PowerDriveVorteX钻具系统配套PDC钻头优化设计_刘鹏飞

油田主力开发油层位于沙二段 、 沙三段 ， 钻井深度大 ， 分布井段长 ， 地层岩性差 ， 地层岩性不 均 、 互层多 ， 可钻性一般 ， 钻头选型范围小 ， 很大程度上制约了机械钻速的提高 。 通过对该地区已钻井井 身结构 、 地层压力系统的研究和钻井复杂情况分析 ， 决定采用如图 ２ 所示的井身结构 ： ４ ． ５ ｍｍ 井眼 × ４ ４ ３ ３ ９ ． ７ ｍｍ 套 管 ＋ ３ １ １ ． ２ ｍｍ 井 眼 × ２ ４ ４ ． ５ ｍｍ 套 管 ＋ ２ １ ５ ． ９ ｍｍ 井 眼 × １ ５ ２ ． ４ ｍｍ 尾 管 ， 其 中 １ ． ２ ｍｍ井眼以进东营组 ５ ｍ 为中完原则 ， 后续采用 ５ ． ９ ｍｍ 钻头 ， 配套 Ｖ ｒ ｔ ｅ Ｘ 钻具系统钻进至沙 ３ １ ０ ２ １ ｏ 三段完钻 。 １ Ｐ Ｄ Ｃ 钻头初步选型 ２ ． 部分老井钻头使用情况表 如 表 １ 所 示 。 所 有 井 全 部 使 用 ５ 刀 翼 １ ｍｍ 或 １ ９ ｍｍ 切 削 齿 的 Ｐ Ｃ钻 ６ Ｄ ， ／ ； ， 头 以 ＭＳ １ ９ ５ １ 型和 Ｃ Ｋ ６ ０ ５ Ｋ型Ｐ Ｄ Ｃ 钻头为主 平均机械钻速 １ ｍ ｈ 左右 无论是钢体还是胎体 ５ 刀 ５ ， ； 钻 头 在 翼１ 机 械 钻 速 方 面 表 现 相 当 井 使 用 了 一 只 ５ 刀 翼 、１ ｍｍ Ｐ Ｄ Ｃ ｍｍ 切 削 齿 的 胎 体 ９ Ｘ ８ ６ ６ ５ ３ Ｓ Ｓ 钻头完钻 ， 第一次入井发生了泥包 ， 故初期以 ５ 刀翼 １ ｍｍ 齿 Ｐ Ｄ Ｃ 钻头为主要选择对象 。 Ｍ １ ９
表 １ 部分老井钻头使用情况表
井号 Ｘ ５井 Ｘ ８井 Ｘ ７井 刀翼数 ５ ５ ５ 主切削齿外径／ ｍｍ １ ９ １ ６ １ ９ 纯进尺／ ｍ １ ０ ５ １ ． ０ ０ １ ２ ７ ９ ． ０ ０ ７ ８ ６ ． ０ ０ 钻进地层 东营组 、 沙河街组 东营组 、 沙河街组 东营组 、 沙河街组 机械钻速／ ｍ·ｈ－１ ． ６ １ ４ ． ０ １ ６ ． ９ １ ６
２ Ｐ Ｄ Ｃ 钻头前期改进 ２ ． 根据已钻东营组 、 沙河街组 Ｐ Ｃ 钻头使用情况 ， 结合钻头厂家对常规 ５ 刀翼 １ ｍｍ 齿 Ｐ Ｄ Ｃ 钻头进 Ｄ ９ 行了改进设计 ， 最终采用 Ｃ Ｓ ６ ０ ５ 型和 Ｔ Ｓ １ ９ ５ １ Ｓ Ｓ 型钻头 ，２ 款钻头采用中 等 冠 部 ， 长 抛 物 线 ， 较 长 冠 Ｋ 型 ，５ 直刀翼 ， 单排 １ ｍｍ 齿 ， 设计 ５ 个水眼 。 ９ ／ ／ ） ，对 、 顶驱转速 ４ 通过现场实际使用 （ 钻井参数为钻压 ２～４ ０ ｒ ｍ ｉ ｎ、 排量 １ ８ ０ ０～２ ０ ０ ０ Ｌ ｍ ｉ ｎ ｔ ０～７ 出井钻头进行分析 ， 发现钻头损坏部位以肩部及切削外沿为主 ， 损坏形式以切削齿磨损为主 ， 磨损量大 约在 ３ １ ７ ５ ｍｍ， 次要损坏为尖崩刃 、 复合片破损 。 这是由于 Ｖ ｒ ｔ ｅ Ｘ 钻具提供 的 高 转 速 以 及 钻 头 稳 性 、 ． ｏ 地层不均质的原因 ， 导致钻头在井 下 运 行 不 稳 。 由 于 存 在 一 定 涡 动 现 象 ， 因 而 受 到 了 不 规 则 的 载 荷 冲
］ ２ ３ － 。 改进后钻头配合 Ｖ 击［ ｒ ｔ ｅ Ｘ 钻具的强大动力下 ，４ 口井钻头均有大幅度提高 ， 整体平均机械钻 速达 ｏ
