新型孕鑲金剛石鉆頭研制及試驗(yàn)

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(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257017)

新型孕鑲金剛石鉆頭研制及試驗(yàn)

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(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257017)

PDC鉆頭不適用于深部砂泥巖互層，而采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)該類地層，存在鉆頭壽命短、進(jìn)尺少、機(jī)械鉆速低等問(wèn)題，為解決該問(wèn)題，研制了新型孕鑲金剛石鉆頭。首先通過(guò)鉆進(jìn)試驗(yàn)，確定金剛石濃度為80%。該金剛石由40/45目和70/80目?jī)煞N粒度組成，兩種粒度的金剛石分別占金剛石總量的65%和35%，其中40/45目金剛石起提高機(jī)械鉆速的作用，70/80目金剛石起增強(qiáng)耐磨性、延長(zhǎng)鉆頭壽命的作用。接著通過(guò)測(cè)試不同配方基體的力學(xué)性能，優(yōu)選出了碳化鎢含量24%、其他骨架料22%、粘接劑54%的 D-6 號(hào)基體配方。最后設(shè)計(jì)了“B”形冠部、140°內(nèi)錐角、20°后傾角、心部7顆φ16.0 mm優(yōu)質(zhì)PDC復(fù)合片防掏心結(jié)構(gòu)的新型孕鑲金剛石鉆頭。該鉆頭在元壩氣田進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，在相同井段單只鉆頭的進(jìn)尺與其他鉆頭相比平均增加了484.7%，機(jī)械鉆速平均提高了150.8%。這表明，新型孕鑲金剛石鉆頭為深部砂泥巖互層提供了一種新的高效破巖工具。

孕鑲金剛石鉆頭 鉆頭設(shè)計(jì) 機(jī)械鉆速 元壩氣田

油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在部分深部地層會(huì)鉆遇砂泥巖互層(如元壩氣田)，鉆頭須具有強(qiáng)耐磨性和剪切破巖性能，以提高機(jī)械鉆速。由于該類地層可鉆性差，PDC鉆頭不適用，而采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)進(jìn)尺少、機(jī)械鉆速慢、需要頻繁起下鉆，因此主要采用孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)。而現(xiàn)有孕鑲金剛石鉆頭僅以磨削方式破巖，適合鉆進(jìn)研磨性強(qiáng)的砂巖層，如用來(lái)鉆進(jìn)相對(duì)較軟的泥巖夾層則其機(jī)械鉆速較PDC鉆頭低。因此，對(duì)孕鑲金剛石鉆頭加以改進(jìn)，添加切削破巖方式，可以提高孕鑲金剛石鉆頭在砂泥巖地層中的機(jī)械鉆速[1]。為此，筆者按照該思路研制了新型孕鑲金剛石鉆頭。

1 金剛石及基體配方研究

1.1 金剛石配方設(shè)計(jì)

金剛石是孕鑲金剛石鉆頭的主要破巖元件，在鉆頭接觸巖石時(shí)通過(guò)金剛石刻劃巖石破巖，因此金剛石配方會(huì)直接影響到鉆頭的綜合性能。金剛石配方設(shè)計(jì)主要包括金剛石品級(jí)、粒度和濃度等的設(shè)計(jì)。

單位體積內(nèi)金剛石的數(shù)量NV為：

(1)

式中：NV為單位體積內(nèi)金剛石的數(shù)量，顆；c為金剛石濃度，400%制；d為金剛石粒徑，mm。

鉆頭工作面上單位面積內(nèi)金剛石的數(shù)量NA為：

(2)

