強攻擊型鑲齒牙輪鉆頭設計關鍵技術及應用

楊海東 汪俊鋒

中海油能源發展股份有限公司工程技術湛江分公司, 廣東 湛江 524057

0 前言

南海西部北部灣盆地地質層位自上而下分為新近系望樓港組、燈樓角組、角尾組、下洋組、古近系潿洲組和流沙港組。常用的井身結構是:508.00 mm隔水管+406.40 mm井眼和339.73 mm套管+311.15 mm井眼和244.48 mm套管+215.90 mm井眼和177.80 mm尾管。北部灣盆地鉆井事故率高,據統計,在潿西南的潿洲10-3油田、潿洲12-1油田開發項目中鉆井復雜事故率超過60%,鉆井成本超2萬元/m,是業內典型的鉆井事故高發區域[1-3]。經過多年來對井身結構的優化和探索,總結得出解決問題的關鍵措施之一是一開406.40 mm井段打穿新近系地層,將表層339.73 mm套管下至潿洲組一段頂部[4-6]。

為提高效率降低鉆井成本,期望實現1只鉆頭1趟鉆完成406.40 mm井眼鉆進。而實際作業中,銑齒牙輪鉆頭壽命短，無法穿越下洋組砂礫巖地層,PDC鉆頭與馬達配合時MWD工具面不穩無法實施定向鉆井,常規鑲齒牙輪鉆頭設計與地層不匹配、機械鉆速低,3種常用類型鉆頭均需要至少2趟鉆完成,亟需鉆頭技術創新突破,在此背景下,研發了適用于該區塊的強攻擊型鑲齒牙輪鉆頭,實現1只鉆頭、1趟鉆打穿新近系地層,創造中國海洋石油有限公司兩項紀錄,提質增效顯著,鉆頭技術發展為井身結構調整應對潿洲組鉆井難題奠定了基礎。

1 地層可鉆性分析

1.1 巖性特點

北部灣盆地新近系及其以上地層為一套盆地坳陷期的濱淺海相碎屑巖沉積,地層埋深較淺,下洋組底部平均垂深約1 400～1 500 m,整個北部灣盆地內新近系地層沉積厚度相對穩定[7-8],典型的新近系地層特征見表1,總結各地層序列巖性特點以及實鉆情況,地層可鉆性有以下特點和規律。

1)燈樓角組及以上地層巖性以細砂巖、砂礫巖、軟泥巖為主,膠結疏松,可鉆性極好。

2)角尾組以大套泥巖為主,底部少量砂巖夾層,泥巖極易水化,可鉆性好。

3)下洋組以砂巖為主,中下部地層含礫嚴重,礫徑一般為2～4 mm,最大礫徑可達6 mm,多為疏松的泥質膠結,整體可鉆性良好,但偶有膠結致密的硬夾層,容易造成切削齒嚴重磨損、崩斷。

表1 地層特征統計表

1.2 抗壓強度分析

抗壓強度和內摩擦角是地層可鉆性評價的重要參數,結合行業內對區塊可鉆性研究成果,通過聲波測井資料,利用巖石力學軟件可實現地層可鉆性分析[9-11]。從軟件分析結果可見該區塊地層整體抗壓強度約為6～20 MPa,內摩擦角約20°～30°,下洋組中下部抗壓強度逐漸增高,存在較多硬夾層,夾層最高抗壓強度約34～69 MPa,可鉆性分析結果見圖1。

圖1 潿洲某油田地層可鉆性分析圖Fig.1 Formation drillability analysis of a oilfield in Weizhou formation

