆井成本得到了有效控制：探井、評價井平均機速由1999年的2.21米/小時提高到2003年的3.89米/小時，四年提高了76%，平均每年提高15%以上。

一、PDC鉆頭使用現(xiàn)狀3塔里木油田油藏埋普遍埋藏較深，深度4000—6000一）PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)切削結(jié)構(gòu)水力結(jié)構(gòu)二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計4一）PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)切削結(jié)構(gòu)水力551、切削結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)切削結(jié)構(gòu)冠部形狀刀翼的數(shù)量及結(jié)構(gòu)切削齒的分布切削齒的空間結(jié)構(gòu)保徑結(jié)構(gòu)61、切削結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)切削結(jié)構(gòu)冠部形狀刀翼的數(shù)量及結(jié)構(gòu)切水力結(jié)構(gòu)流道的結(jié)構(gòu)噴嘴的分布及空間結(jié)構(gòu)2、水力結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)7水力結(jié)構(gòu)流道的結(jié)構(gòu)噴嘴的分布及空間結(jié)構(gòu)2、水力結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本二)鉆頭設(shè)計理論的研究1、傳統(tǒng)的PDC鉆頭設(shè)計理論等切削體積原則；等功率原則；等磨損原則。8二)鉆頭設(shè)計理論的研究1、傳統(tǒng)的PDC鉆頭設(shè)計理論8等切削體積原則：

即以每個切削齒的切削體積相等為原則。sj——第j顆切削齒的破巖面積；Rj——第j顆切削齒距旋轉(zhuǎn)中心的距離。9等切削體積原則：sj——第j顆切削齒的破巖面積；Rj——第等功率原則：每個切削齒的切削功率相等。Sj——第j顆切削齒的破巖面積；Rj——第j顆切削齒距旋轉(zhuǎn)中心的距離。Aj——巖石的單位體積破碎功。10等功率原則：Sj——第j顆切削齒的破巖面積；Rj——第j顆切等磨損原則:等磨損原則的目標函數(shù)為使鉆頭每個切削齒的磨損速度一致。由于影響磨損速度的因素眾多，目前還沒有合理的函數(shù)表達式。11等磨損原則:11傳統(tǒng)PDC鉆頭設(shè)計理論的局限性

傳統(tǒng)PDC鉆頭設(shè)計理論與方法，對于PDC鉆頭的設(shè)計有一定的指導意義，但在實際應(yīng)用過程中還存在許多問題，特別對于刮刀式PDC鉆頭的設(shè)計，理論與實際差距更大。原因在以下幾個方面：12傳統(tǒng)PDC鉆頭設(shè)計理論的局限性傳統(tǒng)PDC鉆頭設(shè)①等切削體積布齒原則可以用于PDC鉆頭的實際設(shè)計。但是實際應(yīng)用表明，按等切削原則設(shè)計時，靠近鉆頭規(guī)徑部位布齒密度不夠，外緣部分切削齒的磨損比中心區(qū)域切削齒大三倍左右。同時等切削體積布齒原則沒有考慮齒與地層的相互作用，不能準確反映切削齒受力以及磨損的規(guī)律。②對于等功率、等磨損原則，由于對鉆頭齒與地層相互作用的規(guī)律的研究不夠系統(tǒng)完善，還不能用于實際鉆頭設(shè)計。③傳統(tǒng)的PDC鉆頭設(shè)計理論用于“滿天星”式PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計精度較高，但刮刀式PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)與“滿天星”式PDC鉆頭結(jié)構(gòu)形式差別巨大，其設(shè)計理論在傳統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展完善。1313

圖1PDC鉆頭的不平衡力二）PDC鉆頭設(shè)計理論的最新研究成果1）平衡力設(shè)計14圖1PDC鉆頭的不平衡力二）PDC鉆頭設(shè)計理論的最新研究成由于鉆頭齒的受力的合力不平衡（如圖1），在旋轉(zhuǎn)過程中使鉆頭的旋轉(zhuǎn)中心偏離井眼中心，造成鉆頭在公轉(zhuǎn)的同時伴有間斷性自轉(zhuǎn)，從而形成渦動。

15由于鉆頭齒的受力的合力不平衡（如圖1），在平衡力設(shè)計的方法①改變切削齒的空間角度消除不平衡力；②采用不對稱刀翼設(shè)計消除不平衡力；③采用低摩擦保徑設(shè)計抵消不平衡力。④采用軌道式布齒形成的溝槽限制鉆頭的渦動。16平衡力設(shè)計的方法①改變切削齒的空間角度消除不平衡力；16圖2鉆頭切削的井底A—常規(guī)B—渦動17圖2鉆頭切削的井底17圖3平衡力設(shè)計示意改變切削齒的角度及位置不對稱刀翼設(shè)計18圖3平衡力設(shè)計示意改變切削齒的角度及位置不對稱刀翼設(shè)計1圖4軌道布齒示意圖19圖4軌道布齒示意圖19同軌道部齒圖5軌道布齒切削的井底20同軌道部齒圖5軌道布齒切削的井底20圖5低摩擦保徑

21圖5低摩擦保徑212）減振齒設(shè)計鉆頭受鉆柱運動的影響以及與地層的相互作用，縱向振動不可避免。鉆頭的縱向振動使的切削齒受到不規(guī)則的沖擊作用，造成切削齒的破壞。為減小切削齒的沖擊破壞，提出了減振設(shè)計的方法。該方法主要有兩種形式：222）減振齒設(shè)計鉆頭受鉆柱運動的影響以及與地層的圖6沖擊抑制器示意圖23圖6沖擊抑制器示意圖23圖8減振齒設(shè)計24圖8減振齒設(shè)計243)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)計理論

根據(jù)刮刀PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)特點，以鉆頭實際應(yīng)用的磨損情況為依據(jù)，結(jié)合PDC鉆頭設(shè)計的基本理論，提出了刮刀PDC鉆頭設(shè)計的新理論：局部強化設(shè)計理論。

253)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)計理論根據(jù)2626問題的提出

現(xiàn)有的PDC鉆頭，雖然在傳統(tǒng)設(shè)計理論為基礎(chǔ)設(shè)計引入新的設(shè)計理論，但是在實際應(yīng)用過程中，在正常磨損的情況下遠沒有達到等磨損的程度，在鼻部至側(cè)部存在明顯的偏磨現(xiàn)象，如圖所式：

27問題的提出現(xiàn)有的PDC鉆頭，雖然在傳統(tǒng)設(shè)計理論圖7鉆頭容易破壞的部位28圖7鉆頭容易破壞的部位28圖8鉆頭嚴重磨損部位嚴重磨損部位29圖8鉆頭嚴重磨損部位嚴重磨損部位29根據(jù)鉆頭受力差異在不同部位使用不同性能的齒鉆頭齒受力的有限元分析30根據(jù)鉆頭受力差異在不同部位使用不同性能的齒鉆頭齒受力的有原因分析

①由于對于切削齒與地層相互作用的規(guī)律認識不夠，等功率與等磨損原則沒有真正的由于實際鉆頭設(shè)計，而依據(jù)傳統(tǒng)的等切削體積準則進行的設(shè)計存在明顯的誤差。②鉆頭的冠部形狀對鉆頭不同部位切削齒受力與磨損的影響巨大，而至今對于其影響規(guī)律沒有明確的結(jié)論。③刮刀式PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)形式使鉆頭的流道暢通無阻，極大的改善了水力攜巖的條件，但其結(jié)構(gòu)形狀也使布齒的空間受到了限制，難以實現(xiàn)等磨損布齒。31原因分析①由于對于切削齒與地層相互作用的規(guī)律

由于切削齒與地層相互作用的規(guī)律不可能在短時間內(nèi)認識清楚，上述問題從根本上解決條件還不成熟。對于刮刀式鉆頭結(jié)構(gòu)，實際應(yīng)用結(jié)果表明刮刀式PDC鉆頭的宏觀結(jié)構(gòu)是理想的PDC鉆頭結(jié)構(gòu)形式，鉆頭的設(shè)計應(yīng)當以這種結(jié)構(gòu)形式為基礎(chǔ)。那么，如何解決現(xiàn)有鉆頭切削齒偏磨的問題，進一步提高鉆頭的質(zhì)量呢？32由于切削齒與地層相互作用的規(guī)律不可能在短時間內(nèi)局部強化設(shè)計理論的構(gòu)思對于刮刀式PDC鉆頭，冠部形狀、刮刀數(shù)確定，鉆頭局部布齒的有效長度確定，局部布齒的數(shù)量也即確定。33局部強化設(shè)計理論的構(gòu)思對于刮刀式PDC鉆圖11刮刀PDC鉆頭布齒特點34圖11刮刀PDC鉆頭布齒特點34

