石油钻头技术现状及未来发展方向

石油钻头技术现状及未来发展方向石油钻头的分类1.牙轮钻头2.金刚石钻头一、牙轮钻头的分类（1）按牙齿的固定方式分为：镶齿和铣齿（2）按轴承类型分为：滚动轴承和滑动轴承（3）按密封类型分为：橡胶密封和金属密封（4）按牙轮数量分为：单牙轮钻头、双牙轮钻头和三牙轮钻头铣齿牙轮钻头和镶齿牙轮钻头钻头轴承轴承牙轮钻头、双牙轮钻头、三牙轮钻头钻头二、牙轮钻头的新技术牙齿技术轴承技术轴承密封技术牙齿技术1、美国犹他州立大学为Smith公司开发出了蜂窝状金刚石牙齿材料，其耐磨性与聚晶金刚石相当，但其韧性和耐冲击性显著提高2、二次烧结硬质合金牙齿技术。二次烧结硬质合金材料由具有较高硬度和研磨性的微粒和具有较高韧性的基体材料共同组成。微粒是由更小的硬质合金粉末和粘接剂烧结而成，基体材料一般是钴合金粘接剂，其中加入了碳化物、氮化物、硼化物等以提高基体材料的耐磨性；硬质微粒和基体材料在一定的压力和温度下烧结后形成的新材料在保持原有耐磨性的基础上韧性大大提高，因此二次烧结硬质合金牙齿可用于高研磨性、高硬度地层的钻头。3、金刚石加强牙齿技术。金刚石加强牙齿就是与PDC钻头复合片类似的聚晶金刚石复合牙齿，这种牙齿耐磨性非常好，但成本也非常高，一般用于保径结构，但最近也出现了全部使用金刚石加强牙齿的钻头，主要用于研磨性极高的地层。轴承新技术滚滑轴承技术。此技术采用了滚动、滑动两种摩擦副相复合的结构，在保持滑动轴承高承载能力的同时，显著提高了轴承适应高转速的能力。使用该轴承的钻头能适应高达400rpm的高转速。轴承密封技术1、Hughes公司于1988年取得牙轮钻头金属密封专利，通过不断改进，近年，在单金属密封的基础上进行了金属表面特殊强化处理，改进密封系统的结构，开发出了新一代单金属密封，明显提高了密封效率以及整个轴承系统的可靠性，延长了钻头寿命。2.HAR橡胶密封技术是Hughes公司近年在橡胶密封的基础上不断改进的新型橡胶密封结构。这种密封结构的优点在于其形状特殊的密封圈实现较高的压缩比，因而能更有效地补偿密封面的磨损，为轴承提供更稳定的密封性能。3.Gemini双密封技术是Smith公司的一项特色技术，密封系统包括两道密封圈——主密封和保护主密封的次密封，该密封系统在高压、高温、腐蚀性井底环境中能保持良好的持久性和可靠性。三、金刚石钻头的分类（1）PDC钻头（2）TSP钻头（3）天然金刚石钻头PDC钻头PDC钻头是近年来发展最迅猛的油气井钻头，总进尺已经超过牙轮钻头。PDC钻头技术的发展和推广应用，直接推动了全世界钻井速度的显著提高。PDC钻头的主要优势1、以切削（剪切）原理工作，破岩能耗低。2、PDC复合片具有超强的硬度、耐磨性和自锐性3、PDC钻头属固定齿钻头，没有活动件，工作可靠性高复合片复合片PDC钻头的分类胎体PDC钻头优点：耐冲蚀，制造周期短缺点：刀翼韧性不及钢体钻头钢体PDC钻头优点：刀翼韧性好，易实现深水道设计缺点：耐冲蚀能力不及胎体钻头，制造周期较长。胎体PDC钻头和钢体PDC钻头钻头PDC钻头的类型钻头TSP钻头主要优点：1.热稳定性高，在高温下（1200℃）仍能保持高硬度，不发生热磨损。2.抗研磨性高，相对于常规PDC齿能钻进更硬，更具研磨性的地层。3.齿的出露高度大于天然金刚石，因而吃入地层更深，钻速更快。4.能在高速下工作。TSP聚晶片聚晶TSP钻头钻头天然金刚石钻头天然金刚石钻头的主要优势：以挤压、研磨原理工作以天然金刚石为切削元件，直接烧结于碳化钨胎体表面。适用于高研磨性地层，硬到极硬地层钻进。能在高速下工作。天然金刚石颗粒天然金刚石钻头钻头四、PDC钻头的设计1．钻头冠部轮廓的设计2．切削齿选择、切削结构布置、力平衡设计3水力设计4保径的设计钻头冠部轮廓的设计PDC钻头冠部轮廓设计是在单锥、浅锥、双锥三种基本轮廓上进行的从设计上讲，无论采用何种冠部剖面形状，最终都是为了满足“易于布齿，便于加工，保证质量，提高效率”的原则。