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(yè)技術學院,四川德陽618000;2.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)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(yè)技術學院,四川德陽618000;2.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)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(diào)研。在沖擊回轉鉆進中,根據(jù)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(fā)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(nèi)外各個領域受到廣泛重視和應用[1-5]。空氣錘鉆頭(也叫沖擊鉆頭或平底鉆頭)以沖擊為主、旋轉為輔聯(lián)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(fā)性沖擊載荷外,還承受剪切和彎曲作用。目前國內(nèi)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(xiàn)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(yè)空氣錘,后被取而代之;同樣,工業(yè)錘所能承受工作壓力僅為0.69 MPa,工作效率仍受到限制。據(jù)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(yè)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(tǒng)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(fā)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(shù)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(zhì)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(yè)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(qū)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(nèi)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(zhì)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(xù),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(shù)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(yōu)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(fā)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(zhì)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(zhì)合金邊齒,內(nèi)排齒協(xié)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(zhì)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(jù)不同地質(zhì)條件選配最佳的端面設計。平底鉆頭雖然有許多優(yōu)點,但經(jīng)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(qū)鉆生產(chǎn)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(fā)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(zhì)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(fā)展歷程

1987年,在美國Stillwater、Utah附近進行了現(xiàn)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(qū)所用的碳化鎢平底鉆頭能持續(xù)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(guī)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(qū)鉆硬質(zhì)頁巖和砂巖及有高的45°傾角的地層時,基本上不產(chǎn)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(qū)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(chǎn)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(chǎn)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(qū)用沖擊鉆頭基本上沒有產(chǎn)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(jù)不同的地層選用不同的鉆頭類型,節(jié)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(fā)展到平底鉆頭,再發(fā)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(jù)目前的發(fā)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(nèi)具有廣闊的發(fā)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。