在此條件下，要解決鉆頭局部磨損嚴重的問題只有以下幾種途徑：①磨損嚴重的部位采用最大密度布齒，以最大限度的增加局部切削齒的當量密度，其它部位采用等切削體積布齒；35在此條件下，要解決鉆頭局部磨損嚴重的問題只有以極限密度布齒部位強化部位等切削部位圖12鉆頭布齒密度的基本思路36極限密度布齒部位強化部位等切削部位圖12鉆頭布齒密度的基本思局部最大密度布齒圖11鉆頭布齒密度的三維展示37局部最大密度布齒圖11鉆頭布齒密度的三維展示37②磨損嚴重的部位采用高質(zhì)量的切削齒，增加局部耐磨性。其它部位采用次品級的切削齒，使磨損速度達到一致；38②磨損嚴重的部位采用高質(zhì)量的切削齒，增加局部耐磨性。其它部位最小間距不同質(zhì)量圖12實際鉆頭布齒密度展示39最小間距不同質(zhì)量圖12實際鉆頭布齒密度展示39③采用不同尺寸的切削齒，增加易磨損部位局部的耐磨性.40③采用不同尺寸的切削齒，增加易磨損部位局部的耐磨性.40大小齒組合圖12大小齒組合的強化方式41大小齒組合圖12大小齒組合的強化方式41④優(yōu)化鉆頭的冠部形狀，以增加磨損嚴重的部位的總弧長，以在此部位放置更多的齒。42④優(yōu)化鉆頭的冠部形狀，以增加磨損嚴重的部位的總弧長，以在此部局部強化設(shè)計的主要內(nèi)容①鉆頭易損壞部位局部強化設(shè)計；②適當強化保徑部位的布齒密度；③內(nèi)錐部位的布齒以等切削體積原則設(shè)計；④鉆頭的冠部形狀、刀翼數(shù)量根據(jù)地層條件確定；⑤鉆頭切削齒的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)地層條件參考優(yōu)化設(shè)計結(jié)果確定。⑥通過改變刀翼的角度達到平衡力設(shè)計。43局部強化設(shè)計的主要內(nèi)容①鉆頭易損壞部位局部強化設(shè)計；434、PDC鉆頭的優(yōu)化設(shè)計在進行設(shè)計理論研究的同時，還對鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化，這些優(yōu)化設(shè)計包括：444、PDC鉆頭的優(yōu)化設(shè)計在進行設(shè)計理論研究1）鉆頭結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計與仿真451）鉆頭結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計與仿真45三維仿真三維結(jié)構(gòu)設(shè)計展示46三維仿真三維結(jié)構(gòu)設(shè)計展示464747圖15三維干涉驗證48圖15三維干涉驗證48圖21鋼體三維設(shè)計49圖21鋼體三維設(shè)計49水力結(jié)構(gòu)參數(shù)的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計

噴嘴角度與位置是有限元數(shù)值模擬的計算結(jié)果。使射流的攜巖效果和水射流輔助破巖效果都達到最優(yōu)。50水力結(jié)構(gòu)參數(shù)的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計噴嘴角度與位置是有刀翼及水道的三維設(shè)計

為使巖粉盡快排離井底，避免出現(xiàn)二次破碎現(xiàn)象，防止鉆頭泥包，在鉆頭強度允許的前提下，最大限度的增加過流空間。51刀翼及水道的三維設(shè)計為使巖粉盡快排離井底，避免2）水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計利用ansys軟件進行了水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計522）水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計利用ansys軟件進行了水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化窄刀翼流道深中心噴嘴大角度圖18水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果53窄刀翼流道深中心噴嘴大角度圖18水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果5短保徑保徑齒出刃圖18保徑部分結(jié)構(gòu)設(shè)計54短保徑保徑齒出刃圖18保徑部分結(jié)構(gòu)設(shè)計5455555656575758585959606061616262二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計1、針對深部地層研磨性強的特點，采用了大量新型金剛石含量更高、抗沖擊能力更強、壽命更長的復合片。使PDC鉆頭的抗沖擊、抗研磨性以及使用壽命大幅度提高。三)針對具體地層的鉆頭優(yōu)化設(shè)計技術(shù)63二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計1、針對深部地層研磨性強的特點，采用了大量加厚環(huán)槽蜂窩鑲嵌齒-Hammer

二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計金剛石層與碳化鎢基坐結(jié)合更牢固，應(yīng)力更分散，外環(huán)增加一圈金剛石層的同時增加了復合片的金剛石含量。環(huán)槽型的鑲嵌方式增加了復合片的抗沖擊性，切削齒的金剛石層厚度2.29mm，比普通切削齒的金剛石含量增加1倍。極大地提高了齒的抗沖擊性和抗研磨能力。64加厚環(huán)槽蜂窩鑲嵌齒-Hammer二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計金剛GT齒是新近開發(fā)的超強切削齒，增大了金剛石層與碳化鎢基座間的接觸面積，提高了切削齒抗沖擊能力，是夾層、高研磨性地層的專用切削齒。GT加厚齒二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計65GT齒是新近開發(fā)的超強切削齒，增大了金剛石層與碳化鎢基Reed公司超強切削齒--TRex超級熱穩(wěn)定抗磨層聚晶金剛石層碳化鎢齒座極強的熱穩(wěn)定性抗研磨性提高了400%機械鉆速提高了40%二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計66Reed公司超強切削齒--TRex超級熱穩(wěn)定抗磨層聚晶金剛石TITAN-Ⅱ齒

◆整體結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金支撐座◆較厚的金剛石層◆較低的殘余應(yīng)力，平均降低20-50%◆較高的抗沖擊性（提高了兩倍以上）◆較好的抗研磨性（提高了約30%）二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計67TITAN-Ⅱ齒◆整體結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金支撐座二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計DRAGON齒

由于其獨特的金剛石層與碳化鎢基座間的連接方式，抗研磨和抗沖擊綜合性能良好，主要用于鉆頭主切削部位：肩部和鼻部外側(cè)。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計68DRAGON齒由于其獨特的金剛石層與碳化鎢基2、針對上部軟--中硬地層特點，采用鋼體式、大螺旋刀翼、大排屑流道設(shè)計。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計692、針對上部軟--中硬地層特點，采用鋼體式、大螺旋刀翼、大鋼體鉆頭沒有胎體鉆頭燒結(jié)時的殘余應(yīng)力，抗沖擊、抗回旋能力強。加長了碳化鎢基座長度來保證有足夠的焊接面積，允許切削齒出刃高，刀翼高度比普通鉆頭增高一倍，使鉆頭的攻擊性大大增強；大螺旋刀翼設(shè)計可有效地防止鉆頭發(fā)生回旋，使鉆頭工作更加平穩(wěn)。大排屑流道設(shè)計，可以更加有效地使鉆屑及時清離井底，避免重復切削，提高鉆頭功效，防止鉆頭泥包。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計70鋼體鉆頭沒有胎體鉆頭燒結(jié)時的殘余應(yīng)力，抗沖擊、抗3、針對地層軟硬交錯、切削齒吃入地層不均等引起的鉆頭蹩、跳現(xiàn)象，采用多種抗回旋設(shè)計技術(shù)。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計713、針對地層軟硬交錯、切削齒吃入地層不均等引起的鉆頭蹩、跳現(xiàn)①、切削齒力平衡設(shè)計采用專門的計算機軟件，對每一個切削齒進行受力分析計算，把切削齒在井底承受的軸向與徑向不均衡的交變載荷控制在最小范圍內(nèi)，極大地提高了鉆頭在井底的工作穩(wěn)定性。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計②、非對稱刀翼設(shè)計以抗回旋設(shè)計為基礎(chǔ)，能有效控制和削弱鉆頭在井下工作時的回旋效應(yīng)，提高鉆頭工作的平穩(wěn)性。72①、切削齒力平衡設(shè)計采用專門的計算機軟件，對每一個③、螺旋刀翼與螺旋保徑設(shè)計與直刀翼和直保徑設(shè)計相比，螺旋刀翼可提高刀翼的布齒密度，增大與井底的接觸面積，降底鉆頭扭矩，提高鉆頭壽命。采用螺旋保徑可降低鉆頭有效規(guī)徑的長度，增大保徑面積，改善PDC鉆頭對井眼軌跡的控制能力。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計73③、螺旋刀翼與螺旋保徑設(shè)計與直刀翼和直保徑設(shè)計相④、防碰齒(減震齒)設(shè)計平衡井底產(chǎn)生的徑向與軸向震動載荷，使鉆頭在井下工作更平穩(wěn)，防止鉆頭出現(xiàn)切削齒先期破壞；同時防止鉆頭修邊齒與保徑齒吃入地層，引起鉆頭發(fā)生回旋，提高鉆頭鉆穿砂、礫巖夾層的能力，避免在軟硬交錯地層損壞切削齒，保護鉆頭。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計74④、防碰齒(減震齒)設(shè)計平衡井底產(chǎn)生的徑向與軸4、針對抗壓強度高或彈塑性強的地層特點采用的鉆頭優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計754、針對抗壓強度高或彈塑性強的地層特點采用的鉆頭優(yōu)化設(shè)計技術(shù)①、尖圓混合齒設(shè)計尖齒因與地層接觸面積小受力集中，鉆遇抗壓強度高或彈塑性較大的地層易于吃入，巖石在較大的接觸應(yīng)力作用下產(chǎn)生先期破碎裂紋。隨著鉆頭的不斷旋轉(zhuǎn)，尖齒在巖石中切出一條條軌道形“卸荷”槽，緊隨其后的圓形切削齒則以剪切方式切削強度已大大減弱的大塊巖石，達到快速鉆進的目的。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計76①、尖圓混合齒設(shè)計尖齒因與地層接觸面積小受力②、切削齒負前角的調(diào)整