式中：NA為鉆頭工作面上單位面積內(nèi)金剛石的數(shù)量，顆；k為金剛石出露系數(shù)。

從式(2)可以看出，工作面上金剛石數(shù)量隨著濃度及金剛石出露系數(shù)增大而增大，隨金剛石粒徑增大而減小。金剛石的濃度越高，工作面上的金剛石數(shù)量越多，參與破巖的金剛石越多，耐磨性越好，鉆頭的壽命越長(zhǎng)。但濃度達(dá)到一定值后會(huì)造成金剛石與金剛石接觸，降低基體對(duì)金剛石的包裹力，金剛石易脫落，縮短鉆頭壽命。金剛石品級(jí)越高，強(qiáng)度越大，耐磨性越強(qiáng)。金剛石粒度越大吃入地層越深，鉆頭的機(jī)械鉆速越快，但金剛石脆性好易破裂，粒度越大承受的載荷越大，越易碎裂脫落。而金剛石粒度越小鉆頭壽命越長(zhǎng)，進(jìn)尺越大，但機(jī)械鉆速慢[2-5]。

分別進(jìn)行了金剛石濃度為60%、80%、100%時(shí)的鉆進(jìn)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著金剛石濃度的增大鉆速變快，但當(dāng)金剛石濃度為100%時(shí)，金剛石脫落嚴(yán)重，切削同樣體積巖石時(shí)自身的磨損量大。金剛石濃度為80%時(shí)，鉆速度快且壽命長(zhǎng)。為使機(jī)械鉆速和進(jìn)尺都達(dá)到最優(yōu)，選用兩種粒度的金剛石作為切削元件：40/45目金剛石起破巖作用，提高機(jī)械鉆速；70/80目金剛石起耐磨作用，延長(zhǎng)鉆頭壽命。40/50目金剛石占金剛石總量的65%，70/80目金剛石占金剛石總量的35%。

1.2 基體配方設(shè)計(jì)

切削元件是由金剛石混裝在基體材料內(nèi)整體熱壓燒結(jié)而成?；w材料主要以碳化鎢為主，混以W，SiC和Fe等骨架料通過(guò)粘接劑粘接而成?；w材料起到包裹金剛石的作用，若包裹力小，金剛石沒(méi)有充分利用就會(huì)脫落造成金剛石浪費(fèi)，縮短鉆頭的壽命和進(jìn)尺[5-6]。若包裹力太大則基體材料太硬，金剛石無(wú)法出露，無(wú)法吃入地層，鉆頭無(wú)進(jìn)尺。為優(yōu)選最佳的基體配方，設(shè)計(jì)了5種基體材料配方并制作成試塊進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 基體配方及力學(xué)測(cè)試結(jié)果

Table 1 Ingredient of matrix and result of mechanical testing

從表1可以看出，5種配方的基體均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5217—2000對(duì)鉆頭基體力學(xué)性能的要求，但綜合考慮各種配方基體的綜合性能，選用D-6號(hào)配方。

基體采用D-6號(hào)配方，金剛石由65%的40/45目和35%的70/80目?jī)煞N粒度組成，制成小鉆頭(見(jiàn)圖1)進(jìn)行室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該鉆頭的機(jī)械鉆速快，耐磨性好，金剛石出露良好，可選為孕鑲金剛石鉆頭配方。

2 孕鑲金剛石鉆頭設(shè)計(jì)

孕鑲金剛石鉆頭設(shè)計(jì)以鉆頭平穩(wěn)鉆進(jìn)、高機(jī)械鉆速兼顧長(zhǎng)進(jìn)尺為主要目的。平穩(wěn)鉆進(jìn)可以保證鉆頭正常工作，延長(zhǎng)鉆頭壽命。因此，冠部形狀采用穩(wěn)定性好的“B”形剖面，選擇140°的小內(nèi)錐角提高其穩(wěn)定性。為提高切削效果，切削元件的后傾角設(shè)計(jì)為20°,以保證有效切削軟地層。心部采用7顆φ16.0 mm優(yōu)質(zhì)PDC復(fù)合片防掏心結(jié)構(gòu)。外側(cè)至保徑布置寬度為16.0 mm的孕鑲切削元件。保徑設(shè)計(jì)為200 mm，以保證高轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定性。采用大流道、深水槽、多水眼不等徑的水力結(jié)構(gòu),以提高清洗井底及冷卻切削齒的作用[7-8]。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

