[01085224]深部难钻地层金刚石钻头关键技术研究与应用

研究背景：中国大部分尚未开发的石油天然气资源都埋藏在深部地层，因此，深井、超深井钻井技术在中国油气资源的勘探和开发中占据着至关重要的地位。而深部难钻地层钻井效率低、成本高的情况表现得尤为突出。金刚石钻头是油气钻井中最大且最重要的钻头品种，但金刚石钻头的关键技术--个性化设计技术的水平却明显落后于国外。长期以来，国外在金刚石钻头核心技术方面一直对中国实施着严格的技术保护策略，以达到其垄断市场的目的，即便是对合资企业也不转让钻头设计核心技术。金刚石钻头个性化设计技术水平的落后已经成为严重制约中国石油天然气勘探开发的技术瓶颈之一。成果简介：建立了三维六自由度的复杂运动条件金刚石钻头几何学、运动学以及切削力学理论；建立了金刚石钻头与岩石互作用过程的数字仿真理论与计算方法；建立了利用相对变形量强度准则度量脆性岩石破碎的理论和方法，以及用常规弹性力学模型和带密实核的弹性力学模型分阶段描述单齿吃入岩石力学行为的理论和方法。建立了包括径向布齿、周向布齿、冠部轮廓设计等内容的优化布齿设计理论和方法，以及Pdc钻头水力结构优化设计技术，开发了Pdc钻头优化设计软件。建立了基于测井资料的岩石组分与强度理论相结合的力学性质解释模型以及针对井段的Pdc钻头优选模型。研究开发了以Pdc钻头工作条件优化为目的的钻柱-工具-岩石-钻头系统动力学仿真技术。利用该成果形成的金刚石钻头破岩理论、实验研究、设计分析技术及应用技术为支撑，开发了多种个性化金刚石钻头产品，取得了很好的应用效果。在解决难钻地层破岩率低的难题，缩短建井周期，降低油气田开发的钻井成本等方面具有重要意义。应用情况：该研究成果已经在国内各大Pdc钻头生产企业进行了推广应用，极大提高了这些企业的产品研发的能力，创造了巨大的直接经济效益。同时，通过与钻头企业和油田单位的联合攻关，成功开发出多种针对复杂钻井条件下的个性化Pdc钻头产品，并在油田生产中得到了广泛应用，大大提高了钻井速度和钻井安全性，降低了钻井成本，取得了显著的经济效益和社会效益，为各大油田及钻头企业创造经济效益11.64亿元。