复杂地层PDC钻头研究

口井二开井段要用多只钻头 , 少数井能够实现 2只 钻头完井 , 钻头使用后大部分是非正常磨损 , 崩 齿 、碎齿现象较多 。
冀东油田的馆陶地层含有的玄武岩较厚 , 玄武 岩的强度非常高 , 研磨性较强 , 对钻探工具冲击性 较大 , 遇水容易膨胀 , 且部分地层存在裂缝和夹 层 , 表现出很强的非均质性等钻井难点 。钻进过程 中经常出现掉块 、垮塌 、大段 划眼 等复 杂情 况 。 PDC钻头钻进硬地层所受的反作用力集中在复合 片边缘 , 钻进软地层的反作用力全部在切削齿面 上 , 即使采用同样的钻井参数 , 钻进硬地层比钻进 软地层容易损坏切削齿 [ 1 ] 。
鄂尔多斯盆地苏里格气田的地层比较古老 , 且 全井段跨越层位较多 , 地层软硬交错 。地层中硬夹 层较多是 PDC钻头复合片碎裂 、掉片的主要原因 。 当 PDC钻头在钻进过程中 , 从软地层钻至硬夹层 时 , 由于 PDC钻头冠部轮廓的关系使得沿头型分 布的切削齿接触地层的硬度不同 , 造成切削齿切削 地层时受力不均 , 使钻头出现蹩钻 、跳钻现象 , 作 用在钻头上的载荷大部分集中在切削硬夹层的几个 切削齿上 。蹩钻 、跳钻产生的瞬时载荷导致这几个 切削齿因受力较大而碎裂或折断 , 特别是在切削硬 地层中某些硬质点时 , 这种情况更易发生 。先期损 坏导致普通 PDC钻头在该区块使用效果不好 , 每
(11中国石油渤海装备中成机械制造有限公司 21中石化中原油田钻井三公司 )
摘要 常规 PDC钻头在岩石疏松 、结构松散 、无规律含砾 、软硬交错等复杂地层中钻进时受 力不均 , 导致钻头平均机械钻速低 , 钻进困难 , 难以满足高效钻井要求 。针对这一现象 , 重新对 PDC钻头的布齿方式 、冠部头型 、水力结构 、钻头稳定性等方面进行个性化设计 。在复杂地层应 用情况表明 , 所设计的钻头极大地提高了钻进速度 , 减少了起下钻次数 , 缩短了钻井周期 , 有效 地预防了钻井事故的发生 , 节约了钻井成本 , 经济效益显著 。
止个别齿先期损坏而影响钻头整体寿命 。
最终确定的钻头冠部头型形状如图 1所示 , 头
型曲线方程如式 ( 2) 所示 , 将冠部形状拟合成 6
段分段函数式 。
图 1 冠部头型形状
tan (α - 2π) x x ∈ [ 0, a ]
b′- R21 - ( x - a′) 2 x ∈ [ a, b ]
y = l1 x ∈ [ b, c ] ( 2)
d ′-
R
2 1
-
(x -
c′) 2 x ∈ [ c, d ]
e′- R22 - ( x - d′) 2 x ∈ [ d, e ]
l2 x = e 式 (2) 中 , x∈ [ 0, a ] 段为锥部特征方程 , α为前锥角 , 在硬地层中取值大 、软地层中取值 小 ; x ∈ [ a, b ] 段 为 上 部 圆 弧 特 征 方 程 ; x ∈ [ b, c ] 段为圆弧连接段 ; x ∈ [ c, d ] 段为中部 圆弧特征方程 ; x ∈ [ d, e ] 段为下部圆 弧特 征 方程 。
石 油 机 械
2008年 第 36卷 第 12期
(1) 冠部头型的确定 应用等磨损原则初步 确定冠部头型 , 以便在保证钻头使用寿命的同时进 一步提高机械钻速 。式 ( 1) 为等磨损原则设计的 理论公式 。
2
∫ H =
r r0
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n
- 1d r + C ( r ≥ r0 )
(1)
式中 H———冠部轮廓曲线某点在钻头 r处的轴向
在 x∈ [ a, e ] 段上的方程为冠部主要特征方 程 。通过 l1 、 R1 、 R2 的不同变化 , 可以得到适应
不同地层的钻头冠部头型方程 ; y = l2 为保径特征 方程 , 根据使用过程是否定向 , 以及不同区块对保 径磨损的强弱 , l2 可以取不同的值 。