／ 到２ ． ８ ５ ｍ ｈ， 平均机械钻速较老 井 提 高 了 ８ １ ５ ． ９ ｍｍ 井 眼 中 ，Ｔ １ ９ ５ １ Ｓ Ｓ型钻 头 在 东 营 组、 Ｓ ６ ０％ 。 在 ２ 沙河街组整体表现比较平稳 ， 而 Ｃ Ｓ ６ ０ ５ 型钻头在东营组机械钻速较高 ， 之后在沙河街组逐步降低 ， 钻 Ｋ 头机械钻速变化幅度较大 。 ３ Ｐ Ｄ Ｃ 钻头优化 ２ ． 为了进一步提高机械钻速 ， 分别对 ２ 个型号的钻头进行改进优化 。 将 Ｃ Ｓ ６ ０ ５ 型钻头后冠部形状改 Ｋ 为短冠部 ， 布齿由原来的 ３ ６ 颗改为 ４ １ 颗 ， 增加布齿量 ， 提高冠部附近布齿密度 ， 增强后续攻击力 ， 避 免后期机械钻速大幅度下降 ； 喷嘴数量由原来的 ５ 个改为 ７ 个 ， 可以更精确地调整喷射面积 ， 使水力分 布更为均匀 ， 保证较高的清洗效率 ， 防止泥包现象 。 同时通过软 件 模 拟 ， 对 钻 头 切 削 齿 受 力 进 行 分 析 ， 然后对布齿结构和密度进行优化 ， 使各切削齿受力更加均匀 ， 减小切削齿损坏几率 ， 提高切削效率 ， 延 长钻头使用寿命 。 针对 Ｔ １ ９ ５ １ Ｓ Ｓ 型钻头 ， 在原型号基础上 ， 将鼻部圆弧减小 ， 冠型高度降低 ５ ２ ｍｍ， Ｓ ． 同时复合片出刃提高 １ ｍｍ， 使钻头更有效地吃 入 地 层 ， 同 时 水 眼 数 量 未 变 。 此 外 ， 建 议 将 喷 嘴 直 径 由 ｍｍ 改为 １ ６ ｍｍ， 以增强水力射流 。 １ ８ （ 下转第 ５ ３ 页）
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Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ Ｖ ｏ ｒ ｔ ｅ Ｘ 钻具系统配套 Ｃ 钻头优化设计 Ｐ Ｄ
） 中海石油 （ 中国 ） 有限公司天津分公司 ， 天津 ３ ０ ０ ４ ５ ２ 刘鹏飞 （ ） 中海石油能源发展工程技术公司 ， 天津 ３ ０ ０ ４ ５ ２ 和鹏飞 （ ） 中海石油 （ 中国 ） 有限公司天津分公司 ， 天津 ３ ０ ０ ４ ５ ２ 李凡 ， 余涵 （ ［ 摘要 ］Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ Ｖ ｏ ｒ ｔ ｅ Ｘ 钻具系统是斯伦贝谢公司近 年 来 开 发 的 一 款 高 效 钻 井 工 具 。 结 合 渤 海 某 油 田 钻井作业难点 、 地层 岩 性 特 征 以 及 已 钻 老 井 钻 头 性 能 评 价 情 况 ， 对 Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ Ｖ ｏ ｒ ｔ ｅ Ｘ 钻具系统配套 Ｐ Ｄ Ｃ 钻头进行了优化设计 ， 包括 Ｐ Ｄ Ｃ 钻头初步选型 ，Ｐ Ｃ 钻头前期改进等 。 现场施工 表 明 ， 使 用 该 配 套 Ｄ Ｐ Ｃ 钻头后能够大幅度提高机械钻速 ， 作业周期大大缩短 ， 取得了显著的经济效益 。 Ｄ ［ 关键词 ］Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ Ｖ ｏ ｒ ｔ ｅ Ｘ 钻具系统 ；Ｐ Ｄ Ｃ 钻头 ； 机械钻速 ［ 中图分类号 ］Ｔ ２ ４ ２ Ｅ ［ ）１ 文章编号 ］１ 文献标志码 ］Ａ ［ ４ ０ ２ ６ ７ ３ ０ ９（ ２ ０ １ ４ ６ ４ １ １ ０ ０ － － －
