南堡油田深部地層微心PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周巖 宋巍 程東 朱寬亮 黨輝

1.中國石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院；2.中國石油渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)處；3.中國石油冀東油田分公司勘探開發(fā)建設(shè)工程事業(yè)部

近年來南堡油田地質(zhì)勘探開發(fā)重點(diǎn)已經(jīng)由中淺層轉(zhuǎn)移至深層?xùn)|營組、沙河街組油藏，受深部地層壓實(shí)強(qiáng)度高、可鉆性差、泥巖膠結(jié)致密，塑性強(qiáng)等特性影響，PDC鉆頭吃入地層困難，機(jī)械鉆速慢，進(jìn)尺少，嚴(yán)重制約深部地層鉆井提速［1-3］。常規(guī)PDC鉆頭設(shè)計(jì)由于有諸多限制，在壓實(shí)程度高、塑性強(qiáng)、膠結(jié)致密的深部泥巖地層難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)突破。針對南堡油田深部地層特點(diǎn)研制出心部特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的微心鉆頭，采用鉆頭中心區(qū)域無PDC切削齒設(shè)計(jì)，以增加其他切削齒的有效比鉆壓，將更多的能量分配給承擔(dān)更多工作的切削結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場試驗(yàn)取得了較好的鉆井提速效果。

1 南堡油田深部地層巖性特征

南堡油田深部地層巖性以致密泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂礫巖、灰質(zhì)泥巖為主。隨著地層埋深的增加，深部井段的泥巖在上覆地層壓力作用下變得非常致密，巖石的硬度、塑性系數(shù)和強(qiáng)度均相應(yīng)增加，巖石的破碎過程從常壓下單純的脆性破碎或塑性刮擠剝離向強(qiáng)脆性或硬塑性轉(zhuǎn)化，地層可鉆性變差［4］。常規(guī)PDC鉆頭在鉆遇深部地層致密、塑性泥巖時(shí)破巖效率低，平均機(jī)械鉆速僅為3 m/h左右，鉆井速度慢，鉆頭出井后無明顯損壞，嚴(yán)重制約著深部地層鉆井提速提效。

2 巖石力學(xué)特性

巖石可鉆性是判斷鉆進(jìn)巖石難易程度的重要參數(shù)，也是鉆頭設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)［5-6］。利用南堡油田實(shí)鉆巖心對東營組、沙河街組地層巖石力學(xué)性質(zhì)和可鉆性級值進(jìn)行了室內(nèi)測試，結(jié)果見表1。

表1 南堡油田東營、沙河街組地層的巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)及可鉆性級值Table 1 Rock mechanical parameters and drillability grade of Dongying formation and Shahejie formation in Nanpu Oilfield

由表1可知，東營組地層可鉆性平均級值為5.4級，單軸抗壓強(qiáng)度 28.87～80.73 MPa，硬度 105.4～1 501.8 MPa，研磨性 10.1～81.3 mg；沙河街組地層可鉆性平均級值為5.7級，抗壓強(qiáng)度24.26～129.4 MPa，硬度 376.5～1 557.9 MPa，研磨性 10.85～52.2 mg，屬于中等抗壓強(qiáng)度、中硬、中等研磨性地層。

對實(shí)鉆巖心開展模擬井下高壓環(huán)境下的巖石可鉆性實(shí)驗(yàn)［7-8］，由表2可以看出，深部地層鉆進(jìn)過程中，隨著井深的增加，上覆巖層壓力不斷增加，加上鉆井液液柱壓力、井底圍壓等共同作用，導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)較常溫常壓下發(fā)生了明顯改變，特別是泥巖，由常溫常壓下的脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐内厔莞用黠@，在模擬井下條件時(shí)泥巖塑性明顯增強(qiáng)，部分巖心可鉆性實(shí)驗(yàn)無法獲取數(shù)據(jù)，表明南堡油田深部地層可鉆性差，泥巖塑性強(qiáng)，鉆頭不易吃入，破碎困難。

3 微心PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)

常規(guī)PDC鉆頭由于心部旋轉(zhuǎn)半徑小，線速度低，心部承壓比例大，從而產(chǎn)生吸壓效應(yīng)，同時(shí)鉆頭橫向振動(dòng)，心部切削齒相對巖石的運(yùn)動(dòng)方向不能穩(wěn)定地指向PDC復(fù)合片的切削方向，導(dǎo)致鉆頭心部切削效率低。微心鉆頭由于其心部空缺不覆蓋，免于破巖，減少了吸壓效應(yīng)。針對南堡油田深部地層的特點(diǎn)，通過理論分析，應(yīng)用等磨損原則和力平衡原則對微心PDC鉆頭冠部輪廓和切削齒結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了個(gè)性化設(shè)計(jì)［9-18］。