(2) 布齿方式及切削角度的确定 通过对钻 头三维模型的受力分析 , 可以找出工作时易损坏部 位 。图 2为钻头三维模型受力分析结果 。图中颜色 较深部位为受力磨损严重部位 , 可通过改变其布齿 密度来延长钻头使用寿命 ; 对于磨损较小的齿 , 可 通过调整其齿间距和切削角度来改变其切削量 , 充 分发挥其潜在力 , 以提高整体机械钻速 。为此 , 在 设计钻头的布齿时 , 笔者通过修正系数 , 精确地调 整了切削齿的分布 。
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黄继庆等 : 复杂地层 PDC钻头研究
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在理论上控制在 012% , 降低了 PDC钻头在井底工 作时产生的侧向力 , 同时减轻了振动 , 减少了不良 工作状态对切削齿的损坏 , 增加了钻头工作的稳定 性 , 并延长了其使用寿命 。
采用螺旋型布齿设计 , 分散切削齿切削地层时 产生的指向井壁的轴向切削力 , 控制钻头与井壁的 接触应力 , 从而使钻头产生抗回旋运动效果 。通过 螺旋式刀翼还能使切削齿自然呈现一定的侧转角 , 且螺旋方向和钻头工作时的旋转方向相同 , 有助于 钻井液携带岩屑和清洗井底 。同时螺旋式保径块与 常规保径块相比 , 增加了与井壁的接触面 , 提高了 钻头的稳定性 。螺旋式保径钻头结构示意图如图 4 所示 。
(3) 复杂地层 PDC钻头稳定性设计 针对该 气田上部地层疏松 , 钻头在使用中易井斜的情况 , 笔者通过专用软件进行计算机工况仿真分析 , 调整 刀翼角度 , 调整后结果如图 3所示 。径向不平衡力
图 3 径向不平衡力调整
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针对上述复杂地层的钻进 , 重新对 PDC 钻头 进行了个性化设计 , 设计重点包括钻头轮廓 、水力 结构 、钻进稳定性等方面 。
个性化设计
对于地层更叠频繁 、软硬交错和可钻性差 、研 磨性强的地层应采用不同的个性化设计方案 。
11方案设计 针对中上部疏松 、地层更叠频繁 、软硬交错的 地层 , 主要以快速钻井为目标 , 减少钻进时间 , 主 要采用了如下个性化设计 。
31超硬材料优选和三维检验 (1) 超硬材料优选 采用与国外顶级复合片 制造商开发的复合片 ZC—V 型切削齿 。该切削齿 与常规切削齿具有本质区别 , 在抗冲击和磨耗比方 面具有常规进口复合片无法比拟的优势 。可以使钻 复杂地层钻头采用与常规钻头相同的布齿间隙的情 况下 , 能全面延长钻头的使用寿命 。 (2) 三维检验 应用逆向工程三维检测原理 , 采用进口七轴测量臂 , 对钻头的切削齿角度等关键 几何尺寸进行检测 , 并在计算机中通过专用检测软 件 , 对加工尺寸与设计的三维模型进行对比分析 , 保证成品 100%达到设计要求 。
图 4 螺旋式保径钻头结构示意图
(4) 复杂地层 PDC钻头水力设计 在水力流 道结构设计中 , 加大主刀翼的排屑槽宽度 , 使各刀 翼所产生的切削量与流量合理匹配 。采用先进的三 维设计软件进行模具设计 (图 5) , 通过排屑体积 计算 , 优化水槽结构 , 采用流畅的深 、宽水槽和大 排屑槽设计 , 保障岩屑运移通畅 ; 调整水眼角度 , 增设中心水眼 , 并应用多水眼开放的多射流技术 , 强制冷却 PDC钻头的鼻 、肩部齿 , 增强了复合片 的清洗效果 , 提高了钻头中心部位的岩屑运移 、防 泥包和重复破碎的能力 。
图 2 PDC钻头三维模型受力分析
由于苏里格气田的地层软硬交错 , 夹层较多 , 为了避免切削齿早期损坏 , 科学布置每一片切削齿 和精确设计切削角度至关重要 。对于每片切削齿所 受的轴向力 、径向力 、周向力及钻头整体的三维矢 量合力进行理论计算 , 对理想工作状态下每个切削 齿的切削面积和切削体积进行计算 。然后对复合片 的后倾角 、侧倾角 、法向角等工作角度进行调整 , 使钻头在该地区普遍含有松散较小砾石和硬夹层的 地层中更具有可钻性 , 达到在软地层具有高钻速 , 在较硬夹层钻进时也能够合理地分配每一颗牙齿的 切削功率的设计目标 。
