莫深1井PDC钻头优化设计及应用

第4卷第3期2008年9月

新疆石油天然气

Xinjiang O il &Gas Vol .4No .3

Sep.2008

文章编号:1673—2677(2008)03—0017-05

收稿日期:2008-04-25

基金项目:中国石油天然气集团公司重点科技项目(06B2010401)

作者简介:吴应凯(1963-),男,在中石油西部钻探克拉玛依钻井公司工作,博士,教授级高级工程师,现从事钻井工程管理

与研究。

莫深1井P DC 钻头优化设计及应用

吴应凯1

,　王国华2

,　蒋建伟

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(1.中石油西部钻探克拉玛依钻井公司,新疆　克拉玛依　834009;2.新疆帝陛艾斯钻头工具有限公司,新疆　克拉玛依　834000)

摘　要:莫深1井是中国石油最深的风险探井,也是集团公司重大科技现场试验项目之一。莫深

1井三开Φ311mm 井眼设计段长2000m ,具有埋藏深,夹层多,岩石可钻性差,钻井液密度较高的特点,钻头的性能指标,直接影响到莫深1井的钻井周期和钻井成本。三开P DC 钻头设计引用了岩石三轴抗压强度分析技术的成果,对切削齿布齿密度、切削结构参数、工作角度和水力结构进行优化设计,在提高钻头工作稳定性方面,首次开展了P DC 钻头的计算机仿真钻井模拟试验,保证钻头在井下稳定的工作状态。现场应用证明,优化设计的P DC 钻头机械钻速和进尺都比邻井高出数倍,对降低钻井成本有着积极意义。 关键词:P DC 钻头;优化设计;稳定性:模拟试验:现场应用

中图分类号:TE249;TE921 文献标识码:A 随着石油勘探开发向深部地层发展,深井和超深井的钻探数量逐年增多,岩石可钻性也变得越来越差,提高深井机械钻速和行程钻速的问题就变得十分突出。人造金刚石聚晶复合片(P DC )钻头具有在井下工作时间长,进尺高,钻速快,井下事故少等优点,近年来在国内外被广泛应用。

莫深1井位于准噶尔盆地中央坳陷莫索湾凸起莫索湾背斜构造上,设计井深7380m,是新疆油田的一口重点超深预探井。其中三开Ф311mm 设计井段为4500～6500m,地层岩性变化频繁,岩石抗压强度高,

可钻性极差,提高Ф311mm 井段机械钻速和行程钻速对实现莫深1井提速具有重要意义。

1　莫深1井三开井段地层特征与井

身结构

莫深1井三开井段从上至下依此钻遇以下地

层:侏罗系三工河组下统、八道湾组;三叠系白碱滩组、克拉玛依组;百口泉组;二叠系乌尔禾组。

各地层的岩性如下:(1)侏罗系:以泥岩、砂岩和砂质泥岩为主,八道湾组含多层砂岩及砂砾岩;(2)三叠系以泥岩、砂岩互层为主,百口泉组下部为不等粒小砾岩,具典型的洪积层理;(3)二叠系为泥岩、砂岩、含砾不等粒砂岩及细砾岩。图1为八道湾组底砂砾岩层岩性剖面图。

莫深1井井身结构

一开:钻头Ф660.4mm,套管Ф508mm ×500m 二开:钻头Ф444.5mm,套管Ф346.1mm ×4500m 三开:钻头Ф311.2mm,套管Ф250.8mm ×6500m 四开:钻头Ф215.9mm,套管Ф139.7mm ×7380m

2　岩石三轴抗压强度分析

实际埋藏及钻井条件下,地层岩石强度不仅取

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年

图1

　八道湾组底砂砾岩层岩性剖面图决于其物理性质,也受其所处应力环境的影响。随着研究的深入,岩石三轴抗压强度成为衡量地层抗钻特性的重要参数之一,并逐步应用于钻井实践。岩石的三轴抗压强度由单轴抗压强度和围压影响组成。根据Coul omb -Mohr 和M illier 理论[1]

,岩石三轴抗压强度表达式为:

σc =σuc +k δσ

(1)

其中

σuc =0.0045Ed (1-Vcl )+0.008VclEd 式中,σc 为三轴抗压强度,MPa;σuc 为岩石单轴抗压强度,MPa;σ为围压,MPa;k

δ为三轴应力系数;Vcl 为泥质含量,%;Ed 为岩石弹性模量。利用测井资料中的自然伽吗数据计算泥质含

量Vcl,表达式如(2):

V cl =2I sh xGCUR

-1

2GCUR

-1

(2)

其中

Ish =

GR -GR m in GR max -GR m in

式中,GR 为目的层伽玛值;GR 为纯岩石层段伽玛值;GR 为纯泥岩层段伽玛;Ish 为泥质指数;GCUR 为经验参数,可以通过试验确定,随地层的

地质年代而改变,对新地层常取3.7,老地层取2

。

图2　三轴抗压强度分析结果

为便于工程直接应用,在莫深1井使用了三轴

抗压强度计算软件,其邻井庄2结果如下(表1)。

表1　计算结果

地　层庄2井

声波值μs/ft

抗压强度

Mpa 最大抗压强度,Mpa

地层硬度三工河组55～6570～105210中等～硬八道湾组55～7070～90210中等～硬白碱滩组60～7555～85140中等克拉玛依组65～7055～80250中等～硬百口泉组65～8055～105125中等乌尔禾组

60～70

70～125

140

中等

3　针对地层进行PDC 钻头优化设计

3.1　三轴抗压强度

迄今为止,国内很多学者已提出很多P DC 钻头设计方法,但归纳起来主要有两种:一是经验法,

即根据邻井钻头的使用情况,确定对钻头的选型与改进;第二种是理论法,即根据P DC 钻头的运动轨迹方程,运用空间几何和数值计算理论,计算P DC 齿的布齿参数,达到对P DC 钻头的设计与改进目的。

P DC 钻头的一个重要特点是对地层的物理特

性变化的强敏感性,这就要求根据地层的变化对

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