空氣錘鉆頭應用研究

劉權萍,武友德,孟英峰,梁 紅

(1.四川工程職業技術學院,四川德陽618000;2.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室,成都610500) *

空氣錘鉆頭應用研究

劉權萍1,武友德1,孟英峰2,梁 紅2

(1.四川工程職業技術學院,四川德陽618000;2.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室,成都610500)*

對空氣錘鉆頭在國外的應用進行了調研。在沖擊回轉鉆進中,根據地層條件不同選擇不同的端面設計平底鉆頭能很好地控制井斜,平底鉆頭的鉆速是三牙輪鉆頭的3～6倍,但平底鉆頭徑向磨損嚴重,常用三牙輪進行擴眼。為解決鉆頭徑向磨損問題從而發展了增強齒平底鉆頭,在以陡傾角而著稱的Stillwater、Allegheny高原及Arkoma、Permian、Appalachian盆地進行了大量試驗,結果證明:與平底鉆頭相比,鉆速快,壽命長,成本低,更耐磨,能更好控制井斜和狗腿嚴重度,而且井眼更平滑。

鉆井空氣錘;三牙輪鉆頭;平底鉆頭;增強齒平底鉆頭;研究

空氣錘鉆進具有轉速低、扭矩小、鉆壓小、控制井斜容易、提高機械鉆速、減少鉆進時間和成本的特點,在國內外各個領域受到廣泛重視和應用[1-5]?？諝忮N鉆頭(也叫沖擊鉆頭或平底鉆頭)以沖擊為主、旋轉為輔聯合作用破巖鉆進,既要承受沖擊器的高頻沖擊力,又要承受很大的破巖反力,同時在回轉力矩作用下還要承受巖石的剪切反力,牙齒除承受周期性或突發性沖擊載荷外,還承受剪切和彎曲作用。目前國內有關空氣錘的報道很多,但有關平底鉆頭的報道卻很少見,現僅就國外有關平底鉆頭應用情況作如下概述。

1 平底鉆頭與三牙輪鉆頭的比較分析[6-8]

用于空氣鉆井的鉆頭有牙輪鉆頭和平底鉆頭2種。1960年前,國外油田用的空氣錘(采礦用的)都配用的是三牙輪鉆頭,但由于高沖擊引起鉆頭體疲勞破壞,改用平底鉆頭,但效果還是不如工業空氣錘,后被取而代之;同樣,工業錘所能承受工作壓力僅為0.69 MPa,工作效率仍受到限制。據美國Finger報道:有試驗確認在低鉆壓和相同的供氣條件下,工業沖擊錘的鉆井速度比油田空氣錘快得多,而且平底鉆頭與沖擊鉆具配合使用在所有空氣鉆井系統中鉆速最高,是高鉆壓下旋轉鉆進牙輪鉆頭的2倍,是牙輪鉆頭與震擊鉆具配合使用的3～6倍。在Arkoma盆地的試驗結果如表1[6],因此平底鉆頭在沖擊鉆進中得到了很多的發展。20世紀70年代,引進了1.724 MPa的沖擊錘,提高了機械鉆速。到20世紀80年代,工作壓力達到2.41 MPa,但有人又提出較高的壓力可能給平底鉆頭帶來問題。

表1 牙輪鉆頭和平底鉆頭鉆進參數對比

2 平底鉆頭[8-10]

目前,平底鉆頭(如圖1)是專門為空氣沖擊鉆井設計的,其底面輪廓4種基本類型如圖2[8],每種類型的鉆孔直線度、工作效能、可靠性和吹洗孔、端面排粉槽、磨損保護、硬質合金形狀和尺寸以及鉆頭體材料硬度都有所不同。

圖1 平底鉆頭外觀

圖2 平底鉆頭端面

2.1 凹面型

凹面型是美國主要的工業用鉆頭,是市場上使用最多的類型,其底面上有2個氣孔,端面中心有1個輕度的圓錐形凹陷,主要針對硬地層設計,由于鉆進時凹面輕度成核,能很好地控制井斜,而且鉆速較高,清潔能力良好。該型鉆頭在Arkoma盆地成本降低了49%;在Alberta地區用12 d就鉆了2 300 m,鉆進速度13.1 m/h,而空氣旋轉鉆進要24 d,泥漿鉆井要54 d;在Permian盆地均使用了該型鉆頭,但由于徑向磨損而受到限制。

2.2 深凹面型

深凹面型應用僅次于凹面鉆頭,也是常用的類型。它有2個空氣通道,端面有1個凹進的中心部分,鉆進時在鉆頭底面中心切削出1個小直徑的巖心,而使鉆頭沿固定的軌跡鉆進,深凹面鉆頭的井斜控制效果最好,機械鉆速最高,但由于其存在深部內表面的排粉槽,中心凹陷型鉆頭要比其他形狀鉆頭強度弱一些。該型鉆頭主要用于中硬均質地層,需要低至中高的空氣壓力來保持井底攜巖和正常鉆進。在松軟或中等硬度的固結巖層鉆進,要求孔斜最小時,該型鉆頭是最理想的。