针对不同油田地层的特点，采用等磨损原则和等切削原则相结合进行冠部轮廓设计，在三种基本轮廓理论曲线方程进行拟合的基础上，结合钻头设计经验和使用钻头类比，确定出适合钻进该地层的钻头冠部轮廓形状。双圆弧形轮廓剖面具有的特点使得钻头表面尽可能有效地布置切削齿，而且使钻头从鼻部切削齿到保径切削齿能够圆滑地过渡。浅内锥可以较好的保证钻头的导向性能，短外锥可以减小钻头与井壁的接触面积，从而减小了钻头的与井壁之间的摩擦力。而且短外锥对侧向位移不很敏感。外形较短而且呈浅锥式圆形设计提高了钻头定向反应灵敏度。切削齿选择、切削结构布置、力平衡设计切削齿选择及切削结构设计①②③④切削齿的大小尺寸切削角度布齿密度布齿方法力平衡设计①②力平衡设计可显著降低由钻头的切削作用而产生的井下振动，增加钻头工作时的稳定性，从而提高钻头的使用寿命采用阶梯螺旋状刀翼结构分散了切削齿切削地层时产生的指向井壁的切削力，减小了钻头螺旋状刀翼与井壁间的接触应力，因而减少了钻头发生回旋运动的次数。螺旋式刀翼能使切削齿自然呈现一定的侧转角，有助于钻井液携带岩屑，清洗井底。水力设计PDC钻头的水力结构关系到钻头的工作性能好坏和使用寿命的长短。针对以前PDC钻头的水力结构和钻头冲蚀特征，对新型PDC钻头的水力结构作如下设计：A.B.调整喷嘴的方位角和喷射角度增加钻头排屑槽的深度五、胎体PDC钻头之模具激光快速成型工艺传统的PDC钻头制造工艺在一定程度上制约了PDC钻头性能的进一步提高，主要存在以下缺点：1）压模成型、铣模成型等传统制造工艺制造精度不高，使PDC钻头的设计水平很难在生产制造中有效体现；2）传统制造工艺不能实现复杂结构钻头的加工；3）由于PDC钻头对地层比较敏感，需要针对不同的地层开发不同的钻头，传统制造工艺制造周期长，不能对市场作出高效快捷的反应。需要解决以下问题：（1）从几种典型的激光快速成型工艺中选择适合胎体PDC钻头的模具成型工艺；（2）公模成型材料的选择及成型工艺研究；（3）烧结模具成型材料的选择及成型工艺研究。激光快速成型工艺及设备材料选择胎体PDC钻头模具激光快速成型工艺选择较成熟和典型的工艺有:光固化法（ＳＬA）、激光选区烧结法（ＳＬＳ）、熔积法（ＦＤＭ）、叠层法（ＬＯＭ）等。由于不同的快速成形技术具有不同的特点，因此要根据不同的使用要求进行恰当的选择，选择中要综合考虑成型件的尺寸大小、成型件的精度要求、成型件的用途、成型件的形状、以及成型件的材质要求等等，还要权衡制作成本。为了选择出适合PDC钻头模具成型的最优方法，对四种典型激光快速成型工艺的特点进行比较:SLA工艺精度高，表面质量好，材料利用率高，生产效率高，设备市场占有率高，是现场较为认可的激光快速成型工艺。激光快速成型机选择通过对国内外生产的SLA激光成型机比较看，诸如美国3DSYSTEMS公司的产品价格昂贵，一般企业难以承担其高昂费用，国内西安交通大学研究SLA激光快速成型机较早，已经生产出SPS系列产品，产品质量较好。现场所使用的PDC钻头规格一般在171/2以下，选用SPS600型激光快速成型机可以满足生产要求。光敏树脂选择液态光敏树脂在国内常使用的有：进口的DSMSomosProtoTherm12120光敏树脂、DSMSomosWaterShed11120光敏树脂、DSMSomosProtoTherm14120光敏树脂；国产的SPR-3010型光敏树脂、SPR-3001型光敏树脂。由于进口光敏树脂价格昂贵，国内厂家一般选用国产光敏树脂。综合各项指标来看，SPR-3001型光敏树脂在线收缩率、拉伸强度等方面具有优势，故使用SPR-3001型光敏树脂。激光快速成型技术加工的钻头阴模公模成型材料的选择双组分室温硫化硅橡胶具有以下性质:①良好的化学稳定性、无毒、无腐蚀性。②流动性好,能自动充满模具。③可控制硫化速度,室温常压下硫化,便于操作。