PDC钻头的绿色设计.docx

1、2.6 绿色设计理念在石油机械产品中的必要性当前，低碳经济发展促使社会能源结构变革成为人类社会发展关注焦点，只是能源开发与利用仍在完善过程中，石油能源仍是人类社会发展不可或缺的重要支撑。对此，在无法规避石油能源使用的过程中，为确保低碳经济及可持续发展的科学构建，尽最大限度来优化石油开展流程，确保石油能源开采的高效，可提高石油能源开采率，降低开采不当造成的石油能源浪费及环境污染，对现代社会可持续发展的低碳经济体系打造意义重大。目前石油开采过程中，石油机械作为石油开采的主要工具，设计上注重绿色环保及可持续发展理念的践行，有助于石油开采中的效率提升，进而保证石油产业生产效能的最大化。因此，重视石油机

2、械绿色设计势在必行，其是石油产业中贯彻低碳及可持续发展的关键所在。在低碳经济与可持续发展理念的共同作用下，现代石油机械在设计中逐渐注重绿色设计的科学应用。因此，为行之有效地开展石油机械的绿色设计，本文详尽明确了绿色设计在石油机械中应用的价值，并在此基础上分别从材料选择、循环利用、液压系统及环保装置等四方面进行绿色设计探讨，科学、精准地分析了绿色设计在石油机械中应用需注意的重点。在此基础上，以优化思维，加强利用率，降低浪费，减小污染为考量，促使绿色设计贯彻低碳环保，绿色可持续发展理念，从而使石油机械成为保护环境的重要支撑，不仅为社会输送高利用率资源，同时亦能减小石油项目开采产生的环境破坏与环境污

3、染。根据我们生活中的基本常识我们可以知道，在石油机械行业所运用到的机械产品大多是以钢铁为原材料的，作为运用最广泛的材料，钢铁由它的特殊性，但是在某些方面也存在着严重的不足之处，比如说，钢铁机械他们不耐腐蚀，随着时间的推移，这些钢铁间会生锈，这就会严重影响到他们的使用性能，而且这种性能的损坏是单一方向的额，是不可逆的，这样就会给我们有限的资源带来极大的浪费。我们要从根本上解决这个问题主要是通过绿色设计的基本理念入手，我们不淡雅重视经济，更要重视我们的生活环境，只有符合现在我们所追求的绿色理念的生产方式，我们都应该大力的支持，这是我们当今社会发展的主流，这也是我们现代人能够为自己的子孙能够做的最后

4、的努力。就根据本论文所提出的问题，解决石油机械的绿色设计的理念。要实现绿色生产不是一蹴而就的，需要多种的影响因素交接在一起，然后我们要综合的考虑各个影响因素之间的相互关系，这样设计出的产品才是我们所需要的。就拿我们现在所研究的石油机械来说，在该产品整个有效的使用寿命的时间内，要时时刻刻与健康无污染这些关键词联系在一起，要考虑整个产品的整个使用的过程当中。所生产的产品首先是使用年限应该与传统设计的理念下生产处的产品相差不大；第二要能够对有限的资源能够节约；第三作为石油机械所产生的废渣应该是最少的，最起码是污染是最小的，第四个阶段，就是在产品的使用年限达到时，能够很容易的拆卸，这样主要可以将废弃物

5、归类，有利于环境的健康发展。对于那些产生废气、工作时产生的声音有着严密的控制，这两个方面也应该能够做得到，这样才能确实的符合我们绿色出行绿色环境的要求。但可以预见，对石油机械产品进行绿色设计势在必行。第 3 章 绿色设计理念背景下石油机械产品的系统分析3.1 石油机械产品的现状分析3.1.1 当前石油机械产品制造企业的现状分析就现在的社会发展而言，在我国像石油机械这样的大型的机械设备大多数由我国的国有企业或者是我国的一些大型企业，但是这些大型企业大多数都是国家控股的股份制企业对于国有企业，在我们的内心中始终会想到，干活是给国家干的，无论自己干的好与坏，最后得到的工资大部分还是相同的，因此，在这

6、些国有企业的生产效率我们可想而知，很多就是毫不关己的，这也导致了一些大型企业公司的效益大大的降低。对于国有企业他们除了自己有着国资的背景意外，再也没有其他的有效的用途。首先，在创新上，国有公司他们拥有的自主产权是最少的，因为他们不依靠自主产权，他们不缺钱，因此就造就了他们对任何产品的生产制造都是不计成本的开发利用，这在某些方面促进了中国对绿色设计理念的发展，首先是引用外资的自主产权，成为自己公司独特的生产线。最近这些年，我国在石油上的开发量逐渐的降低，发生这种情况的主要原因是由于石油是不可再生的产品，是必要的战略物质，我们应该最大程度的节约有限的石油资源，这对我国的石油开采业是一个严峻的考验。