2.3 平面型

平面型最適合用于破碎非常堅硬的巖層和溶洞性地層,在井斜要求不是很高的條件下也可用于松軟地層,但對鉆孔直線度要求高及鉆覆蓋巖層時不適用該型鉆頭。該型鉆頭要求非常高的空氣壓力,其端面平整而連續,通常沒有排粉槽,是所有鉆頭中最堅固耐用的一種。如果增加端面排粉槽雖然可以提高井底清巖效果和鉆速,但強度會隨之減少,所以鉆速和鉆孔的直線度不如凹面型鉆頭。該型鉆頭能夠有效地控制井斜,具有較高的鉆速,能夠防止鉆頭本體磨損,在大多數情況下提高碳化鎢的硬度就可以提高鉆速和耐用性。但因平面鉆頭牙齒的耐磨性優于鉆頭本體,當鉆頭本體開始磨損時,鉆頭牙齒開始暴露,增加了牙齒破壞和碎裂。

2.4 凸面型

凸面型又稱雙斜面鉆頭,是為非常堅硬和研磨性非常強的巖層而開發的最新的端面設計,轉速為30～50 r/min。該型鉆頭由于具有突出的工作面頂冠而得名,具有3個空氣通道,通過鉆頭排出的空氣最多,清巖效果和冷卻效果都比較好。但由于被氣流攜帶的巖屑穿過鉆頭端面,鉆頭體和硬質合金邊齒容易被磨掉。因此,在2個獨立的棱周上布置有2排硬質合金邊齒,內排齒協助外排齒防止過多的磨損。為進一步增加抗磨性,鉆頭上的硬質合金球齒通常選用較大的直徑。鉆頭端面上的碳化鎢合金齒都是彈形的,保徑齒為錐形或球形。

可以看出,要達到最佳的鉆進條件和要求要根據不同地質條件選配最佳的端面設計。平底鉆頭雖然有許多優點,但經常遇到嚴重的徑向磨損。在Arkoma盆地,平底鉆頭的成本為98.43美元/m(30美元/英尺),鉆?444.5 mm的表層井眼時,鉆速增倍,同時由于小鉆壓對控制井斜很有利,在該區鉆生產井段時通常要用2只平底鉆頭,然后用?200.0 mm三牙輪鉆頭擴眼。最近在川東七里白101井選用進口平底鉆頭,1只進尺就達1 200 m,但磨損嚴重,井徑縮小,然后只能用三牙輪擴眼。平底鉆頭通常受牙齒磨損、破損及疲勞破壞而影響其壽命的限制,尤其是徑向磨損,鉆研磨性地層(石英含量高)時特別明顯。

3 增強齒金剛石平底鉆頭[10-13]

20世紀70～80年代大力發展了增強齒金剛石技術(PDC和金剛石鉆頭)(如圖3)。近年來,金剛石加強齒已應用到平底鉆頭,在鉆頭本體中嵌入碳化鎢,表面為聚晶金剛石復合片(PDC),齒頂部有1層聚晶金剛石,接著有2層金剛石/硬質合金合成的過渡層,這是沖擊鉆頭技術的一大進步。與標準碳化鎢鑲齒平底鉆頭相比,增強齒平底鉆頭耐磨性增強,鉆速更高,壽命更長,能更好地傳遞能量,反彈應力降低,減少了扭矩和鉆鋌磨損、疲勞破壞應力,消除了高成本的井底鉆具組合,減少了“狗腿”嚴重度,能夠鉆出更平滑的井眼,鉆井成本較低,主要解決了鉆頭徑向磨損問題,但不能消除徑向磨損。

圖3 沖擊鉆頭的發展歷程

1987年,在美國Stillwater、Utah附近進行了現場試驗,幾個?76.2 mm PDC加強齒沖擊鉆頭在研磨性砂巖鉆了2 133.6 m(7 000英尺),仍有不可忽視的本體磨損,但該區所用的碳化鎢平底鉆頭能持續91.44 m(300英尺),壽命延長了23倍。同時,美國Smith Tool公司也對加強型平底鉆頭進行了試驗,結果表明:即使進尺是普通沖擊鉆頭的3倍也沒有磨損,而且成本從＄55.77美元/m(17美元/英尺)下降到＄32.81美元/m(10美元/英尺),成本下降了49%,相當于使用了3只常規三牙輪鉆頭。