元壩氣田是繼普光氣田之后，中國(guó)石化在四川盆地發(fā)現(xiàn)的又一個(gè)大型海相氣田。該氣田存在地層研磨性強(qiáng)、可鉆性差的技術(shù)難點(diǎn)。資料統(tǒng)計(jì)分析表明：元壩地區(qū)地層可鉆性差(可鉆性級(jí)值為5～8級(jí))，陸相地層砂巖多為硅質(zhì)膠結(jié)，巖性致密，硬度大，研磨性強(qiáng)，PDC鉆頭不適用，而牙輪鉆頭進(jìn)尺少[9-12]。為此，在該氣田進(jìn)行了新型孕鑲金剛石鉆頭試驗(yàn)。新型孕鑲金剛石鉆頭在該氣田成功試驗(yàn)近10只，平均單只進(jìn)尺達(dá)到240.3 m，與其他鉆頭相比增加了484.7%，平均機(jī)械鉆速達(dá)到1.58 m/h，與其他鉆頭相比提高了150.8%。

3.1 元陸25井

元陸25井在大安寨段—東岳廟段進(jìn)行了新型孕鑲金剛石鉆頭試驗(yàn)。新型孕鑲金剛石鉆頭入井2次，第一次入井自井深3 629.81 m鉆至井深3 757.16 m，更換螺桿后第二次入井鉆至井深3 816.19 m起鉆。兩次入井共鉆進(jìn)186.38 m，平均機(jī)械鉆速1.5 m/h。與該區(qū)塊同井段其他鉆頭的使用情況相比，單只鉆頭進(jìn)尺增加了324.9%，機(jī)械鉆速提高了82.9%。

新型孕鑲金剛石鉆頭第一次起出后觀察發(fā)現(xiàn)，3只外側(cè)噴嘴被螺桿膠皮堵塞，7顆復(fù)合片中間的3顆磨損較輕、外面4顆崩磨過(guò)半，鉆頭新度60%；第2次起出發(fā)現(xiàn)，鉆頭磨損不明顯，仍可繼續(xù)使用。

3.2 元陸30井

元陸30井在鉆進(jìn)千佛崖組至自流井組地層時(shí)試驗(yàn)應(yīng)用了新型孕鑲金剛石鉆頭。新型孕鑲金剛石鉆頭入井2次，第一次入井自井深3 818.50 m鉆至井深3 977.06 m,因鉆至取心點(diǎn)起鉆；第二次入井自井深4 089.17 m鉆至井深4 349.16 m，因鉆速慢而起鉆。兩次入井共進(jìn)尺418.55 m，平均機(jī)械鉆速1.10 m/h，而采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)相同地層時(shí)的平均機(jī)械鉆速僅為0.66 m/h。

鉆頭起出觀察發(fā)現(xiàn)心部剩余高度5 mm，外側(cè)剩余高度8～10 mm，新度20%。與該井鉆進(jìn)千佛崖組地層的2只牙輪鉆頭相比，進(jìn)尺增加了594.7%，機(jī)械鉆速提高了66.7%。

分析現(xiàn)場(chǎng)巖屑發(fā)現(xiàn)，新型孕鑲金剛石鉆頭產(chǎn)生的巖屑有成塊狀的(見(jiàn)圖2)，而傳統(tǒng)孕鑲金剛石鉆頭磨削破巖產(chǎn)生的巖屑是粉末狀的。說(shuō)明新型孕鑲金剛石鉆頭工作時(shí)存在剪切破巖方式，這也是機(jī)械鉆速得到提高的原因。

4 結(jié) 論

1) 由粗細(xì)兩種粒度的金剛石和優(yōu)選的基體配方制成的孕鑲金剛石切削元件，可以起到兼顧提高破巖效率和鉆頭壽命的效果。

2) 切削元件設(shè)置一定的后傾角，基體具有合適的硬度，可使孕鑲金剛石鉆頭鉆遇軟夾層時(shí)具有一定的剪切破巖效果，從而提高機(jī)械鉆速。

3) 研制的新型孕鑲金剛石鉆頭在元壩氣田深部軟硬交錯(cuò)的砂泥巖互層起到了很好的提速效果，建議在相似地層中進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