對于常規(guī)設(shè)計，為保證PDC鉆頭的使用壽命，切削齒負前角一般為20°、25°、30°，鉆頭吃入地層能力差，攻擊性不強。針對不同深度的不同巖性在兼顧鉆頭壽命的前提下，適當減小負前角，增強切削齒吃入地層的能力，可獲得較高的機械鉆速。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計77②、切削齒負前角的調(diào)整對于常規(guī)設(shè)計，為保證P5、針對山前上部地層傾角普遍較大的特點，采用短保徑優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

縮短鉆頭保徑能減小鉆頭與井壁接觸產(chǎn)生的扭矩。降低了保徑表面積而增加了鉆頭單位保徑表面積的接觸力，增強了鉆頭的側(cè)向切削能力，配合鐘擺鉆具組合，有利于井斜控制。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計785、針對山前上部地層傾角普遍較大的特點，采用短保徑優(yōu)化設(shè)計技6、針對長裸眼段、鹽膏層等復雜地層特點，采用倒劃眼齒優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。針對長裸眼段、鹽膏層等復雜井段，以及定向井鉆井，采用適合于倒劃眼工藝的設(shè)計，每個刀翼加裝倒劃眼齒，以利于在易縮徑井段順利倒劃起出鉆頭。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計796、針對長裸眼段、鹽膏層等復雜地層特點，采用倒劃眼齒優(yōu)化設(shè)計7、針對地層易水化膨脹造成鉆頭泥包的地層特點，采用防泥包優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。

二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計FS系列鉆頭全部進行了負離子處理，鉆頭表面呈負電。使帶負電荷的泥巖鉆屑與帶負電荷的鉆頭體之間產(chǎn)生相互排斥作用，從而達到防泥包目的。807、針對地層易水化膨脹造成鉆頭泥包的地層特點，采用防泥包優(yōu)化8、調(diào)整切削齒出刃高度，提高鉆頭攻擊性隨著切削齒外觀結(jié)構(gòu)的改變、金剛石含量的增加和焊接工藝的改善，與鉆頭攻擊性密切相關(guān)的切削齒出刃高度有了進一步提高。該技術(shù)在鋼體鉆頭上獲得廣泛應(yīng)用并取得很好的效果。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計818、調(diào)整切削齒出刃高度，提高鉆頭攻擊性隨著切削齒9、低扭矩保徑優(yōu)化設(shè)計技術(shù)保徑部位覆焊一層天然金剛石耐磨層，可大幅度提高保徑壽命，同時可以降低保徑與井壁的磨擦扭矩。

二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計829、低扭矩保徑優(yōu)化設(shè)計技術(shù)保徑部位覆焊一層天然金10、高密度鉆井液體系下采用負壓噴嘴技術(shù)

常規(guī)噴嘴在井底產(chǎn)生的是正壓力場，在高密度鉆井液體系下它對井底鉆屑有較強的壓持作用，不利于有效快速清洗鉆屑。而負壓噴嘴在井底產(chǎn)生的是負壓力場，對井底鉆屑的壓持作用轉(zhuǎn)變?yōu)槌槲饔?，起到快速、高效清巖的作用，提高機械鉆速。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計8310、高密度鉆井液體系下采用負壓噴嘴技術(shù)常規(guī)噴嘴在井11、采用計算機軟件優(yōu)化金剛石鉆頭設(shè)計

①3D井下動態(tài)模擬軟件設(shè)計技術(shù)

3D動態(tài)模擬軟件可對鉆頭在井底工作時向前回旋、向后回旋和鉆井過程鉆具滑移狀態(tài)進行模擬，及時改進不合理設(shè)計，確保鉆頭下井后處于最佳工作狀態(tài)。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計8411、采用計算機軟件優(yōu)化金剛石鉆頭設(shè)計①3D井下動態(tài)模擬軟②水力分布優(yōu)化設(shè)計軟件技術(shù)

針對不同尺寸、不同刀翼數(shù)、鉆遇不同的地層巖性，利用水力分布優(yōu)化設(shè)計軟件，充分考慮鉆頭在井底工作需要的清洗、冷卻、攜沙作用，從鉆頭水力設(shè)計到水眼分布作到合理完善，保證鉆頭獲得最大的破巖水力功率。

二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計85②水力分布優(yōu)化設(shè)計軟件技術(shù)針對不同尺寸、不同刀翼數(shù)、三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)1、利用鄰井相關(guān)井段的聲波時差、伽瑪時差、密度及孔隙度測井數(shù)據(jù)，計算出代表巖石硬度的抗壓強度和代表巖石研磨性的內(nèi)摩擦角數(shù)據(jù)，形成相關(guān)的曲線，再利用大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)形成的金剛石鉆頭選型依據(jù)，初步判斷每一井段鉆頭選型的可行性，進而形成全井段鉆頭的選型方案。推薦的金剛石鉆頭適用范圍：巖石抗壓強度數(shù)據(jù)小于50000Psi，巖石內(nèi)摩擦角數(shù)據(jù)小于430。(一)、選型方法86三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)1、利用鄰井相關(guān)井段的砂巖頁巖伽瑪曲線聲波曲線抗壓強度內(nèi)摩擦角鉆頭選型曲線三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)87砂巖伽瑪曲線聲波曲線抗壓強度內(nèi)摩擦角鉆頭選型曲線三2、依靠鄰井鉆頭使用資料、通過對各井段鉆頭磨損情況、巖性的分析，結(jié)合以往積累的鉆頭使用經(jīng)驗來初步確定鉆頭選型。最后，利用前述巖石力學分析軟件提供的鉆頭選型結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場積累的鉆頭選型和使用經(jīng)驗，針對各井段作出最后相對準確的鉆頭選型。目前采用這種計算分析數(shù)據(jù)和積累經(jīng)驗二者相結(jié)合的方式被塔里木油田廣泛采用，鉆頭選型的準確性有了大幅的提高。三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)882、依靠鄰井鉆頭使用資料、通過對各井段鉆頭磨損(二)、PDC鉆頭選型考慮的主要因素1、巖石的性質(zhì)2、布齒密度的選擇3、切削齒尺寸的選擇4、切削齒負前角的確定5、鉆頭冠部形狀的確定6、保徑長度的確定三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)89(二)、PDC鉆頭選型考慮的主要因素1、巖石的性質(zhì)三、PDC●巖石的性質(zhì)PDC鉆頭主要用于泥巖、砂巖、以泥質(zhì)膠結(jié)為主且膠結(jié)松散的小粒徑礫巖、膏巖和灰?guī)r等地層。試驗統(tǒng)計及現(xiàn)場應(yīng)用情況表明：對于砂、泥巖互層，當?shù)貙涌箟簭姸鹊陀?0,000psi，泥巖成份占巖石總量的40%以上時，PDC鉆頭的使用效果最好?；鸪蓭r一般不適合使用PDC鉆頭。三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)90●巖石的性質(zhì)PDC鉆頭主要用于泥巖、砂巖、以泥質(zhì)膠結(jié)為●布齒密度確定原則根據(jù)巖石抗壓強度，確定合理的PDC布齒密度巖石硬度抗壓強度(psi)布齒密度很低硬度0~8,000低布齒密度中等硬度8,000~16,000中等布齒密度高硬度16,000~32,000高布齒密度極高硬度32,000~50,000高布齒密度(超強齒)三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)91●布齒密度確定原則根據(jù)巖石抗壓強度，確定合理的PDC布齒密度●切削齒尺寸的選擇根據(jù)巖石抗壓強度，選擇合理的切削齒尺寸巖石硬度抗壓強度(psi)切削齒尺寸很低硬度0~8,00019—24mm中等硬度8,000~16,00016—19mm高硬度16,000~32,00013—16mm極高硬度32,000~50,0008—13mm(超強齒)三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)92●切削齒尺寸的選擇根據(jù)巖石抗壓強度，選擇合理的切削齒尺寸巖石●切削齒負前角的確定普通PDC齒為了保證一定壽命，負前角一般為20°、25°、30°，鉆頭吃入能力差，攻擊性不強。采用新型切削齒后，根據(jù)地層硬度適時調(diào)整切削齒負前角，使鉆頭能獲得較高的機械鉆速和壽命。推薦的負前角如下：巖石硬度抗壓強度(psi)切削齒負前角很低硬度0-8,00015°、18°、20°中等硬度8,000-16,00017°、20°、25°高硬度16,000-32,00020°、25°、30°極高硬度32,000~50,00025°、30°、35°三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)93●切削齒負前角的確定普通PDC齒為了保證一定壽命●鉆頭冠部形狀的確定常見鉆頭冠部形狀有三種：長拋物線型、中等拋物線型、短拋物線型。它是決定鉆頭攻擊性的重要因素之一。長拋物線型(AG526)中等拋物線型(G544)短拋物線型(DS66GJNSW)三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)94●鉆頭冠部形狀的確定常見鉆頭冠部形狀有三種：長拋不同冠形PDC鉆頭的攻擊性依次為：長拋物線型>中等拋物線型>短拋物線型；按照巖石硬度分類，推薦的鉆頭冠型如下：巖石硬度抗壓強度(psi)冠部形狀很低硬度0~8,000長拋物線形中等硬度8,000~16,000中等拋物線型高硬度16,000~32,000短拋物線形三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)95不同冠形PDC鉆頭的攻擊性依次為：長拋物線型>中●鉆頭保徑的確定針對山前高陡構(gòu)造地層傾角大，井斜控制難的特點，選用相對較短的保徑，減小鉆頭因與井壁接觸而產(chǎn)生的扭矩，同時降低了保徑表面積、增加了鉆頭保徑表面的接觸力，使鉆頭的側(cè)向力切削能力增強，有利于井斜控制。鉆頭尺寸標準保徑長度短保徑長度121/4”2.5”1.5”81/2”2”1.5”三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)96●鉆頭保徑的確定針對山前高陡構(gòu)造地層傾角大，井斜四、各區(qū)塊鉆頭設(shè)計、選型關(guān)鍵●庫車地區(qū)(一)、鉆頭選型難點1、巖性變化快、軟硬交錯頻繁，大段的均質(zhì)巖性基本不存在，現(xiàn)有鉆頭無法適應(yīng)，鉆頭選型準確程度不高；2、大部分井段巖性抗壓強度屬中到硬，切削齒吃入困難；3、不同構(gòu)造間地層可鉆性差異大，鉆頭選型借鑒性不強；4、普遍存在高壓氣層、復合鹽層、煤系地層等復雜地層，鉆井液密度高，易產(chǎn)生巖屑“壓持效應(yīng)”，造成重復切削；5、地層各向異性，傾角大，防斜與提速存在予盾，限制了鉆頭功效的發(fā)揮；97四、各區(qū)塊鉆頭設(shè)計、選型關(guān)鍵●庫車地區(qū)(一)、鉆頭選型難點●庫車地區(qū)(二)、鉆頭設(shè)計與選型(1)、針對12?″以上大尺寸鉆頭，重新調(diào)整冠型，增大了刀翼和保徑部分的螺旋弧度，加大刀翼深度，減短保徑長度，調(diào)整切削齒的布齒密度和出刃高度，形成了新型的鋼體鉆頭。16″MS1953SS

