金刚石钻头选型与应用

使用环境因素包括： 第一、地层岩性和压实强度。 第二、使用的钻井参数。包括钻压、转速和排量，PDC的刚脆性要求钻头旋转 要平稳、减少振动，根据钻头厂家推荐的钻井参数选择合适的钻压和转速组 合以减少振动，防止跳钻和溜钻；PDC的热敏性要求选择合适的排量，以达到 清洗和冷却切屑齿。通过水力参数计算，一般选择的排量要求钻头喷嘴的射 流冲击力要达到40米/秒以上，钻头比水马力要达到1.5马力/in2以上，以满 足清洗岩屑和冷却PDC的要求，泥浆环空最低返速达到0.6-1米/秒。 第三、泥浆性能。一般说来，PDC钻头在油基泥浆中使用效果要比水基泥浆要 好。但是，由于环境保护方面的要求和规定，以及使用后高昂的泥浆处理费 用，使油基泥浆在很多区域无法使用。目前在矿物油和甘油泥浆基础上新开 发的合成体系泥浆，以及在水基泥浆中加入降磨阻剂、使用低固相优质泥浆 和低密度泥浆等新技术，都有助于提高PDC钻头的机械钻速。 在地质条件一定的情况下，使用合适的钻井参数和低固相优质泥浆体系是提 高PDC钻头使用效果切实可行的技术措施。
五、钻水泥塞 1、首先确定套管鞋是否是PDC钻头可钻的。 2、若是PDC可钻的，则采用低钻压、低转速缓慢钻进，若胶塞随钻头一起转 动，则上提钻具，重新钻进，直到有效切入。 3、 若是PDC不可钻的，则用牙轮钻头钻进，并把井底打捞干净，再下PDC钻 头钻进。 六、 造型 1、保持额定排量、下放钻头至井底。 2、采用10-20KN的钻压、60rpm转速缓慢钻进至少1米，以建立井底模型。 3、以每次10KN的增加量将钻压增至正常钻进最佳值。 保持钻压恒定调整转速以便获得最佳的钻进参数组合。
TITAN
HAMMER KILLER
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） 很多服务公司和钻井承包商使用岩石抗压强度软件来确定地层的硬度值。这些计算 机分析岩石抗压强度模式使用了测井分析技术，主要分析和确定地层的三轴抗压强 度。 岩石抗压强度分析软件可以协助钻井承包商确定PDC钻头可钻的井段，优化钻头选 型，确定最优钻井参数。该软件的开发应用，为扩大PDC钻头的使用范围起到推进作 用。
PDC钻头冠部形状高度代号
短 ＜58mm 中 (58~114mm ) 长 ＞114mm
1
1 稀 ≤30 2 3 4
＞24
14~24 ＜14 ≤8
1
2 中 30＜齿数≤40 M S 3 密 40＜齿数≤50 2 3 4
＞24
14~24 ＜14 ≤8
1
2 3 4
＞24
14~24 ＜1
1
4 高密 ＞50 2 3 4
使用PDC钻头的优势
PDC钻头是人造聚晶金刚石复合片钻头的简称，是 美国石油工业八十年代的一项重大技术新成就。 其基本特点是切削刃锋利耐磨，钻头无轴承，因 而具有在低钻压、高转速措施下工作取得高钻速、 高进尺的效果。从而大大降低钻井周期和钻井成 本。并大大降低井下事故的发生。
钻头选型所需资料
地质资料
– 岩性分析 – 地质分层 – 测井资料
井深 声波时差（DT） 伽玛（GAPI） 密度
钻井工程数据
– – – – – 井身结构 井眼轨迹 泥浆性能 钻具组合 钻井参数
邻井钻头使用资料
PDC钻头IADC编码标准
钻头体材料
胎体 钢体
布齿密度 代号 (当量齿数)
PDC齿直径 代号 分级 代号 尺寸 (mm) 鱼尾 形
抗压强度，1000 PSI
声波是测量声 波在岩石中的 传播速度。地 层硬度越大， 传播速度越快。 声波在测井上 用DT或 t 表 示。
声波DT, t，s/ft
抗压强度与岩石体积密度的关系
抗压强度，1000 PSI 分析方法：
岩石体积密度< 2.5g/cm3 时，地层抗 压强度变化不大，但 > 2.5 g/cm3 时，地层 抗压强度陡升。
金刚石钻头选型与应用
目
录