References

[1] 楊順輝，武好杰，牛成成，等.特種孕鑲塊加強(qiáng)PDC鉆頭的研制與試驗(yàn)[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(6)：111-114. Yang Shunhui,Wu Haojie,Niu Chengcheng,et al.Manufacture and application of PDC bit enhanced by special diamond-impregnated segment[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(6):111-114.

[2] 潘秉鎖，史冬梅，楊凱華.金剛石粒度對(duì)孕鑲金剛石鉆頭性能的影響[J].煤田地質(zhì)與勘探，2002,30(3)：62-64. Pan Bingsuo,Shi Dongmei,Yang Kaihua.Effect of diamond size on the performance of impregnated diamond bit[J].Coal Geology & Exploration,2002,30(3)：62-64.

[3] 彭振斌，楊俊德，陳石林.金剛石鉆頭和金剛石鋸片中金剛石粒度設(shè)計(jì)[J].礦冶工程，2003，23(6)：76-78 Peng Zhenbin,Yang Junde,Chen Shilin.Diamond particle size composition of diamond bit and saw[J].Mining and Metallurgical Engineering,2003,23(6):76-78.

[4] 張紹和，楊凱華，魯凡.鉆頭鉆速與金剛石粒度間的定量關(guān)系研究[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2000，19(4)：105-108. Zhang Shaohe,Yang Kaihua,Lu Fan.Research on the quantification relation between bit’s drilling rotation and diamond size[J].Geological Science and Technology Information,2000，19(4)：105-108.

[5] 徐良，孫友宏，高科，等.針對(duì)須家河組巖性特征選擇仿生金剛石鉆頭參數(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2008，36(5)：43-46. Xu Liang,Sun Youhong,Gao Ke,et al.Parameter selection of bionics diamond bit for lithology of Xujiahe Formation[J].Petroleum Drilling Techniques,2008,36(5):43-46.

[6] 彭燁，王明華，關(guān)舒?zhèn)?，?鉆頭孕鑲體夾層對(duì)鉆速的影響試驗(yàn)[J].石油鉆探技術(shù)，2012,40(2)：113-116. Peng Ye,Wang Minghua,Guan Shuwei,et al.Experimental study of the interlayer effect in impregnated diamond blocks on ROP and wear extent[J].Petroleum Drilling Techniques,2012,40(2)：113-116.

[7] 陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術(shù)[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2000：62-64. Chen Tinggen,Guan Zhichuan.Drilling theory and technology[M].Dongying：Petroleum University Press,2000：62-64.

[8] 彭燁，王福修.鉆頭冠部剖面形狀設(shè)計(jì)模式[J].石油鉆探技術(shù)，1996,24(4)：41-42,50,65. Peng Ye,Wang Fuxiu.Design models of bits'crown profiles[J].Petroleum Drilling Techniques,1996,24(4)：41-42,50,65.

[9] 何龍.川東北地區(qū)優(yōu)快鉆井配套技術(shù)[J].鉆采工藝，2008,31(4)：23-26. He Long.Application of the optimum drilling technique in the northeast area of Sichuan[J].Drilling & Production Technology,2008,31(4)：23-26.

[10] 高航獻(xiàn)，瞿佳，曾鵬琿.元壩地區(qū)鉆井提速探索與實(shí)踐[J].石油鉆探技術(shù)，2010,38(4)：26-29. Gao Hangxian,Qu Jia,Zeng Penghui.Research and practice to improve drilling speed in Yuanba Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(4)：26-29.

[11] 董明鍵，肖新磊，邊培明.復(fù)合鉆井技術(shù)在元壩地區(qū)陸相地層中的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2010，38(4)：38-40. Dong Mingjian,Xiao Xinlei,Bian Peiming.Application of compound drilling technology in terrestrial formation in Yuanba Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(4):38-40.