1988年,在Arkoma和Appalachian盆地的試驗也表明:加強齒沖擊鉆頭的鉆進時間是標準碳化鎢纖維沖擊鉆頭的24倍,同時還對22只增強齒沖擊鉆頭和標準沖擊鉆頭進行了比較試驗,鉆同井段時,增強齒的鉆速比標準的快45%,雖然增強齒鉆頭比標準沖擊鉆頭的成本高1.5～3.0倍,但增強齒的進尺遠遠比它大,最終總成本比標準平底鉆頭低33%,比三牙輪鉆頭低51%,同時還證明了沖擊鉆頭在該區鉆硬質頁巖和砂巖及有高的45°傾角的地層時,基本上不產生井斜。

以陡傾角而著稱的Appalachian、Arkoma和Permian盆地由于井斜、鉆速低和成本高等難題一直無法解決,1989年采用增強齒平底鉆頭成功地解決了該區難題,增強齒平底的鉆速是三牙輪的2～4倍,是平底鉆頭的1.3～3.0倍,而且井斜也有不同程度的降低。同年,在Allegheny高原所屬復雜地層,易產生井斜,有井斜時用鐘擺、高轉速吊打時不僅鉆速降低而且成本高,而且工具不能正確控制井眼軌跡,大大地增加了成本。

在20世紀70年代后期,為了控制井斜,試用了不同的空氣錘和鉆頭組合:小鉆壓的空氣錘和鐘擺鉆具組合鉆直井很有效,但由于其鉆頭壽命低而增加了成本,平底鉆頭由于其不具有保徑作用而受到限制,由此采用了增強齒平底鉆頭,大大降低了鉆井成本。試驗結果表明:鉆表層井眼時增強齒和碳化鎢平底鉆頭鉆速比碳化鎢三牙輪高128%,增強齒鉆頭鉆速又比碳化鎢平底鉆頭高 53%,成本低25%,比三牙輪鉆頭成本低22%;如果進尺小,要求低鉆速是不采用增強齒鉆進,它的成本比牙輪鉆頭的高50%～100%;鉆生產井眼時增強齒和碳化鎢平底鉆頭鉆速比碳化鎢三牙輪高61%,增強齒鉆頭又比碳化鎢平底鉆頭高83%,成本低24%,比三牙輪鉆頭成本低53%。而且在該區用沖擊鉆頭基本上沒有產生井斜,如果用牙輪鉆頭井斜在整個井段成為一個難題,狗腿嚴重度比沖擊鉆頭高62%,沖擊鉆井時間比牙輪鉆進時間少28%。

雖然增強齒平底鉆頭具有保徑作用,壽命長,鉆速高,又能控制井斜,但也不能一味地選擇它,要根據不同的地層選用不同的鉆頭類型,節約鉆井成本。例如鉆表層井眼,井淺一般選用碳化鎢平底鉆頭(成本相對比增強型低),如果是研磨性地層則選用增強齒鉆頭。

4 結語

空氣錘鉆頭從三牙輪鉆頭發展到平底鉆頭,再發展到增強齒平底鉆頭,解決了徑向磨損問題,大大地提高了鉆頭壽命,提高了機械鉆速,降低了鉆井成本,更能有效地控制井斜和減小狗腿嚴重度。據目前的發展形勢來看,空氣錘鉆進將在石油鉆探中不斷興起,其鉆頭的選配最終影響到鉆進成本和鉆進效率,由此平底鉆頭在國內具有廣闊的發展空間。

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Application of Air H ammer Bit

LIU Quan-ping1,WU You-de1,MENG Ying-feng2,LIANG Hong2
(1.Sichuan Engineering Technical College,Deyang618000,China;2.State Key L aboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Ex ploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China)

The investigation of a large number of materials about air hammer bit abroad was carried on:according to different strata to choose different face design hammer bit can control well deflection easier in percussion and rotary drilling,the flat-bottom bit ROP is three-to-six times of Tricone bit,but it has serious wear on the bit face,and need ream with Tri-cone bit,thus developing the diamond-enhanced hammer bit in order to solve the gauge wear problems,and a large number of tests were carried on about it in Stillwater,Allegheny plateau,Arkoma,Permian,Appalachian basin,the result is proved:it has higher ROP,longer life,lower costs,wear-resisting,control well deflection and dogleg severity,and has smooth well compared with flat-bottom bit.

drilling air hammer;tri-cone bit;flat-bottomed bit;diamond-enhanced hammer bit;research

1001-3482(2010)12-0060-04

TE921.1

A

2010-06-29

中石油集團公司“氣體鉆井技術相關基礎研究”項目(03A20204)

劉權萍(1979-),女,四川資中人,碩士研究生,主要從事欠平衡鉆井裝備研究,E-mail:liuquanping655@sohu. com。