171/2″FS2663BGPS

四、各區(qū)塊鉆頭設(shè)計、選型關(guān)鍵98●庫車地區(qū)(二)、鉆頭設(shè)計與選型(1)、針對12?″(2)、針對該區(qū)域大段塑性地層，在采用小鉆壓防斜條件下盡可能提高鉆頭本身的攻擊性，改進切削齒的數(shù)量和分布位置，同時讓切削齒的出刃高度更高，使鉆頭有限的機械能量條件下攻擊性更強。(3)、針對深部具有一定研磨性的中硬地層，及時選用13毫米切削齒鉆頭，使用效果明顯改善。四、各區(qū)塊鉆頭設(shè)計、選型關(guān)鍵99(2)、針對該區(qū)域大段塑性地層，在采用小鉆壓防斜條塔北地區(qū)面積較大，包括雀馬、輪南、東河、紅旗、英買力、羊塔克等多個構(gòu)造，不同構(gòu)造間地層可鉆性差異大，鉆頭選擇借鑒性不強。三疊系以上地層可鉆性較好，局部地層夾有礫石，鉆頭使用時易先期損壞。石炭系地層可鉆性較差，奧陶系地層含有燧石結(jié)核，PDC鉆頭容易出現(xiàn)崩齒、及嚴重磨損。四、各區(qū)塊鉆頭設(shè)計、選型關(guān)鍵●塔北地區(qū)(一)、鉆頭選型難點100塔北地區(qū)面積較大，包括雀馬、輪南、東河、紅旗、英四、各區(qū)塊鉆頭設(shè)計、選型關(guān)鍵●塔北地區(qū)(二)、鉆頭設(shè)計與選型（1）、三疊系以上地層首選強攻擊性的鋼體鉆頭。但在鉆頭設(shè)計上還應(yīng)從出刃高度、布齒密度、切削齒負前角等方面兼顧考慮鉆頭穿越礫石夾層的能力，提高鉆頭壽命。（2）、石炭系地層以大套壓實性好的泥巖為主，可鉆性相對較差。推薦使用五刀翼、中等布齒密度、切削齒負前角中等的胎體鉆頭。（3）、輪南及雀馬地區(qū)奧陶系以硬脆性的灰?guī)r地層為主，并夾有深度不確定的燧石結(jié)核，不推薦使用PDC鉆頭。101四、各區(qū)塊鉆頭設(shè)計、選型關(guān)鍵●塔北地區(qū)(二)、鉆頭設(shè)計與選型●塔中區(qū)域（含哈德）(一)、鉆頭選型難點(1)、塔中16井區(qū)相對于除塔東地區(qū)以外的其他區(qū)域鉆井難度較大。主要表現(xiàn)在三疊系以前的地層易水化膨脹形成縮徑造成卡鉆事故；三疊系、石炭系的礫石夾層和志留系的高研磨性細砂巖對PDC鉆頭的鉆速和壽命都有較大的影響。(2)、塔中10、11、45等井區(qū)的難度相對較小，主要是上部泥巖的縮徑和深部志留系細砂巖地層的研磨性。四、各區(qū)塊鉆頭設(shè)計、選型關(guān)鍵102●塔中區(qū)域（含哈德）(一)、鉆頭選型難點(1)(3)、塔東是一個較為特殊的區(qū)域，上部地層傾角大，井斜控制難。中上奧陶發(fā)育一大套以深灰色為基調(diào)的泥巖和凝灰?guī)r，硅、泥質(zhì)膠結(jié)，可鉆性極差，研磨性較強，普通PDC鉆頭難以吃入地層。同時，局部鉆遇的礫石層對鉆頭的損壞極大。(4)、哈德區(qū)域范圍較小，石炭系以上地層可鉆性較好，鉆頭型號相對固定，主要難點集中在深部志留系及以下地層。四、各區(qū)塊鉆頭設(shè)計、選型關(guān)鍵103(3)、塔東是一個較為特殊的區(qū)域，上部地層傾角大●塔中地區(qū)(含哈德)(二)、鉆頭設(shè)計與選型(1)、除塔東區(qū)域之外，在石炭系以上地層采用大螺旋刀翼，深排屑槽，多水眼、高出刃特點的防泥包設(shè)計鋼體鉆頭，在16井區(qū)、10井區(qū)、45井區(qū)等區(qū)域的泥巖井段獲得了極高的速度。(2)、除塔東區(qū)域之外，在石炭系、志留系地層采用小螺旋刀翼、新型耐磨齒、強攻擊性設(shè)計的胎體式鉆頭，在16井區(qū)、10井區(qū)、45井區(qū)等區(qū)域的深部井段獲得了較高的機械鉆速和較長的鉆頭壽命。四、各區(qū)塊鉆頭設(shè)計、選型關(guān)鍵104●塔中地區(qū)(含哈德)(二)、鉆頭設(shè)計與選型(1)、●塔中地區(qū)(含哈德)（3）、塔東區(qū)域的地層比較復雜，上部地層傾角大，井斜難以控制，采用低鉆壓下攻擊性強的鋼體式鉆頭，可獲得較高的機械鉆速；下部奧陶系地層的可鉆性差，具有很強的研磨性，采用雙排布齒及新型超強齒(TRex齒)的多刀翼高抗研磨性鉆頭。如Reed公司最新開發(fā)出的8?″DSX94鉆頭，在機械鉆速、鉆頭壽命上取得了重大突破。81/2″DSX94DGJNSW四、各區(qū)塊鉆頭設(shè)計、選型關(guān)鍵105●塔中地區(qū)(含哈德)（3）、塔東區(qū)域的地層比較復雜●塔西南地區(qū)(英吉沙、群苦恰克等構(gòu)造等)(一)、鉆頭選型難點1、上第三系、二疊系、石炭系存在多套異常高壓鹽水層，鉆井液密度高，易產(chǎn)生巖屑“壓持效應(yīng)”，影響鉆頭功效的發(fā)揮；2、下第三系含有大段石膏，并夾軟泥巖，易發(fā)生縮徑卡鉆；3、二疊系發(fā)育一套深灰色云質(zhì)凝灰?guī)r，可鉆性極差。