简称 Ｖ ｗ ｅ ｒ Ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ Ｖ ｏ ｒ ｔ ｅ Ｘ （ ｏ ｒ ｔ ｅ Ｘ） 钻具系统 通 过 井 下 高 性 能 泥 浆 马 达 的 使 用 ， 可 以 为 井 底 钻 头 Ｐ ｏ ／ 提供最高可达 ２ ０ ｒ ｍ ｉ ｎ 的转速 ， 增大动力 ， 有效解放机械钻速 ， 获 得 较 高 的 钻 井 效 率 ， 但 施 工 中 发 现 ５
第１ １卷 第１ ６期
饶开波等 ：Ｎ 插旗杆 ” 事故处理探讨 ０ 井 １ ３ ７ ７ ． ８ ｍｍ 尾管固井 “ Ｐ ８ －
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４ 几点认识
） 尾管悬挂器性能必须可靠 ， 要下得去 ， 坐得住 ， 提 得 出 。 对 高 温 井 尾 管 固 井 ， 应 尽 量 选 用 带 顶 １ ２］ 。 部封隔器的悬挂器 ， 避免常规悬挂器留塞固井容易插旗杆的隐患 ［ ） 对于结构复杂的深井 ， 在化 验 固 井 水 泥 浆 时 必 须 以 实 测 井 温 为 依 据 ； 如 果 水 泥 浆 未 提 前 稠 化 ， ２ 需要及时将水泥浆憋回地层 。 ） 由于 Ｎ ３ Ｐ ３ ８ ０ 井井眼轨迹为五 段 制 ， 尾 管 下 入 深 ， 井 温 高 ， 套 铣 前 应 采 取 降 摩 减 阻 等 措 施 ， 在 － 套铣时要不断调整套铣管长度和铣鞋类型 。 此外 ， 自制一些特殊工具 （ 如旁通接头 、 正反接头 、 带阀门 的提丝等 ） 对加快事故处理进度可以提供很好的帮助 。 ［ 参考文献 ］
收稿日期 ］２ １ ２ ０ ６ １ ３ ０ ［ － － ， 男 ， 硕士 ， 工程师 ， 现主要从事海洋石油钻完井技术监督及管理等方面的研究工作 。 作者简介 ］ 刘鹏飞 （ ８ １ １ ９ －） ［
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理工上旬刊 ＊ 油气田开发工程
２ ０ １ ４年６月
别是在大狗腿度井段 ，Ｖ ｒ ｔ ｅ Ｘ 钻具系统降低了套管 磨 损 和 钻 柱 的 疲 劳 损 坏 ， 减 少 了 钻 柱 或 套 管 的 失 效 ｏ 风险 。 此外 ， 所有外部部件都随着钻柱旋转 ， 这能够减少摩阻并增加机械钻速 ， 且全程旋转的特性也能 帮助清洁和调整井眼 ， 从而降低压差卡钻和机械卡钻的风险 。
图 １ Ｖ ｒ ｔ ｅ Ｘ 钻具系统组成结构图 ｏ
开发 Ｖ ｒ ｔ ｅ Ｘ 钻具系统的主要目的是在旋转导向钻具的基础上 ， 通过井下高扭矩直马达的使用 ， 解 ｏ 决转盘以及顶驱系统最高持续输出扭矩和转速的限制 。 该系统的主要工作原理如下 ： 通过与顶驱提供的 钻柱转速和井下马达转速相结合 ， 可以增加可用扭矩和钻头转速 ， 用井底更高的扭矩输出能力允许工具 承受更大的钻压 ， 从而提高了机械钻速 ， 降低了钻井成本 。 同时 ， 相对于常规旋转导向系统 ， 其钻井时 的扭转振动和其他的振动损坏也大为减小 ， 因而所有的输入能量都用于高效钻井和使机械钻速最大化 ， 特