7、在我国社会高度发达的今天，石油机械相关的制造企业设置关键是他们打破了原有的平衡关系，同时他们也存在着很大的精神压力，这样就会逼着这些公司发生转变，他们不仅从外观上做出改变，即使在功能、服务等发面的要求越来越高了，所以以往的一些石油机械产品将会被淘汰，同行业对手带来的压力就会越来越大。随着这样的趋势不断地扩大，一些国内的制造商都会选择联合加工或者是重组公司来达到稳定国内的市场。因此，实施绿色设计，转变管理模式，完善相关企业的产品理念势在必行。3.1.2 石油机械产品的发展现状这些先进的技术主要包括变频技术、人工智能、自动化控制等等，正是因为有了这些先进的技术研发，所以国外的石油机械产品与传统的石

8、油机械产品相比。此外，国外的一些石油机械产品制造业会根据不同地层的勘探要求制造出不同的石油机械产品，保证了钻井的质量。同时国外非常注重人性化设计，将钻井过程中的安全性能放在首位，与我国所提倡的实现科学发展观、以人为本的概念相符合。根据我们的相关调查可以发现，在我国的一些大型制造企业他们并没有掌握真正的生产方案，他们都是借鉴国外一些大型公司的具体实施方法，挪用到自己的生产线上，然后消化吸收，最终转化为自己的东西。比如说液压控制技术、变频技术、无人操作技术等等。其次，我国要做好自己的产品，要根据不同的地区生产出不同的产品，我国地大物博，如新疆油田、南海油田等，他们处于不同的地区，地质条件就不一样，

9、所以说对石油机械产品的要求也就不同，在研发产品时，要非常注重开采地点、地域的特殊性，一定要保证开采设备的质量达到要求，那么才能提高开采的经济效益。3.1.3 石油机械产品研发过程中的问题当今石油机械企业不断发展壮大，如何推动石油机械产品的研发，尽快将研究成果转化为可行产品，已成为企业特别关注的问题。作为产品设计者，在石油机械产品研发方面需要关注以下问题。（1）研发的产品要有明确的市场导向性和定位准确性。新产品研发不仅要做到技术先进、前瞻性强、技术含量高、产品标准高，还要是市场需求量大的产品。因此，在开发新产品时，要准确定位，深入市场调研，不能盲目的、无要求的设计产品，力求设计出具有时代性、科学

10、性和实用性的产品。（2）在石油机械产品设计上要精益求精。现代产品设计已成为设计行业的一个重要方向，不仅需要强大的功能，而且还要使用美学的技巧，在外观、结构设计方面，注重考虑产品的舒适度、人性化设计、人机环境结合的力度、维修经济性。通过对产品结构详细设计和产品模块化的研究，采用低碳制造技术，开发出实用、易用的产品。例如，欧美一些石油机械产品注重以人为本和人机结合，在外观和细节上体现出设计的美感，色彩搭配也比较合理，给人留下了深刻的印象。（3）加强产品研发中的考核力度。考核力度对发展石油机械产品开发评估具有重要的指导意义。研发中图纸资料和样机研制是检验新产品达到预定目标的关键，但是如果不进行样机的

11、考核就仓促地推向市场往往造成研发的失败，增加了企业的研发成本，浪费了资源。因此，通过对样机在各种复杂情况下的评估，及时维护和改进，提高产品的质量、可视性和舒适性。3.2 PDC 钻头的现状分析金刚石钻头是利用金刚石材料作为切削刃的钻具。PDC 钻头属于一体式钻头，整个钻头没有可以活动的部位，主要是由钻头体、冠部、水力结构（喷嘴是水眼、水槽、排屑槽） 、保径面、切削齿如图 3.1 所示。图 3.1 PDC 钻头结构示意图按照它的适应性可以分为聚晶金刚石复合片钻头（PDC 钻头）和一般金刚石钻头。其中复合片金刚石钻头（PDC 钻头）运用范围比较广，它适用于硬、中、软质的地层，而一般金刚石钻头仅仅用

12、于研磨性高的地质以及硬的地层。它们两者的不同点就是刀片的不同。在选择刀片的过程中，在具有良好的切割性能的基础上，要选择钻速快、深度大的刀片。由于金刚石钻头的质地脆弱抗冲击力不好，所以在使用的时候一定要严格按流程操作，并且它的稳定性不高，成本也比较贵，在使用的时候一定要十分谨慎。保径面钻头体排屑槽切削齿接头3.2.1 部分 PDC 钻头简介Talon 3D 矢量系列 PDC 钻头，它具有很强的定向特征，非常适合定向钻井。它采用了一体式的钢体结构，增强了整体的强度，从而提高了机械效率，使其用最大的能量去击碎岩石；更短的弯曲半径提高了定向控制能力以及进攻性；发散式的屑槽提高了排屑能力以及清晰效率，S

13、tayTough 表面焊接技术用独有的材料减少了磨损，让其有更好的定向性能完成一趟任务即可以完成定向钻进（见图 3.2）。图 3.2 Talon 3D 矢量系列 PDC 钻头Talon 可调系列 PDC 钻头，首次采用了可调节的技术，在主切削齿后面安装了可调节高度的金刚石球形齿，并且用圆柱销固定，通过调整球形齿的规格与高度，改变钻进地层的深度，获得最好的钻速与稳定性。如果想要更强的进攻性，那么就要选择比较短的球形齿。这种 PDC 钻头具有最小的摩擦力以及最大的机械钻速（见图 3.3）。图 3.3 Talon 可调系列 PDC 钻头StingBlade 系列金刚石锥形齿钻头，锥形钻头相对于圆柱形