表2 模擬井底高壓環(huán)境的巖心可鉆性實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果Table 2 Test result of core drillability in the simulated bottom hole environment with high pressure

3.1 鉆頭剖面形狀設(shè)計(jì)

冠部輪廓采用無心軸式特殊結(jié)構(gòu)，平內(nèi)錐、寬冠頂、加長外錐設(shè)計(jì)(圖1)。無心軸式特殊結(jié)構(gòu)能夠保證獲得大塊巖屑；平內(nèi)錐、寬冠頂可增加鉆頭切入硬夾層時(shí)工作齒數(shù)，增強(qiáng)鉆進(jìn)硬夾層的能力；加長外錐面可使鉆頭上最易磨損的外錐部區(qū)域布齒空間增大，通過增加切削齒數(shù)，降低外錐部切削齒的磨損速度，使鉆頭的磨損更加均勻；平內(nèi)錐設(shè)計(jì)與力平衡設(shè)計(jì)相結(jié)合，既有利于提高鉆頭的穩(wěn)定性，又能改善鉆頭的定向鉆進(jìn)性能。

圖1 微心鉆頭Fig.1 Micro-core bit

3.1.1 心部結(jié)構(gòu)

無心軸式設(shè)計(jì)即PDC鉆頭中心區(qū)域采用無PDC切削齒設(shè)計(jì)，鉆頭基體中心區(qū)域有一個(gè)允許鉆頭鉆進(jìn)時(shí)可以形成微巖心柱的凹槽區(qū)，心部外側(cè)的兩顆切削齒的邊緣位置，在井下工作時(shí)能夠圍繞凹槽區(qū)形成1個(gè)直徑20 mm的圓，深度為25 mm，使巖心柱進(jìn)入槽內(nèi)，在心部無切削設(shè)計(jì)部分的凹槽頂端，設(shè)計(jì)?16 mm切削齒用于將心部形成的巖心柱卡斷或破碎。

3.1.2 冠部結(jié)構(gòu)

內(nèi)錐角為180°平內(nèi)錐設(shè)計(jì)，有利于提高鉆頭的攻擊力和工作穩(wěn)定性；冠頂部位設(shè)計(jì)相對平緩，可使切削齒受力更為均勻，避免個(gè)別齒因受力較大而先期損壞，有利于提高鉆頭壽命；加長外錐設(shè)計(jì)使得外錐面布齒更多，分擔(dān)了每個(gè)齒的切削壓力，使切削齒的壽命更長，從而提高鉆頭進(jìn)尺。

3.2 鉆頭布齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 切削結(jié)構(gòu)

采用了直刀翼和減震齒同軌布置的切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇?16 mm切削齒，5刀翼，鋼體式設(shè)計(jì)(圖1)；主切削齒后排選用球頭硬質(zhì)合金齒作為輔助切削齒，提高鉆頭的穩(wěn)定性；在3個(gè)副刀翼后加裝?12 mm后排異形切削齒，該切削齒頂部為圓錐形設(shè)計(jì)，布有金剛石顆粒，比普通切削齒攻擊性更強(qiáng)，在起到減震作用的同時(shí)能起到一定的輔助破巖作用，集中的點(diǎn)負(fù)荷能更有效地讓能量從切削齒傳遞到地層，分擔(dān)主切削齒的切削載荷。

3.2.2 布齒設(shè)計(jì)

綜合考慮微心鉆頭布齒密度對鉆頭攻擊力和鉆頭壽命的影響，以有效覆蓋、均勻磨損和受力平衡為原則，通過PDC鉆頭三維設(shè)計(jì)軟件，對布齒方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用中高密度布齒，切削齒數(shù)量34枚，鉆頭冠部設(shè)計(jì)?16 mm主切削齒和?12 mm輔助減震齒，直線分布在5個(gè)刀翼上，通過鉆頭力學(xué)計(jì)算分析，鉆頭整體受力不平衡度為2.5%。

3.2.3 切削齒工作角

南堡油田深部地層巖石硬度高，塑性強(qiáng)，研磨性較高，在同等鉆壓下，小工作角設(shè)計(jì)能有效吃入地層，但切削齒抗沖擊強(qiáng)度會(huì)降低，影響鉆頭壽命。根據(jù)前期該地層鉆頭使用情況，微心鉆頭的心部至外錐切削齒工作角優(yōu)化設(shè)計(jì)為15～18°，以有效提高切削齒的抗沖擊性，延長切削齒使用壽命。同時(shí)為有利于微心鉆頭清洗巖屑和使心部被剪切下來的巖心主動(dòng)向排屑槽及環(huán)形空間運(yùn)移，避免切削齒與井底的干涉現(xiàn)象，提高鉆進(jìn)效率，微心鉆頭側(cè)轉(zhuǎn)角優(yōu)化設(shè)計(jì)為 0～5°。