1.3 鉆頭選型關鍵點

北部灣盆地新近系地層鉆頭選型伴隨井身結構優化和油田降本增效需求開展,鉆頭選型上需要重點考慮幾方面因素。

1)需配合馬達造斜。結合鉆井作業降本需求,新近系地層定向鉆井作業原則上使用馬達鉆具組合,要求鉆頭與馬達配合可有效控制軌跡。

2)進尺較長。為滿足后續井段作業需求,一開井段需鉆穿新近系地層,表層套管下至潿洲組頂部地層,井段最高進尺接近2 000 m。

3)穿越硬夾層。地層可鉆性差異較大,下洋組硬夾層、砂礫巖對鉆頭磨損嚴重,鉆井效率低。

2 鉆頭使用現狀分析

北部灣盆地新近系地層鉆頭選型有三個階段,使用情況及存在問題如下。

2.1 銑齒牙輪階段

銑齒牙輪鉆頭主要使用時期為2014年以前,具有成本低、可以配合馬達使用的優點。表層井段使用海水拌土漿鉆井液體系半開路鉆進,鉆井液含砂量較高,在4 500～5 000 L/min的大排量下,流體沖刷對牙輪沖蝕十分嚴重,切削齒沖蝕及磨損后機械鉆速急劇降低,鉆進至潿洲組一段需要2趟鉆,適用于完鉆深度在下洋組頂部及以上地層的井。

2.2 PDC鉆頭階段

PDC鉆頭主要使用時期為2014年—2016年,具有攻擊性強、穿越硬夾層能力強、機械鉆速高的優點,但在定向井中,PDC鉆頭與馬達配合使用時MWD工具面極不穩定[12],深層造斜時純鉆進效率低于50%,定向鉆進必須與昂貴的旋轉導向工具配合使用,使用成本較高,主要用于直井和定向井的第2趟鉆穩斜井段。近年國內外鉆井中探索使用“牙輪—PDC”復合鉆頭,嘗試解決MWD工具面不穩定、軟硬交錯地層鉆頭抗沖擊等問題,取得了一定效果,也說明了牙輪鉆頭對解決這類問題的關鍵性[13-16]。

2.3 鑲齒牙輪階段

鑲齒牙輪鉆頭在2016年以后得到逐步應用,可以配合價格低廉的馬達進行定向鉆井,壽命長,具備單只鉆頭打穿新近系地層能力,但常規鑲齒牙輪適用于中硬地層,抗研磨性強,攻擊性弱,角尾組及以下地層機械鉆速低至10 m/h,鉆井周期長，綜合成本極高。

3 強攻擊型鑲齒牙輪鉆頭設計

鑒于銑齒牙輪和PDC鉆頭存在難以解決的適用性缺陷,優選出通過對鑲齒牙輪鉆頭設計優化來解決當前鉆頭技術困難的方案。采用直觀的思維導圖原理,針對鑲齒牙輪鉆頭應用中的痛點進行針對性的創新設計嘗試,使用中開展持續的優化,研發出成熟的強攻擊型鑲齒牙輪鉆頭設計方案,形成三項鑲齒牙輪鉆頭設計優化核心技術,強攻擊型鑲齒牙輪鉆頭設計思路見表2。

表2 強攻擊型鑲齒牙輪鉆頭設計思路表

3.1 加強型鑲齒設計技術

鑲齒牙輪鉆頭主要是針對具有研磨性的硬地層而設計,由于齒出刃低,攻擊型相對較弱。在可鉆性較好的新近系地層,使用鑲齒牙輪會嚴重限制機械鉆速,為解決鑲齒牙輪鉆頭攻擊性不足問題,對鑲齒牙輪鉆頭的設計優化直接從齒入手,鑲齒牙輪鉆頭切削齒優化示意圖見圖2。

1)優化選用硬質合金齒加長版楔齒,在不改變齒的強度和密度前提下,將齒的高度由22.18 mm增高至23.83 mm,通過增加出刃高度來提升攻擊性。

2)將齒頂寬度加寬1.2 mm,工作刃總長度大而寬,因而相對減少磨損。

3)牙輪根據破巖工作原理分為超頂、移軸和復錐,各牙輪配合達到破巖效果,齒高和齒寬變化對三牙輪配合產生干涉。根據牙輪鉆頭井底擊碎圖等設計原理[17-18],采用專業軟件對齒圈布置進行優化,模擬鉆頭在井底的工作動態,對移軸定量分析計算,各圈齒運動軌跡形成包絡線,優化布齒，解決齒間干涉,均衡單齒破巖量，提高壽命和破巖效率。

圖2 鑲齒牙輪鉆頭切削齒優化示意圖Fig.2 Optimization of cutting teeth of the inserted cone bit

3.2 高抗研磨設計技術

海水般土漿大排量鉆進對鉆頭流道和切削齒沖蝕問題十分嚴重,同時下洋組及以下地層以砂巖為主,具有一定的研磨性,針對流體沖蝕及地層研磨性造成鉆頭先期損壞影響壽命的問題,從以下方面進行設計優化。