14、钻头对地层的荷载力更大，因为是通过钻头的轴线进行钻进，所以这款锥形钻头能够有很好的平衡能力，能够减少横向和纵向的剪切振动，所以能延长钻头的使用寿命。可以将锥形钻头和常规的钻头合在一起使用，这样就可以有新的切削结构（见图 3.4）。图 3.4 StingBlade 系列金刚石锥形齿钻头3.2.2 PDC 钻头现状分析与发展方向1990 年，PDC 钻头所占比例是百分之五，到了 2000 年则占据了 4.0%，到了 2004 年达到 50%将近 60%，现如今更是达到了将近 90%的比例。但是尽管如此，PDC 钻头仍然存在着许多需要解决的问题，比如说 PDC 钻头的水力问题就比较严重，因为 PDC

15、 钻头是横向剪切来击碎岩石的，钻动速度非常快，会产生非常多的岩屑，所以要清理干净；同时温度对 PDC 钻头的切削刃有影响，在使用的时候要非常快的冷却。假如这两个步骤做的不好，那么就产生泥包，同时钻动速度也变小，加快了切削刃的破损，缩短了钻头的使用寿命。 在 PDC 钻头技术发展过程中，要敢于创新，同时需要将理论与现实结合，不断对 PDC 钻头进行改进，优化钻头结构，将绿色设计理念应用到钻头中，研发出新的钻头类型。能够研发出具有高效钻进效率、耐磨性高、使用寿命长的钻头是我们永远追求的目标。需要不断加强对钻头材料技术的发展，提高产品的使用性能。目前我国仍在不断地对 PDC 钻头材料技术进行研究，因

16、此在一些新钻头、新工具方面也有了很大的突破，让新产品能够被广泛推广。同时我们需要充分利用国内外先进的条件形成我们自主的技术，其中钻头的个性化发展是未来 PDC 钻头生产模式的发展方向。3.3 PDC 钻头钻井案例分析通过对以往的 PDC 钻头钻井过程中发生的一些事故以及一些异常事件进行分析，找出事件发生的原因和产生的一些问题。3.3.1 案例分析 1某个 X 井中，在泥岩中用 PDC 钻头钻到井深为 4000 米时，出现了钻进时间明显的变长，由原来的 8-18min/m 变到了 30-45min/m，并且出现了卡钻的现象，在循环操作 2 个小时以后，将钻头起钻，打开泵时带出了 2 个单根，不打

17、开泵时带出了 1 个单根，且都没有受到阻碍，当正常起钻到 3500 米的时候，遇到了卡钻，然后再下放到 3550 米的时候也没有活动；再次将钻头往上提，提到3535 米时还是出现卡钻，下放完悬重并没有解除卡钻，然后强行拆掉了 2 个单根，接上方钻杆，接上以后再次悬重往下放完，这时候悬重会慢慢的回升，达到 550kN 的时候不发生变化了，上提到原来悬重的位置，打开泵，泵压是5MPa，出口的地方只有少量的钻井液返回，然后依次将泵压变成 10MPa 和15MPa，钻井液的返回量逐渐减少，当泵压到达 18MPa 时，井口仍然有钻井液返回，泵压缓慢回升，当泵压回到 25MPa 过程中，仍然有小量的钻井液

18、返出，但是泵压变化十分缓慢，到达 25MPa 时一共用了半小时，泵压不发生变化了，钻井液也不返回了。后来经过地面震击等措施都没有能够接触卡钻，然后爆炸松扣，用套铣以及母锥倒扣交替进行工作，一直到套铣到钻头，最后再用震击器和加速器组合解卡，一直下放到鱼头附近，紧扣 5 圈以后，钻具就转活了，但是泵压回到10MPa 时，出口没有钻井液返出，继续接上 2 个单根紧扣 8 圈以后，钻柱就转活了。这时，泵压开始稳定了，钻井液也开始返回，在泵停止工作以后，泵压逐渐归零，然后重新启动泵循环，泵压也一直稳定，经过反复操作，在起钻以后，起出了所有的落鱼，解决了事故。通过对事故进行分析，表面上可能是因为井壁失稳造

19、成的卡转，但是起钻提出钻头以后发现钻头上沾满了岩屑，形成了结块，其实这次事故的本质原因是钻头泥包的产生。3.3.2 案例分析 2在 2015 年时，某井钻到 2500m 的井深时，钻时从 2498m 的 15min/m、2499的 20min/m 到 2500m 的 60min/m，电脑所记录的扭矩的曲线也开始一会儿大一会儿小，管道里面的压力明显的增大了，然后经过操作工人的操作，最后将做钻头起钻时，发现钻头的表面沾满了岩屑，同时也都结成了块状，所以这次的事件也被断定钻头泥包。由此分析得出在钻压、钻速等参数保持相对稳定的状态时，如果钻时明显的变大，管道压力也变大，扭矩不稳定，一会儿大一会儿小时，造成这样的情况的及时钻头泥包的产生。