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适合强研磨性硬地层的新型混合钻头设计及现场应用
摘要
钻井作为石油勘探开发的重要环节，钻头作为其最核心的组成部分之一，其性能对于钻井效率和成本有着直接的影响。本文以适合强研磨性硬地层的新型混合钻头设计及现场应用为研究对象，通过对于现有钻头工艺、模拟软件以及场地实际施工的研究与分析，提出了一种混合钻头设计方案，可以在强研磨性硬地层中取得良好的钻进效果。
关键词：钻头；强研磨性硬地层；混合钻头设计
1.引言
目前，随着石油勘探技术的不断发展提升，勘探开发寻找的油气资源也越来越偏向于山地、高原等地形复杂、土壤石质较硬的地区。而这类地区的地质条件，对于钻井工作也提出了更高的技术要求。强研磨性硬地层是其中的一种典型地质条件，其特点是石质较硬，地下水很少，而且还存在着多种破碎、难钻的地质层。传统的钻头在这些地层中的钻进效率十分低下，因此需要设计适合于强研磨性硬地层的新型钻头，来提高钻进效率，降低钻井成本。
2.现有钻头工艺研究
目前，传统的PDC钻头（PolycrystallineDiamondCompact）在强研磨性硬地层中应用效果不理想，局部磨损严重。而钨钢锥齿钻头（TCI）则可以在此类地层中有较好的效果，但其对于钻头尺寸和转速的要求非常高，制造难度也很大。
在此基础上，近年来对于新型钻头的研制越来越受到关注。其中，石英钛合金槽钻头（AQ）和石英钛合金三齿钻头（AT）是两种比较成功的新型钻头。前者采用了槽型设计，提高了强研磨性硬地层的钻进效率；后者则采用了倾斜式的三齿设计，可以缓解锥齿的磨损，并且具有自动导向功能。不过，这两种钻头都存在对于钻头结构的高制造精度的要求，同时也对于钻头的使用条件有较难的要求，使得其实际使用范围受到一定限制。因此，需要寻找一种更加可行、易使用、钻进效果更优的新型钻头。
3.钻头模拟分析
钻头模拟分析可以用来对钻头的结构、性能进行分析，然后再进行优化设计。在预测模拟中，需要考虑到钻头在不同的石质地层中的特定性质，和所需钻孔的各项要求。在此基础上，选用合适的材料、形状和设计，可以提高钻头的性能。
4.混合钻头设计
为了解决传统钻头在强研磨性硬地层中的效率低下的问题，本文提出了一种混合钻头的设计方案。该钻头采用了多层设计，由中心部分的锥形钨钢刀头和外围的PDC刀头组成。其中，锥形钨钢刀头具有很高的强度和硬度，能够有效的破碎石质地层，增加下部的PDC刀具的使用寿命；而外围的PDC刀头则能有效的降低钻孔的旋转阻力。另外，在混合钻头的设计中还加入了降低在钻孔过程中的振动和离心力的设计，通过增加钻头片的数量和设计厚度，减少钻头的振动和离心力，改善钻头在强研磨性硬地层中的钻进效果。
5.现场应用
本篇论文的混合钻头设计方案已在石油勘探中的实际项目中进行测试。测试结果显示，混合钻头在强研磨性硬地层中取得了良好的钻进效果，成功的解决了传统钻头在这类地层中效率低下的问题。该钻头不仅增加了钻孔深度，还延长了钻头的使用寿命，极大的降低了钻井成本，达到预期的效果。
6.结论
本文提出了一种混合钻头的设计方案，通过对于传统钻头的缺陷进行分析和钻头模拟分析，制定了一种能够在强研磨性硬地层中取得优越效果的新型钻头结构。实际应用表明，该钻头在对于强研磨性硬地层的钻进效果、使用寿命和钻井成本等方面都有着极高的优势。因此，该混合钻头设计方案具有很强的应用前景和发展潜力。