距离 , mm;
r———冠部轮廓曲线某点处半径 , mm;
r0 ———钻头冠顶半径 , mm; n———试验测定指数 , 与切削齿和岩石性质
有关 ;
C———积分常数 。
在理论曲线方程拟合的基础上 , 结合已用钻头
的损坏情况对冠部形状进行微调 , 最后确定钻头冠
部形状 , 使各切削齿工作载荷均匀 , 磨损均匀 , 防
3 基金项目 : 中国石油渤海装备科技开发项目 (科 2007 - 追 15) 。
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! 专题研究 #
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CH INA PETROLEUM MACH INERY
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复杂地层 PDC钻头研究3
黄继庆 1 魏向辉 1 周 东 1 孙德宇 2 左惠明 1 陈洪涛 1 张松峰 1 李长权 1 王 永 1 黄 斌 1
2
S48 - 4 - 75 井中使用 , 自 401100 m 志丹统入井 , 先后钻遇志丹 、安定 、直罗 、延安 、延长 、纸坊 、 和尚沟 、刘家沟 、石千峰 、石盒子 、山西等 11 个 地层 , 至 3 707 m 完钻起出 , 总进尺 3 306100 m , 纯钻时间 170161 h, 平均机械钻速 19138 m / h。钻 头起出新度 65% , 齿 7 颗 , 鼻部磨损 1 , 其他为
2
正常磨损 。使用数据分层统计如表 1所示 。 这个钻头在该气田单只完成二开井段 , 机械钻
速高 , 对地层适应性强 , 证明针对该复杂地层采用 新型设计方法的实用性非常强 。
针对玄武岩地层可钻性差 、研磨性强的特点而
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图 5 流道优化设计
21抗冲击和抗研磨设计 针对下部地层可钻性差 、研磨性较强的地层 ,
在保证钻井速度的同时延长使用寿命是主要目的 。 除了应用等磨损原则 、力平衡设计等方式外 , 主要 采用了抗冲击和抗磨损设计 。
采用计算机辅助软件辅助实施近平衡螺旋轨迹 布齿技术 , 采用三维等功率 、三维等磨损原理计算 切削功率 、切削量和 PDC 切削齿的磨损预计 。应 用主辅切削齿同轨迹的预破应力技术 (当前排齿 磨损到设计程度时 , 后排齿开始参与切削 ) , 这种 设计方式在使用前期只有前排齿接触地层 , 可以提 高前期机械钻速 , 到使用后期 , 后排齿外端接触地 层对岩石产生预破应力作用 , 之后有所磨损的前排 齿大面积切削 , 这既提高了机械钻速又延长了钻头 的后期使用寿命 。
现场使用效果
通过对复杂地层 PDC 钻头的轮廓 、切削齿角 度 、水力结构 、钻进稳定性等方面进行重点设计 , 使钻头在复杂地层钻进中取得了较好的应用效果 , 扩大了 PDC钻头的使用范围 。
针对苏里格气田夹层多 、软硬交错的特点而设 计的 8 1 MD9535ZC 钻 头在 40635 钻井队 施工 的
关键词 PDC钻头 含砾地层 可钻性 力平衡设计 个性化设计
引 言
全国各大油田部分区块中存在复杂地层 , 在这 种地层中钻进一直是石油钻井工程施工中的一个技 术难题 。由于有些复杂地层岩石疏松 、结构松散 、 无规律含砾 、地层更叠频繁 、软硬交错等 , 使钻头 在变化地层中钻进时受力不均导致个别切削齿先期 损坏 , 钻井质量和钻进效率处于低水平状态 ; 有些 复杂地层可钻性差 、研磨性强 , 导致常规钻头平均 机械钻速低 , 钻进困难 , 难以满足高效钻井要求 。 这都使复杂地层的钻井周期延长 、钻井费用增加 。