PDC钻头的发展及适用范围 使用PDC钻头的优势 PDC钻头选型所需资料 PDC钻头IADC编码标准 岩石力学分析及应用 使用环境因素对机械钻速的影响 PDC钻头现场应用注意事项
PDC钻头的发展及适用范围
General Electric公司在1973年研究开发出PDC复合片，在随后的几年内PDC 复合片就被应用到钻头上并具备商业价值。 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。
岩石力学分析在钻头选型中的应用
抗压强度 内摩擦角
岩石抗压强度在PDC钻头选型中的应用
抗压强度 (psi) ＜4000 4000~8000 8000~12000 12000～16000 地层强度 地层强度 类别 级别 极软 软 软～中硬 中硬~硬 1～2 3 4 5 PDC钻头 IADC编码 M/S112~M/S222 M/S122~M/S223 M/S223~M/S323 M/S323~M/S433
刀翼数量
切削齿尺寸 (mm)
≥19
≤5
4～5
5～6 6～7 ＞=8
19
19，16 13 13，8
16000~21000
＞21000
硬
极硬
6
7级以上
M/S433~M/S444
牙轮钻头或巴拉斯钻头或孕镶钻头
内摩擦角在PDC钻头选型中的应用
内摩擦角 (度) ＜10 10~20 20~30 地层强度 地层研磨 类别 级别 极软 软 软～中硬 1～2 3 4 PDC钻头 IADC编码 M/S112~M/S222 M/S122~M/S222 M/S222~M333 刀翼数量 切削齿尺寸 (mm) ≥19 19 19，16，13 13，8
岩石力学分析及应用
岩石力学分析所需测井资料
– 井深 – 声波时差（DT） – 伽玛值（GAPI） – 密度
伽玛值与抗压强度的关系
测井值反应
岩石中放射性
抗压强度，PSI
物质的多少。 泥岩中最多， 砂岩、碳酸岩 等最少。在地 质力学分析软 件中主要用来 分析岩性。
测井值，API
声波时差与抗压强度的关系
常用测井方式、代码和单位
测井代码 DT, DTc RHOB, DEN GR, GRc Pe CAL RES S-POR，S-PORc D-POR，D-POR N-POR ND-POR UCS-psi CCS-psi 测井方式 声波 密度 伽吗 岩性密度 井径 电阻率 声波孔隙度 密度孔隙度 中子孔隙度 中子-密度孔隙度 单轴抗压强度 三轴抗压强度 单位 secs/ft G/cc API B/e in Ohm-m % % % % Psi psi
≤5 5 5～6 7～8
30～41
＞41
硬
极硬
5～6
7级以上
M/S333~M444
其它非PDC钻头
使用环境因素对机械钻速的影响
影响PDC钻头机械钻速的因素有钻头本身的因素和环境因素 钻头本身因素（或内因）包括： 第一、钻头选型。PDC钻头对地层相对比较敏感，根据地层情况选择合适的钻 头型号或根据地层情况进行针对性的设计钻头，是非常重要的，也是PDC 钻 头能否取得较好经济指标的前提和关键。 第二、钻头设计参数和制造工艺。根据钻头的使用情况，进行不断的设计参 数调整和改进。 第三、切屑齿质量。PDC切削齿由一层金刚石复合层和碳化钨基体焊接而成。 金刚石的硬度是钢材的十倍，是碳化钨硬度的两倍。金刚石的耐磨性是目前 已知材料中最高的，它的耐磨性是碳化钨的十倍。但金刚石的弱点是脆性， 容易被冲击载荷破坏。还有金刚石的热敏性，在高温下会燃烧为co2和co，在 空气中约455~860度之间，出现石墨化燃烧。可以认为，金刚石的磨损过程主 要是金刚石中的碳氧化成co2和co气体，然后溶解于钻井液中。 从PDC钻头的发展过程来看，限制PDC钻头使用范围和经济性的因素主要有两 个方面：一是PDC切屑齿断裂或磨损造成钻头寿命较低；二是井底清洗钻头不 良造成机械钻速降低。 解决PDC 钻头的内因问题就是要解决钻头选型、设计、制造工艺和材料质量 的问题。