3.3 水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使微心鉆頭所獲得的大塊巖屑能夠順利被帶走，不發(fā)生泥包，中心噴嘴采取了特殊矩形噴嘴設(shè)計(jì)(圖1)，此種水力結(jié)構(gòu)沖洗的區(qū)域更大，可在保證微心鉆頭心部形成的巖屑順利排出的前提下，加快巖屑排出效率，避免形成心部堆積，提高鉆頭破巖效率。鉆頭總計(jì)設(shè)計(jì)6個(gè)噴嘴，中心設(shè)置1個(gè)固定噴嘴，其余5個(gè)活動(dòng)噴嘴分布在各刀翼間。

3.4 鉆頭保徑設(shè)計(jì)

基于理論分析與PDC鉆頭的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并鑒于深部地層研磨性較強(qiáng)，鉆頭保徑易被磨損導(dǎo)致井徑縮小的情況，在保徑塊處釬焊了PDC切削齒，并在鉆頭肩部設(shè)計(jì)了?13 mm齒作為主動(dòng)保徑齒，提高鉆頭的保徑能力，保徑齒后傾角設(shè)計(jì)25°。考慮到在鉆井過程中經(jīng)常需要進(jìn)行短起下作業(yè)，為防止卡鉆，在每個(gè)保徑塊上都設(shè)計(jì)了倒劃眼齒。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

微心PDC鉆頭在南堡油田深部地層現(xiàn)場試驗(yàn)15井次，鉆進(jìn)層位均為東三段、沙一段深部難鉆地層，其平均機(jī)械鉆速達(dá)8.7 m/h，與鄰井鉆頭機(jī)械鉆速相比提高40%以上(表3)，同等工況下提高了純鉆時(shí)效，有效提高了鉆頭破巖效率。微心鉆頭現(xiàn)場試驗(yàn)最高進(jìn)尺1 119 m，單只鉆頭平均進(jìn)尺470 m，與鄰井鉆頭平均進(jìn)尺相比，提高一倍。鉆進(jìn)指標(biāo)同前期南堡油田深部地層單只PDC鉆頭平均進(jìn)尺220 m、平均機(jī)械鉆速3 m/h相比顯著提高。

表3 微心鉆頭現(xiàn)場試驗(yàn)指標(biāo)與鄰井鉆頭的對比情況Table 3 Field test indexes of micro-core bit and its comparison with the bit in its neighboring well

通過鉆頭出井情況分析(圖2)，鉆頭損壞情況為正常磨損，未見嚴(yán)重崩齒與特殊形式損壞，也未出現(xiàn)鉆頭泥包與鉆頭本體沖蝕現(xiàn)象。試驗(yàn)表明微心鉆頭通過個(gè)性化設(shè)計(jì)，在深部地層鉆進(jìn)具有良好的穩(wěn)定性與抗沖擊性，有效提高了單只鉆頭的機(jī)械鉆速與進(jìn)尺，縮短了鉆井周期，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖2 微心鉆頭出井照片F(xiàn)ig.2 Photo of micro-core bit taken out of the hole

5 結(jié)論與建議

(1)實(shí)鉆巖心室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，常溫常壓下巖石力學(xué)性質(zhì)與模擬井下環(huán)境下的巖石力學(xué)性質(zhì)存在較大差異，模擬井下環(huán)境下的巖石可鉆性變得更差，尤其是深部泥巖，因此開展巖石力學(xué)性質(zhì)及可鉆性測試分析，是進(jìn)行深部地層鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)。

(2)微心鉆頭設(shè)計(jì)采用平內(nèi)錐、加長的外錐、中高密度布齒、輔助減震齒等設(shè)計(jì)，提高了鉆頭的攻擊力和工作穩(wěn)定性，使切削齒受力更為均衡，避免切削齒因受力不均而先期損壞。在南堡油田深部地層的應(yīng)用表明，該鉆頭顯著提高了深部難鉆地層的機(jī)械鉆速和單只鉆頭進(jìn)尺，提升了深部難鉆地層鉆井速度和效率。

(3)微心鉆頭作為一種新型的破巖工具，現(xiàn)場試驗(yàn)雖取得了較好的鉆進(jìn)指標(biāo)，但其個(gè)性化設(shè)計(jì)仍需進(jìn)一步加大攻關(guān)研究。