4、石炭系、志留系地層主要以砂巖為主。石炭系中部發(fā)育一大套灰?guī)r，中部夾一層白云巖，研磨性強，可鉆性差；群苦恰克四、各區(qū)塊鉆頭設(shè)計、選型關(guān)鍵106●塔西南地區(qū)(英吉沙、群苦恰克等構(gòu)造等)(一)、鉆頭選型難點●塔西南地區(qū)(英吉沙、群苦恰克等構(gòu)造等)1、地層傾角大，井斜控制困難，防斜與提速存在矛盾；井壁穩(wěn)定性差，坍塌嚴重；2、上第三系---白堊系存在多套高壓鹽水層，鉆井液密度高，易產(chǎn)生巖屑“壓持效應(yīng)”；3、地層埋藏深，壓實性好，巖性變化大，可鉆性差，鉆頭適應(yīng)性受限制；4、地層南北應(yīng)力與東西應(yīng)力相差大，鉆頭受力不均，蹩、跳鉆嚴重，影響鉆頭工作壽命；英吉沙構(gòu)造四、各區(qū)塊鉆頭設(shè)計、選型關(guān)鍵107●塔西南地區(qū)(英吉沙、群苦恰克等構(gòu)造等)1、地層傾角大，井斜●塔西南地區(qū)(英吉沙、群苦恰克等構(gòu)造等)(二)、鉆頭設(shè)計與選型1、重新調(diào)整了16”以上大尺寸鉆頭冠型，增大了刀翼和保徑部分的螺旋弧度，加大了刀翼深度，減短了保徑長度，同時調(diào)整了切削齒的布齒密度和出刃高度，形成了新型的高壽命、強攻擊性鋼體鉆頭。四、各區(qū)塊鉆頭設(shè)計、選型關(guān)鍵108●塔西南地區(qū)(英吉沙、群苦恰克等構(gòu)造等)(二)、鉆頭設(shè)計與選109109五、應(yīng)用效果●典型實例尺寸井號型號井段(m)進尺(m)純鉆(h)平均機速入井次數(shù)17?″東秋8FS2663437.11-2141.101699.4515111.13717?″卻勒6AG5261001.02-1802.69801.67948.53116″卻勒101MS1953SS1216.00-1805.34888.3485.176.923YTK502913.66-1802.00589.3486.3310.29英深11681.89-1983.68301.79217.671.39合計---1779.47389.174.5716″群6MS1951SS1105.78-28001508.03168.58.952110五、應(yīng)用效果●典型實例尺寸井號型號井段進尺純鉆平均機速入井次●典型實例尺寸井號型號井段(m)進尺(m)純鉆(h)平均機速入井次數(shù)12?″塔中63MS1952SS2231-373915087719.58112?″卻勒6FS2563BG1903.68-3220.001316.322914.52112?″龍口-1G5441146.79-1934.60787.8143.6718.04112?″烏西1M1655SS138-2206.00742.74396.251.878五、應(yīng)用效果111●典型實例尺寸井號型號井段進尺純鉆平均機速入井次數(shù)12?″●典型實例尺寸井號型號井段(m)進尺(m)純鉆(h)平均機速入井次數(shù)8?″哈德11MS1952SS1250-41022698.5145.1718.5938?″輪南62FS2565N2268.84-49722504.79189.0813.2538?″滿東-1G5423510-4928.591294.04393.753.2968?″滿南-1GS605T1262.69-2499.311236.62222.175.572五、應(yīng)用效果112●典型實例尺寸井號型號井段進尺純鉆平均機速入井次數(shù)8?″哈●典型實例尺寸井號型號井段(m)進尺(m)純鉆(h)平均機速入井次數(shù)6″塔中169FM25434273-4946.6667.09245.922.7146″塔中63G4345973.9-6345.36336.6298.833.4156″英東-2BD445ZT4313.50-4672.70162.71145.51.1236″輪古13M13545456.9-5638145.42771.892五、應(yīng)用效果113●典型實例尺寸井號型號井段進尺純鉆平均機速入井次數(shù)6″塔中1●2002年、2003年各區(qū)塊PDC鉆頭使用情況對比庫車地區(qū)探井、評價井PDC鉆頭使用情況對比使用情況總數(shù)量總進尺平均機速平均單只進尺2002年2003年2002年2003年2002年2003年2002年2003年16″171/2″211519.6589.36.876.92759.8589.34121/4″2007780.302.330389.0081/2″2236769.410071.82.28307.7335.76”57/8”65/8”1741439.0156.30.850.5784.6539.157/8”以下84270.73258.70.720.9533.8464.69合計69121777921001.901.88257.6161.7五、應(yīng)用效果114●2002年、2003年各區(qū)塊PDC鉆頭使用情況對比庫車地區(qū)庫車地區(qū)探井、評價井PDC鉆頭使用指標對比不同尺寸PDC鉆頭平均鉆速對比不同尺寸PDC鉆頭平均單只進尺對比五、應(yīng)用效果115庫車地區(qū)探井、評價井PDC鉆頭使用指標對比不同尺寸PDC鉆頭●2002年、2003年各區(qū)塊PDC鉆頭使用情況對比塔北地區(qū)探井、評價井PDC鉆頭使用情況對比使用情況總數(shù)量（只）總進尺（m）平均機速（m/h）平均單進尺(m)2002年2003年2002年2003年2002年2003年2002年2003年81/2″0405272.0608.6501318.026″57/8″65/8″20150.6501.67075.330合計24150.655272.061.678.6575.331318.02五、應(yīng)用效果116●2002年、2003年各區(qū)塊PDC鉆頭使用情況對比塔北地區(qū)●2002年、2003年各區(qū)塊PDC鉆頭使用情況對比塔中地區(qū)探井、評價井PDC鉆頭使用情況對比

使用情況總數(shù)量（只）總進尺（m）平均機速(m/h）平均單只進尺(m)2002年2003年2002年2003年2002年2003年2002年2003年121/4″122787.819729.9218.045.76787.81442.2781/2″397434722.8133080.166.814.31698.35447.036″、57/8″65/8″121148.261986.291.031.5392.694.5957/8″以下107901.52060合計4211735737.844796.376.704.20850.9382.87其中：英東2、古城2、滿東1井加深井段三口井共采用PDC鉆頭41只，累計進尺4494.35米(地層主要為奧陶系)，純鉆3239.58小時，平均機速僅1.39米/小時，平均單只鉆頭進尺109.62米。五、應(yīng)用效果117●2002年、2003年各區(qū)塊PDC鉆頭使用情況對比塔中地區(qū)塔中地區(qū)探井、評價井PDC鉆頭使用指標對比不同尺寸PDC鉆頭平均鉆速對比不同尺寸PDC鉆頭平均單只進尺對比五、應(yīng)用效果118塔中地區(qū)探井、評價井PDC鉆頭使用指標對比不同尺寸PDC鉆頭●2002年、2003年各區(qū)塊PDC鉆頭使用情況對比塔西南地區(qū)探井、評價井PDC鉆頭使用情況對比使用情況總數(shù)量（只）總進尺(m)平均機速（m/h）平均單只進尺(m)2002年2003年2002年2003年2002年2003年2002年2003年16″171/2″0201878.3408.970939.17121/4″23717.771215.671.261.68358.8405.2281/2″1161394.961583.220.781.69127.0263.876″57/8″65/8″0100529.4301.02052.94合計13212112.735206.660.892.18100.6247.94五、應(yīng)用效果119●2002年、2003年各區(qū)塊PDC鉆頭使用情況對比塔西南地塔西南地區(qū)探井、評價井PDC鉆頭使用指標對比不同尺寸PDC鉆頭平均鉆速對比不同尺寸PDC鉆頭平均單只進尺對比五、應(yīng)用效果120塔西南地區(qū)探井、評價井PDC鉆頭使用指標對比不同尺寸PDC鉆●2002年、2003年探井、評價井PDC鉆頭使用情況對比使用情況總數(shù)量(只)總進尺（m）平均機速(m/h)平均單只進尺(m)2002年2003年2002年2003年2002年2003年2002年2003年16″171/2″231519.672467.686.878.38759.8822.5121/4″23259285.9410945.592.354.54403.7437.881/2″728742887.240942.694.034.24595.6470.66″57/8″65/8″20351737.942672.10.921.2886.9076.3557/8″以下94349.73258.740.820.9538.8664.69合計12615455780.4572873.253.89442.7371.9備注12611355780.452792.653.254.59442.7467.19五、應(yīng)用效果121●2002年、2003年探井、評價井PDC鉆頭使用情況對比使2003年與2002年探井、評價井PDC鉆頭使用指標對比不同尺寸PDC鉆頭平均鉆速對比不同尺寸PDC鉆頭平均單只進尺對比五、應(yīng)用效果1222003年與2002年探井、評價井PDC鉆頭使用指標對比不同PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計與選型技術(shù)二00四年三月九日PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計與選型技術(shù)二00五年三月九日123PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計與選型技術(shù)二00四年三月九日PDC鉆頭優(yōu)化一、PDC鉆頭使用現(xiàn)狀二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計三、綜合選型技術(shù)四、各區(qū)塊鉆頭設(shè)計與選型五、應(yīng)用效果PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計與選型技術(shù)124一、PDC鉆頭使用現(xiàn)狀PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計與選型技術(shù)2塔里木油田油藏埋普遍埋藏較深，深度4000—6000米不等，地質(zhì)情況復雜，地層可鉆性差，鉆井周期長、成本高。經(jīng)與各鉆頭廠家10余年的聯(lián)合攻關(guān)，形成了以FM、FS、M、MS、G、STR、BD、DS、DSX等為代表的一系列新型PDC鉆頭，先后完成了柯克亞、克拉蘇、大北、卻勒、迪那、塔東等地區(qū)一批典型高效井。鉆頭技術(shù)基本滿足了探區(qū)復雜井的需要，鉆井成本得到了有效控制：探井、評價井平均機速由1999年的2.21米/小時提高到2003年的3.89米/小時，四年提高了76%，平均每年提高15%以上。