1)減少鑲齒熱處理后基體滲碳層車削,可以增加牙輪殼體表面硬度[19]。

2)三牙輪鉆頭水力系統的最佳設計必須滿足井底巖屑的脫離—運移—舉升三個基本動作的有效配合[20-21],采用ANSYS軟件進行井底流場數值模擬分析,增大噴嘴出口直徑及優化角度,降低噴射速度，減少沖蝕。

3)特制保徑齒,在外排與背錐齒排之間增加設計特制保徑齒,其目的是減少牙輪殼體磨損,修整井壁,改善鉆井質量,特制保徑齒設計示意圖見圖3。

圖3 鑲齒牙輪鉆頭特制保徑齒設計示意圖Fig.3 Design of special diameter retaining teethof the inserted cone bit

3.3 全掌背保護設計技術

由于鑲齒加長,為保障齒的抗斷力和緊固力,要求齒的直徑要適當增大、齒孔深度加深、各排屑槽深度加深,從而對應的軸承壁厚會減少[22-23]。為強化軸承保護,延長鉆頭壽命,特制了加強牙輪掌背設計。

1)為提高鉆頭的抗研磨性,在掌背添加耐磨性較強的合金齒,掌背齒略突出背錐面,齒形采用半球形齒,具有良好的耐磨性且不容易發生破裂,可增強鉆頭抗縮徑能力,避免過度磨損造成軸承密封泄露失效。

2)采用全掌背保護,在掌尖位置加寬加厚敷焊硬質合金耐磨層,保護密封,鑲齒牙輪鉆頭全掌背保護設計示意圖見圖4。

圖4 鑲齒牙輪鉆頭全掌背保護設計示意圖Fig.4 Palm back protection design of the inserted cone bit

4 應用效果

改進后的強攻擊型鑲齒牙輪鉆頭完全滿足1趟鉆打穿新近系地層的需求,并可根據需求鉆進至潿洲組一段頂部超200 m,在2016年以后的北部灣開發調整井中逐步得到普遍應用,目前基本取代銑齒牙輪和PDC鉆頭，成為區塊主力鉆頭型號。在潿洲6-13油田開發項目中，改進后的強攻擊型鑲齒牙輪鉆頭4次打破中國海洋石油有限公司鉆井紀錄:A4 H井單只鑲齒牙輪鉆頭進尺1 860.30 m,打破了此前的最高進尺紀錄、鑲齒牙輪鉆頭單次起下鉆進尺2項紀錄,A8井單只鑲齒牙輪鉆頭進尺1 906.65 m,再次刷新該2項記錄。

在機械鉆速方面,對鉆進至潿洲組一段頂部的歷年典型井進行統計,銑齒牙輪鉆頭配合馬達平均機械鉆速為64 m/h,改進后的強攻擊型鑲齒牙輪鉆頭配合馬達平均機械鉆速為82 m/h,較銑齒牙輪鉆頭可提速28%,不同類型鉆頭應用效果對比見圖5。在經濟性方面,在完鉆井深相似的井中,“強攻擊型鑲齒牙輪+馬達”與“PDC鉆頭+旋轉導向”機械鉆速基本持平。強攻擊型鑲齒牙輪鉆頭與馬達配合使用可滿足定向鉆進中軌跡控制要求,相比使用旋轉導向工具,單井費用可降低超50萬元/井段。

圖5 不同類型鉆頭應用效果圖Fig.5 Application effect of different bits

5 結論及建議

1)強攻擊型鑲齒牙輪鉆頭設計方案成熟,性能穩定,在北部灣盆地新近系地層鉆井作業中應用占比超90%,是北部灣盆地新近系地層的主力鉆頭,對類似油田鉆頭設計和選型具有推廣借鑒意義。

2)對于完鉆層位在下洋組頂部及以上地層的井,由于地層可鉆性較好,不屬于強攻擊型鑲齒牙輪鉆頭的優勢井段,推薦使用常規銑齒牙輪鉆頭,可以獲得較高性價比。

3)建議后續研究對鑲齒牙輪鉆頭軸承及密封設計技術進行優化提升,可有效延長鉆頭使用壽命,有助于應對砂礫巖地層鉆進安全性和穩定性,獲得更高的進尺。