④良好的脱模性。⑤仿真性强,纹饰逼真。⑥制模速度快,一般在20h内即可制成模具。因此双组分室温硫化硅橡胶是PDC钻头公模成型的最佳材料试样编号配比R：C固化时间/min1100:2.5152100:1.5223100:1384100:0.780固化剂用量变化的影响温度/℃12182430固化时间/min62463729温度对固化时间的影响综合考虑制模过程所需时间及不同温度和不同配比固化时间的不同，决定采用3号配方。烧结模具成型材料优选及成型工艺1烧结模具壳体材料选择2烧结模具成型材料选择从覆膜砂模具成型工艺和陶土成型工艺的特点可以看出：覆膜砂模具成型工艺需要200～300℃的温度，而用于形成PDC钻头烧结模具的母模由硅橡胶制成，不能承受覆膜砂模具成型工艺所需要的温度，因而覆膜砂模具成型工艺不能用于PDC钻头烧结模具的成型，但由于烧结模具中喷嘴流道替代块不受温度限制，覆膜砂比陶土溃散性好，便于流道的清理，适于作流道替代块。陶土成型工艺简单，没有温度要求满足PDC钻头烧结模具的成型要求。但陶土导热性差，研制了导热材料与其混合使用，基本消除了产品废品的产生。3烧结模具成型工艺研究工艺切削齿角度（°）切削齿高度（mm）水槽位置（mm）新工艺0-0.10-0.150-0.1压模成型0.5-1.00.2-0.80.1-0.8铣模成型0.5-1.00.2-1.00.2-1.0PDC钻头模具激光快速成型工艺效果分析与传统工艺的加工精度对比由表中数据可以看出新工艺加工成的烧结模具精度大幅度提高新工艺压模工艺铣模工艺工序时间（h）工序时间（h）工序时间（h）母模加工8母模加工56母模加工8胶模加工1.5胶模加工3胶模加工16陶瓷模加工1.5陶瓷模加工陶瓷模加工新产品开发周期12新产品开发周期59新产品开发周期24批量生产后周期1.5批量生产后周期3批量生产后周期24与传统工艺的加工周期对比从表中可以看出，采用新工艺的新产品开发周期较压模成型工艺和铣模成型工艺的开发周期分别缩短了391.67%和100%；批量生产的生产用时较两者分别缩短了100%和1500%。由以上对比分析可以看出：新工艺可以实现复杂形状钻头的制造生产，并可保证较高的精度要求。新工艺的生产周期比传统工艺的生产周期大大缩短，在很大程度上提高了生产效率，降低了生产成本。钢体PDC钻头之钻头体加工钢体PDC钻头具有刀翼韧性高，可以加工深水槽钻头，所使用材料成本低等优点。钢体PDC钻头的钻头体是应用Pro-E,Solidwork,UG等三维软件在五轴数控机床上加工出来的。其切削齿位置、切削齿角度等有关参数精度较胎体钻头高。五轴联动数控机床数控机床数控中心加工的钻头体钻头体钻头体表面硬化钻头体表面硬化就是在钻头体表面覆焊一层硬质材料，以免钻头体被冲蚀损坏。变频低温钎焊技术1．设备及改装2．钎料的研制3．钎焊工艺设备及改装设计思想1）由于钻头基体较大，使其均匀受热难度较大，使钻头基体均匀受热是设备改装的重点。2）在钻头切削齿的过程中，基体散热较快，影响焊接温度，保证基体的温度基本不变。3）切削齿的温度不能超过750℃，否则钻头寿命会受到较大影响，需要有温度控制系统。设备的改装1）感应器的设计感应器是感应加热的关键，感应器的好坏直接影响到电—热转换效率、升温速度及加热温度，影响着切削齿的焊接质量。根据切削齿的焊接要求和具体条件如钻头尺寸、极限加热温度、升温速度和时间等，涉及不同结构的感应圈以满足使用要求。2）温控系统温控系统就是要实现较为准确的温度控制，保证切削齿的焊接质量，为此，该装置配置了红外线测温系统，将温度限定在涉及要求范围内。3）其他辅助机构为了钻头切削齿焊接的方便快捷，特别设计了液压升降工作台及行走机构，降低了工人的劳动强度。钎料的研制对研制的钎料要求是：1）钎料应能很好的润湿硬质合金，具有良好的冶金相容性；2）有足够的接头强度、塑性，能耐泥浆侵蚀；3）尽量不使用贵金属，成本要低。编号