一、PDC鉆頭使用現(xiàn)狀125塔里木油田油藏埋普遍埋藏較深，深度4000—6000一）PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)切削結(jié)構(gòu)水力結(jié)構(gòu)二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計126一）PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)切削結(jié)構(gòu)水力12751、切削結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)切削結(jié)構(gòu)冠部形狀刀翼的數(shù)量及結(jié)構(gòu)切削齒的分布切削齒的空間結(jié)構(gòu)保徑結(jié)構(gòu)1281、切削結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)切削結(jié)構(gòu)冠部形狀刀翼的數(shù)量及結(jié)構(gòu)切水力結(jié)構(gòu)流道的結(jié)構(gòu)噴嘴的分布及空間結(jié)構(gòu)2、水力結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)129水力結(jié)構(gòu)流道的結(jié)構(gòu)噴嘴的分布及空間結(jié)構(gòu)2、水力結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本二)鉆頭設(shè)計理論的研究1、傳統(tǒng)的PDC鉆頭設(shè)計理論等切削體積原則；等功率原則；等磨損原則。130二)鉆頭設(shè)計理論的研究1、傳統(tǒng)的PDC鉆頭設(shè)計理論8等切削體積原則：

即以每個切削齒的切削體積相等為原則。sj——第j顆切削齒的破巖面積；Rj——第j顆切削齒距旋轉(zhuǎn)中心的距離。131等切削體積原則：sj——第j顆切削齒的破巖面積；Rj——第等功率原則：每個切削齒的切削功率相等。Sj——第j顆切削齒的破巖面積；Rj——第j顆切削齒距旋轉(zhuǎn)中心的距離。Aj——巖石的單位體積破碎功。132等功率原則：Sj——第j顆切削齒的破巖面積；Rj——第j顆切等磨損原則:等磨損原則的目標函數(shù)為使鉆頭每個切削齒的磨損速度一致。由于影響磨損速度的因素眾多，目前還沒有合理的函數(shù)表達式。133等磨損原則:11傳統(tǒng)PDC鉆頭設(shè)計理論的局限性

傳統(tǒng)PDC鉆頭設(shè)計理論與方法，對于PDC鉆頭的設(shè)計有一定的指導意義，但在實際應(yīng)用過程中還存在許多問題，特別對于刮刀式PDC鉆頭的設(shè)計，理論與實際差距更大。原因在以下幾個方面：134傳統(tǒng)PDC鉆頭設(shè)計理論的局限性傳統(tǒng)PDC鉆頭設(shè)①等切削體積布齒原則可以用于PDC鉆頭的實際設(shè)計。但是實際應(yīng)用表明，按等切削原則設(shè)計時，靠近鉆頭規(guī)徑部位布齒密度不夠，外緣部分切削齒的磨損比中心區(qū)域切削齒大三倍左右。同時等切削體積布齒原則沒有考慮齒與地層的相互作用，不能準確反映切削齒受力以及磨損的規(guī)律。②對于等功率、等磨損原則，由于對鉆頭齒與地層相互作用的規(guī)律的研究不夠系統(tǒng)完善，還不能用于實際鉆頭設(shè)計。③傳統(tǒng)的PDC鉆頭設(shè)計理論用于“滿天星”式PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計精度較高，但刮刀式PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)與“滿天星”式PDC鉆頭結(jié)構(gòu)形式差別巨大，其設(shè)計理論在傳統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展完善。13513

圖1PDC鉆頭的不平衡力二）PDC鉆頭設(shè)計理論的最新研究成果1）平衡力設(shè)計136圖1PDC鉆頭的不平衡力二）PDC鉆頭設(shè)計理論的最新研究成由于鉆頭齒的受力的合力不平衡（如圖1），在旋轉(zhuǎn)過程中使鉆頭的旋轉(zhuǎn)中心偏離井眼中心，造成鉆頭在公轉(zhuǎn)的同時伴有間斷性自轉(zhuǎn)，從而形成渦動。

137由于鉆頭齒的受力的合力不平衡（如圖1），在平衡力設(shè)計的方法①改變切削齒的空間角度消除不平衡力；②采用不對稱刀翼設(shè)計消除不平衡力；③采用低摩擦保徑設(shè)計抵消不平衡力。④采用軌道式布齒形成的溝槽限制鉆頭的渦動。138平衡力設(shè)計的方法①改變切削齒的空間角度消除不平衡力；16圖2鉆頭切削的井底A—常規(guī)B—渦動139圖2鉆頭切削的井底17圖3平衡力設(shè)計示意改變切削齒的角度及位置不對稱刀翼設(shè)計140圖3平衡力設(shè)計示意改變切削齒的角度及位置不對稱刀翼設(shè)計1圖4軌道布齒示意圖141圖4軌道布齒示意圖19同軌道部齒圖5軌道布齒切削的井底142同軌道部齒圖5軌道布齒切削的井底20圖5低摩擦保徑

143圖5低摩擦保徑212）減振齒設(shè)計鉆頭受鉆柱運動的影響以及與地層的相互作用，縱向振動不可避免。鉆頭的縱向振動使的切削齒受到不規(guī)則的沖擊作用，造成切削齒的破壞。為減小切削齒的沖擊破壞，提出了減振設(shè)計的方法。該方法主要有兩種形式：1442）減振齒設(shè)計鉆頭受鉆柱運動的影響以及與地層的圖6沖擊抑制器示意圖145圖6沖擊抑制器示意圖23圖8減振齒設(shè)計146圖8減振齒設(shè)計243)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)計理論

根據(jù)刮刀PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)特點，以鉆頭實際應(yīng)用的磨損情況為依據(jù)，結(jié)合PDC鉆頭設(shè)計的基本理論，提出了刮刀PDC鉆頭設(shè)計的新理論：局部強化設(shè)計理論。

1473)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)計理論根據(jù)14826問題的提出

現(xiàn)有的PDC鉆頭，雖然在傳統(tǒng)設(shè)計理論為基礎(chǔ)設(shè)計引入新的設(shè)計理論，但是在實際應(yīng)用過程中，在正常磨損的情況下遠沒有達到等磨損的程度，在鼻部至側(cè)部存在明顯的偏磨現(xiàn)象，如圖所式：

149問題的提出現(xiàn)有的PDC鉆頭，雖然在傳統(tǒng)設(shè)計理論圖7鉆頭容易破壞的部位150圖7鉆頭容易破壞的部位28圖8鉆頭嚴重磨損部位嚴重磨損部位151圖8鉆頭嚴重磨損部位嚴重磨損部位29根據(jù)鉆頭受力差異在不同部位使用不同性能的齒鉆頭齒受力的有限元分析152根據(jù)鉆頭受力差異在不同部位使用不同性能的齒鉆頭齒受力的有原因分析

①由于對于切削齒與地層相互作用的規(guī)律認識不夠，等功率與等磨損原則沒有真正的由于實際鉆頭設(shè)計，而依據(jù)傳統(tǒng)的等切削體積準則進行的設(shè)計存在明顯的誤差。②鉆頭的冠部形狀對鉆頭不同部位切削齒受力與磨損的影響巨大，而至今對于其影響規(guī)律沒有明確的結(jié)論。③刮刀式PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)形式使鉆頭的流道暢通無阻，極大的改善了水力攜巖的條件，但其結(jié)構(gòu)形狀也使布齒的空間受到了限制，難以實現(xiàn)等磨損布齒。153原因分析①由于對于切削齒與地層相互作用的規(guī)律

由于切削齒與地層相互作用的規(guī)律不可能在短時間內(nèi)認識清楚，上述問題從根本上解決條件還不成熟。對于刮刀式鉆頭結(jié)構(gòu)，實際應(yīng)用結(jié)果表明刮刀式PDC鉆頭的宏觀結(jié)構(gòu)是理想的PDC鉆頭結(jié)構(gòu)形式，鉆頭的設(shè)計應(yīng)當以這種結(jié)構(gòu)形式為基礎(chǔ)。那么，如何解決現(xiàn)有鉆頭切削齒偏磨的問題，進一步提高鉆頭的質(zhì)量呢？154由于切削齒與地層相互作用的規(guī)律不可能在短時間內(nèi)局部強化設(shè)計理論的構(gòu)思對于刮刀式PDC鉆頭，冠部形狀、刮刀數(shù)確定，鉆頭局部布齒的有效長度確定，局部布齒的數(shù)量也即確定。155局部強化設(shè)計理論的構(gòu)思對于刮刀式PDC鉆圖11刮刀PDC鉆頭布齒特點156圖11刮刀PDC鉆頭布齒特點34