长江大学学报 （ 自科版 ） ２ ０ １ ４ 年 ６ 月号理工上旬刊 第 １ １卷 第１ ６期 ） Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｙ ａ ｎ ｔ ｚ ｅ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｎ ａ ｔ Ｓ ｃ ｉ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｕ ｎ ． ２ ０ １ ４，Ｖ ｏ ｌ ． １ １Ｎ ｏ ． １ ６ Ｊ ｇ ｙ（
［ ］ 张君亚 ， 夏栢如 ， 曹永斌 ， 等 ． ） ：３ ］． 插旗杆 ” 事故处理 ［ 石油钻采工艺 ，２ １井 １ ３ １ ａ ｂ ａ ａ ７ ． ８ ｍｍ 尾管固井 “ １ ０，３ ２（ ４ ３ ． Ｒ Ｊ ０ ７ ６ － － ［ ］ 郭启军 ， 周仕 ． ） ：１ ］． 钻采工艺 ，２ 阿姆河右岸 Ｐ １ １ ２ ｒ ２ １ 井窄窗口尾管固井技术 ［ ０ ９，３ ２（ ３ １ ２ ３ ． Ｊ ｉ ０ － ［ ］ 裴建忠 ， 刘天科 ， 孙启忠 ， 等 ． ） ：１ ］． 胜科 １ 井钻井事故的预防与处理 ［ 石油钻探技术 ，２ ２ １ ３ ０ ７，３ ５（ ６ ８ ． Ｊ ０ －
［］ 采用该系统也给 Ｐ Ｃ 钻头带来较大的损坏 １ 。 为了解决该问题 ， 笔 者 对 Ｖ ｒ ｔ ｅ Ｘ 钻具系统配套 Ｐ Ｃ钻 Ｄ ｏ Ｄ
头进行了优化设计 ， 以便为油田进行高效钻进施工提供帮助 。
ｒ ｔ ｅ Ｘ 钻具系统结构 １ Ｖ ｏ
： ２ 以 ２ ｒ ｔ ｅ Ｘ 钻具组合如下 （ ５ ． ９ ｍｍ 井眼为例 ） ５ ． ９ ｍｍ Ｐ Ｄ Ｃ 钻头 ＋ １ ７ １ ． ５ ｍｍ 旋转导向工具 １ １ Ｖ ｏ ） ＋ ） ＋ １ ） ＋ １ （ ｗ ｅ ｒ Ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ６ ７ ５Ｘ ６ １ ７ １ ． ５ ｍｍ 过滤接头 （ ｌ ｔ ｅ ｒ Ｓ ｕ ｂ ７ １ ． ５ ｍｍ 直马达 （ ｔ ｏ ｒ ６ ５ ． １ ｍｍ Ｐ ｏ Ｆ ｉ Ｍ ｏ 浮阀接头 ＋ １ ． ５ ｍｍ 非磁钻铤 ＋ １ ． ５ ｍｍ ＭＷＤ＋ １ ７ １ ． ５ ｍｍ 非磁钻铤 ＋ １ ５ ． １ ｍｍ 随钻震击器 ＋ １ ７ １ ７ ６ ） 。 其中 ， 马达采用斯伦贝谢 Ａ ／ ／ 见图 １ ２ ７ ｍｍ 加重钻杆 × ４（ ０ ０ ＭＧ Ｔ ７ ８ ６ ６ 系列 ７ ８ 头 、６ 级直 Ｘ Ｏ＋ １ １ ７ ／ 马达 ， 与顶驱复合的最高转速一般限制在 ２ ０ ｒ ｍ ｉ ｎ 内 ； 过滤接头主要用于 过 滤 直 马 达 胶 芯 剥 落 物 以 及 ５ 泥浆内较大杂物 ， 每次钻具出井需清理接头 ； 旋转导向部分可依据井眼状况以及造斜需要选择 。
主切削齿外径mm钻进地层机械钻1x5井19105100东营组沙河街组146x8井16127900东营组沙河街组160x7井1978600东营组沙河街组169pdc钻头前期改进根据已钻东营组沙河街组pdc钻头使用情况结合钻头厂家对常规5刀翼19mmpdc钻头进行了改进设计最终采用cks605型和ts1951ss型钻款钻头采用中等冠部长抛物线较长冠通过现场实际使用钻井参数为钻压24t顶驱转速4070rmin排量18002000l井钻头进行分析发现钻头损坏部位以肩部及切削外沿为主损坏形式以切削齿磨损为主磨损量大约在3175mm次要损坏为尖崩刃复合片破损