[12] 張金成，張東清，張新軍.元壩地區(qū)超深井鉆井提速難點(diǎn)與技術(shù)對(duì)策[J].石油鉆探技術(shù)，2011，39(6)：6-10. Zhang Jincheng,Zhang Dongqing,Zhang Xinjun.Difficulties of improving rate of penetration and its technical solutions in Yuanba Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(6):6-10.

[編輯 劉文臣]

大牛地奧陶系風(fēng)化殼天然氣開(kāi)發(fā)獲突破

大牛地氣田奧陶系風(fēng)化殼天然氣資源量6.5×1011m3，屬鄂爾多斯盆地中部風(fēng)化殼巖溶斜坡帶，分布區(qū)域較為廣泛，儲(chǔ)層厚度大，是儲(chǔ)層發(fā)育的有利區(qū)。但其具有儲(chǔ)層品質(zhì)低、滲透性差、有利古地貌單元分布局限、厚度薄、連片性差等缺點(diǎn)。對(duì)此，中國(guó)石化華北油氣分公司在分析氣藏地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行科研攻關(guān)，掌握了天然氣高產(chǎn)主控因素與特征，建立了大牛地氣田奧陶系風(fēng)化殼儲(chǔ)層有利發(fā)育模式，明確了主力層位白云巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層分布發(fā)育規(guī)律；建立了風(fēng)化殼古地貌地震響應(yīng)模式，得出了有利儲(chǔ)層的展布特征。

由中國(guó)石化華北油氣分公司部署設(shè)計(jì)的大牛地氣田PG26井，在下古生界奧陶系風(fēng)化殼馬五段獲得無(wú)阻流量50.3×104m3/d的高產(chǎn)氣流，創(chuàng)該層段水平井產(chǎn)量紀(jì)錄，證明大牛地氣田下古生界風(fēng)化殼儲(chǔ)層具有一定的開(kāi)發(fā)潛力，有望成為該氣田的接替層位。

[供稿 石 鉆]

Development and Testing of a New Type of Diamond-Impregnated Bits

Guan Shuwei

(DrillingTechnologyResearchInstitute,SinopecShengliOilfieldServiceCorporation,Dongying,Shandong, 257017,China)

New type of diamond-impregnated bits were developed to solve the problem that PDC bit is not compatible and cone bits have shorter drilling life, less footage and lower ROP in thin sand shale interbed. Diamond concentration was determined to be 80% by drilling tests. Two formulae of diamond granularity were adopted, with 40/45-mesh coarse grain diamond taking up 65%, which was used to crush rocks to improve ROP, and 70/80-mesh fine grain diamond accounting for 35%, which was used to improve the abrasive resistance and service life of drill bits. By testing the mechanic performances of different formula matrices, the D-6 matrix formula was selected, in which tungsten carbide took up 24%, skeleton material 22%, and adhesive 54%. A new type of anti-hollow, high quality structured diamond-impregnated bits were developed ,which had “B”-shaped crown, and 140° inner cone angle, 20° back dip angle, and seven φ16mm diamond grains. The bits were tested in the Yuanba Gas Field. The field test result showed that the average footage was increased by 484.7% and the average rate of penetration was increased by 150.8% compared with other bits in same well sections. The successfully developed new type diamond-impregnated bits are new rock crushing tools with high efficiency for drilling in deep thin sand-shale interbeds.

impregnated diamond bit； bit design； penetration rate； Yuanba Gas Field

2015-01-07；改回日期：2015-06-11。

關(guān)舒?zhèn)?1981—)，男，黑龍江依蘭人，2005年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，2008年獲西南石油大學(xué)材料學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，工程師，主要從事石油鉆井用金剛石鉆頭的研究。

?鉆采機(jī)械?

10.11911/syztjs.201504023

TE921+.1

A

1001-0890(2015)04-0129-04

聯(lián)系方式：paper_swg@163.com。