在此條件下，要解決鉆頭局部磨損嚴重的問題只有以下幾種途徑：①磨損嚴重的部位采用最大密度布齒，以最大限度的增加局部切削齒的當量密度，其它部位采用等切削體積布齒；157在此條件下，要解決鉆頭局部磨損嚴重的問題只有以極限密度布齒部位強化部位等切削部位圖12鉆頭布齒密度的基本思路158極限密度布齒部位強化部位等切削部位圖12鉆頭布齒密度的基本思局部最大密度布齒圖11鉆頭布齒密度的三維展示159局部最大密度布齒圖11鉆頭布齒密度的三維展示37②磨損嚴重的部位采用高質(zhì)量的切削齒，增加局部耐磨性。其它部位采用次品級的切削齒，使磨損速度達到一致；160②磨損嚴重的部位采用高質(zhì)量的切削齒，增加局部耐磨性。其它部位最小間距不同質(zhì)量圖12實際鉆頭布齒密度展示161最小間距不同質(zhì)量圖12實際鉆頭布齒密度展示39③采用不同尺寸的切削齒，增加易磨損部位局部的耐磨性.162③采用不同尺寸的切削齒，增加易磨損部位局部的耐磨性.40大小齒組合圖12大小齒組合的強化方式163大小齒組合圖12大小齒組合的強化方式41④優(yōu)化鉆頭的冠部形狀，以增加磨損嚴重的部位的總弧長，以在此部位放置更多的齒。164④優(yōu)化鉆頭的冠部形狀，以增加磨損嚴重的部位的總弧長，以在此部局部強化設(shè)計的主要內(nèi)容①鉆頭易損壞部位局部強化設(shè)計；②適當強化保徑部位的布齒密度；③內(nèi)錐部位的布齒以等切削體積原則設(shè)計；④鉆頭的冠部形狀、刀翼數(shù)量根據(jù)地層條件確定；⑤鉆頭切削齒的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)地層條件參考優(yōu)化設(shè)計結(jié)果確定。⑥通過改變刀翼的角度達到平衡力設(shè)計。165局部強化設(shè)計的主要內(nèi)容①鉆頭易損壞部位局部強化設(shè)計；434、PDC鉆頭的優(yōu)化設(shè)計在進行設(shè)計理論研究的同時，還對鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化，這些優(yōu)化設(shè)計包括：1664、PDC鉆頭的優(yōu)化設(shè)計在進行設(shè)計理論研究1）鉆頭結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計與仿真1671）鉆頭結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計與仿真45三維仿真三維結(jié)構(gòu)設(shè)計展示168三維仿真三維結(jié)構(gòu)設(shè)計展示4616947圖15三維干涉驗證170圖15三維干涉驗證48圖21鋼體三維設(shè)計171圖21鋼體三維設(shè)計49水力結(jié)構(gòu)參數(shù)的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計

噴嘴角度與位置是有限元數(shù)值模擬的計算結(jié)果。使射流的攜巖效果和水射流輔助破巖效果都達到最優(yōu)。172水力結(jié)構(gòu)參數(shù)的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計噴嘴角度與位置是有刀翼及水道的三維設(shè)計

為使巖粉盡快排離井底，避免出現(xiàn)二次破碎現(xiàn)象，防止鉆頭泥包，在鉆頭強度允許的前提下，最大限度的增加過流空間。173刀翼及水道的三維設(shè)計為使巖粉盡快排離井底，避免2）水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計利用ansys軟件進行了水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計1742）水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計利用ansys軟件進行了水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化窄刀翼流道深中心噴嘴大角度圖18水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果175窄刀翼流道深中心噴嘴大角度圖18水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果5短保徑保徑齒出刃圖18保徑部分結(jié)構(gòu)設(shè)計176短保徑保徑齒出刃圖18保徑部分結(jié)構(gòu)設(shè)計541775517856179571805818159182601836118462二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計1、針對深部地層研磨性強的特點，采用了大量新型金剛石含量更高、抗沖擊能力更強、壽命更長的復合片。使PDC鉆頭的抗沖擊、抗研磨性以及使用壽命大幅度提高。三)針對具體地層的鉆頭優(yōu)化設(shè)計技術(shù)185二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計1、針對深部地層研磨性強的特點，采用了大量加厚環(huán)槽蜂窩鑲嵌齒-Hammer

二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計金剛石層與碳化鎢基坐結(jié)合更牢固，應(yīng)力更分散，外環(huán)增加一圈金剛石層的同時增加了復合片的金剛石含量。環(huán)槽型的鑲嵌方式增加了復合片的抗沖擊性，切削齒的金剛石層厚度2.29mm，比普通切削齒的金剛石含量增加1倍。極大地提高了齒的抗沖擊性和抗研磨能力。186加厚環(huán)槽蜂窩鑲嵌齒-Hammer二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計金剛GT齒是新近開發(fā)的超強切削齒，增大了金剛石層與碳化鎢基座間的接觸面積，提高了切削齒抗沖擊能力，是夾層、高研磨性地層的專用切削齒。GT加厚齒二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計187GT齒是新近開發(fā)的超強切削齒，增大了金剛石層與碳化鎢基Reed公司超強切削齒--TRex超級熱穩(wěn)定抗磨層聚晶金剛石層碳化鎢齒座極強的熱穩(wěn)定性抗研磨性提高了400%機械鉆速提高了40%二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計188Reed公司超強切削齒--TRex超級熱穩(wěn)定抗磨層聚晶金剛石TITAN-Ⅱ齒

◆整體結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金支撐座◆較厚的金剛石層◆較低的殘余應(yīng)力，平均降低20-50%◆較高的抗沖擊性（提高了兩倍以上）◆較好的抗研磨性（提高了約30%）二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計189TITAN-Ⅱ齒◆整體結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金支撐座二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計DRAGON齒

由于其獨特的金剛石層與碳化鎢基座間的連接方式，抗研磨和抗沖擊綜合性能良好，主要用于鉆頭主切削部位：肩部和鼻部外側(cè)。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計190DRAGON齒由于其獨特的金剛石層與碳化鎢基2、針對上部軟--中硬地層特點，采用鋼體式、大螺旋刀翼、大排屑流道設(shè)計。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計1912、針對上部軟--中硬地層特點，采用鋼體式、大螺旋刀翼、大鋼體鉆頭沒有胎體鉆頭燒結(jié)時的殘余應(yīng)力，抗沖擊、抗回旋能力強。加長了碳化鎢基座長度來保證有足夠的焊接面積，允許切削齒出刃高，刀翼高度比普通鉆頭增高一倍，使鉆頭的攻擊性大大增強；大螺旋刀翼設(shè)計可有效地防止鉆頭發(fā)生回旋，使鉆頭工作更加平穩(wěn)。大排屑流道設(shè)計，可以更加有效地使鉆屑及時清離井底，避免重復切削，提高鉆頭功效，防止鉆頭泥包。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計192鋼體鉆頭沒有胎體鉆頭燒結(jié)時的殘余應(yīng)力，抗沖擊、抗3、針對地層軟硬交錯、切削齒吃入地層不均等引起的鉆頭蹩、跳現(xiàn)象，采用多種抗回旋設(shè)計技術(shù)。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計1933、針對地層軟硬交錯、切削齒吃入地層不均等引起的鉆頭蹩、跳現(xiàn)①、切削齒力平衡設(shè)計采用專門的計算機軟件，對每一個切削齒進行受力分析計算，把切削齒在井底承受的軸向與徑向不均衡的交變載荷控制在最小范圍內(nèi)，極大地提高了鉆頭在井底的工作穩(wěn)定性。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計②、非對稱刀翼設(shè)計以抗回旋設(shè)計為基礎(chǔ)，能有效控制和削弱鉆頭在井下工作時的回旋效應(yīng)，提高鉆頭工作的平穩(wěn)性。194①、切削齒力平衡設(shè)計采用專門的計算機軟件，對每一個③、螺旋刀翼與螺旋保徑設(shè)計與直刀翼和直保徑設(shè)計相比，螺旋刀翼可提高刀翼的布齒密度，增大與井底的接觸面積，降底鉆頭扭矩，提高鉆頭壽命。采用螺旋保徑可降低鉆頭有效規(guī)徑的長度，增大保徑面積，改善PDC鉆頭對井眼軌跡的控制能力。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計195③、螺旋刀翼與螺旋保徑設(shè)計與直刀翼和直保徑設(shè)計相④、防碰齒(減震齒)設(shè)計平衡井底產(chǎn)生的徑向與軸向震動載荷，使鉆頭在井下工作更平穩(wěn)，防止鉆頭出現(xiàn)切削齒先期破壞；同時防止鉆頭修邊齒與保徑齒吃入地層，引起鉆頭發(fā)生回旋，提高鉆頭鉆穿砂、礫巖夾層的能力，避免在軟硬交錯地層損壞切削齒，保護鉆頭。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計196④、防碰齒(減震齒)設(shè)計平衡井底產(chǎn)生的徑向與軸4、針對抗壓強度高或彈塑性強的地層特點采用的鉆頭優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計1974、針對抗壓強度高或彈塑性強的地層特點采用的鉆頭優(yōu)化設(shè)計技術(shù)①、尖圓混合齒設(shè)計尖齒因與地層接觸面積小受力集中，鉆遇抗壓強度高或彈塑性較大的地層易于吃入，巖石在較大的接觸應(yīng)力作用下產(chǎn)生先期破碎裂紋。隨著鉆頭的不斷旋轉(zhuǎn)，尖齒在巖石中切出一條條軌道形“卸荷”槽，緊隨其后的圓形切削齒則以剪切方式切削強度已大大減弱的大塊巖石，達到快速鉆進的目的。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計198①、尖圓混合齒設(shè)計尖齒因與地層接觸面積小受力②、切削齒負前角的調(diào)整

對于常規(guī)設(shè)計，為保證PDC鉆頭的使用壽命，切削齒負前角一般為20°、25°、30°，鉆頭吃入地層能力差，攻擊性不強。針對不同深度的不同巖性在兼顧鉆頭壽命的前提下，適當減小負前角，增強切削齒吃入地層的能力，可獲得較高的機械鉆速。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計199②、切削齒負前角的調(diào)整對于常規(guī)設(shè)計，為保證P5、針對山前上部地層傾角普遍較大的特點，采用短保徑優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

縮短鉆頭保徑能減小鉆頭與井壁接觸產(chǎn)生的扭矩。降低了保徑表面積而增加了鉆頭單位保徑表面積的接觸力，增強了鉆頭的側(cè)向切削能力，配合鐘擺鉆具組合，有利于井斜控制。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計2005、針對山前上部地層傾角普遍較大的特點，采用短保徑優(yōu)化設(shè)計技6、針對長裸眼段、鹽膏層等復雜地層特點，采用倒劃眼齒優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。針對長裸眼段、鹽膏層等復雜井段，以及定向井鉆井，采用適合于倒劃眼工藝的設(shè)計，每個刀翼加裝倒劃眼齒，以利于在易縮徑井段順利倒劃起出鉆頭。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計2016、針對長裸眼段、鹽膏層等復雜地層特點，采用倒劃眼齒優(yōu)化設(shè)計7、針對地層易水化膨脹造成鉆頭泥包的地層特點，采用防泥包優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。

二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計FS系列鉆頭全部進行了負離子處理，鉆頭表面呈負電。使帶負電荷的泥巖鉆屑與帶負電荷的鉆頭體之間產(chǎn)生相互排斥作用，從而達到防泥包目的。2027、針對地層易水化膨脹造成鉆頭泥包的地層特點，采用防泥包優(yōu)化8、調(diào)整切削齒出刃高度，提高鉆頭攻擊性隨著切削齒外觀結(jié)構(gòu)的改變、金剛石含量的增加和焊接工藝的改善，與鉆頭攻擊性密切相關(guān)的切削齒出刃高度有了進一步提高。該技術(shù)在鋼體鉆頭上獲得廣泛應(yīng)用并取得很好的效果。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計2038、調(diào)整切削齒出刃高度，提高鉆頭攻擊性隨著切削齒9、低扭矩保徑優(yōu)化設(shè)計技術(shù)保徑部位覆焊一層天然金剛石耐磨層，可大幅度提高保徑壽命，同時可以降低保徑與井壁的磨擦扭矩。

二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計2049、低扭矩保徑優(yōu)化設(shè)計技術(shù)保徑部位覆焊一層天然金10、高密度鉆井液體系下采用負壓噴嘴技術(shù)

常規(guī)噴嘴在井底產(chǎn)生的是正壓力場，在高密度鉆井液體系下它對井底鉆屑有較強的壓持作用，不利于有效快速清洗鉆屑。而負壓噴嘴在井底產(chǎn)生的是負壓力場，對井底鉆屑的壓持作用轉(zhuǎn)變?yōu)槌槲饔?，起到快速、高效清巖的作用，提高機械鉆速。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計20510、高密度鉆井液體系下采用負壓噴嘴技術(shù)常規(guī)噴嘴在井11、采用計算機軟件優(yōu)化金剛石鉆頭設(shè)計

①3D井下動態(tài)模擬軟件設(shè)計技術(shù)

3D動態(tài)模擬軟件可對鉆頭在井底工作時向前回旋、向后回旋和鉆井過程鉆具滑移狀態(tài)進行模擬，及時改進不合理設(shè)計，確保鉆頭下井后處于最佳工作狀態(tài)。二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計20611、采用計算機軟件優(yōu)化金剛石鉆頭設(shè)計①3D井下動態(tài)模擬軟②水力分布優(yōu)化設(shè)計軟件技術(shù)

針對不同尺寸、不同刀翼數(shù)、鉆遇不同的地層巖性，利用水力分布優(yōu)化設(shè)計軟件，充分考慮鉆頭在井底工作需要的清洗、冷卻、攜沙作用，從鉆頭水力設(shè)計到水眼分布作到合理完善，保證鉆頭獲得最大的破巖水力功率。

二、鉆頭優(yōu)化設(shè)計207②水力分布優(yōu)化設(shè)計軟件技術(shù)針對不同尺寸、不同刀翼數(shù)、三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)1、利用鄰井相關(guān)井段的聲波時差、伽瑪時差、密度及孔隙度測井數(shù)據(jù)，計算出代表巖石硬度的抗壓強度和代表巖石研磨性的內(nèi)摩擦角數(shù)據(jù)，形成相關(guān)的曲線，再利用大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)形成的金剛石鉆頭選型依據(jù)，初步判斷每一井段鉆頭選型的可行性，進而形成全井段鉆頭的選型方案。推薦的金剛石鉆頭適用范圍：巖石抗壓強度數(shù)據(jù)小于50000Psi，巖石內(nèi)摩擦角數(shù)據(jù)小于430。(一)、選型方法208三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)1、利用鄰井相關(guān)井段的砂巖頁巖伽瑪曲線聲波曲線抗壓強度內(nèi)摩擦角鉆頭選型曲線三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)209砂巖伽瑪曲線聲波曲線抗壓強度內(nèi)摩擦角鉆頭選型曲線三2、依靠鄰井鉆頭使用資料、通過對各井段鉆頭磨損情況、巖性的分析，結(jié)合以往積累的鉆頭使用經(jīng)驗來初步確定鉆頭選型。最后，利用前述巖石力學分析軟件提供的鉆頭選型結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場積累的鉆頭選型和使用經(jīng)驗，針對各井段作出最后相對準確的鉆頭選型。目前采用這種計算分析數(shù)據(jù)和積累經(jīng)驗二者相結(jié)合的方式被塔里木油田廣泛采用，鉆頭選型的準確性有了大幅的提高。三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)2102、依靠鄰井鉆頭使用資料、通過對各井段鉆頭磨損(二)、PDC鉆頭選型考慮的主要因素1、巖石的性質(zhì)2、布齒密度的選擇3、切削齒尺寸的選擇4、切削齒負前角的確定5、鉆頭冠部形狀的確定6、保徑長度的確定三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)211(二)、PDC鉆頭選型考慮的主要因素1、巖石的性質(zhì)三、PDC●巖石的性質(zhì)PDC鉆頭主要用于泥巖、砂巖、以泥質(zhì)膠結(jié)為主且膠結(jié)松散的小粒徑礫巖、膏巖和灰?guī)r等地層。試驗統(tǒng)計及現(xiàn)場應(yīng)用情況表明：對于砂、泥巖互層，當?shù)貙涌箟簭姸鹊陀?0,000psi，泥巖成份占巖石總量的40%以上時，PDC鉆頭的使用效果最好。火成巖一般不適合使用PDC鉆頭。三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)212●巖石的性質(zhì)PDC鉆頭主要用于泥巖、砂巖、以泥質(zhì)膠結(jié)為●布齒密度確定原則根據(jù)巖石抗壓強度，確定合理的PDC布齒密度巖石硬度抗壓強度(psi)布齒密度很低硬度0~8,000低布齒密度中等硬度8,000~16,000中等布齒密度高硬度16,000~32,000高布齒密度極高硬度32,000~50,000高布齒密度(超強齒)三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)213●布齒密度確定原則根據(jù)巖石抗壓強度，確定合理的PDC布齒密度●切削齒尺寸的選擇根據(jù)巖石抗壓強度，選擇合理的切削齒尺寸巖石硬度抗壓強度(psi)切削齒尺寸很低硬度0~8,00019—24mm中等硬度8,000~16,00016—19mm高硬度16,000~32,00013—16mm極高硬度32,000~50,0008—13mm(超強齒)三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)214●切削齒尺寸的選擇根據(jù)巖石抗壓強度，選擇合理的切削齒尺寸巖石●切削齒負前角的確定普通PDC齒為了保證一定壽命，負前角一般為20°、25°、30°，鉆頭吃入能力差，攻擊性不強。采用新型切削齒后，根據(jù)地層硬度適時調(diào)整切削齒負前角，使鉆頭能獲得較高的機械鉆速和壽命。推薦的負前角如下：巖石硬度抗壓強度(psi)切削齒負前角很低硬度0-8,00015°、18°、20°中等硬度8,000-16,00017°、20°、25°高硬度16,000-32,00020°、25°、30°極高硬度32,000~50,00025°、30°、35°三、PDC鉆頭綜合選型技術(shù)215●切削齒負前角的確定普通PDC齒為了保證一定壽命●鉆頭冠部形狀的確定常見鉆頭冠部形狀有三種：長拋物線型、中等拋物線型、短拋物線型。它是決定鉆頭攻擊性的重要因素之一。長拋物線型(AG526)中等拋物線型(G544)短拋物線型(DS