林四元, 李 中, 黃 熠, 陳浩東, 楊玉豪, 高濟稷
(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東湛江 524057;2.斯倫貝謝中國地球科學與石油工程研究院,北京 100015)
南海西部海域文昌區(qū)塊古近系珠海組二段、三段,恩平組及文昌組地層埋深較深,受埋深及巖性影響,采用常規(guī)鉆頭鉆進珠海組二段和三段上部地層平均機械鉆速只有10.0~15.0 m/h,鉆進珠海組三段下部以及恩平組地層時平均機械鉆速只有5.0~8.0 m/h,在使用常規(guī)移動式鉆井平臺作業(yè)模式條件下,機械鉆速嚴重制約了鉆井效率的提高和鉆井成本的控制[1-5]。針對文昌區(qū)塊深部地層抗壓強度較高、研磨性較強、可鉆性較差的特點,先后嘗試通過常規(guī)鉆頭優(yōu)化設計和使用扭沖工具、水力脈沖工具等措施解決機械鉆速低的問題,但均未達到預期效果。為此,筆者針對常規(guī)固定切削齒PDC鉆頭存在偏磨及產(chǎn)生磨擦熱的不足,研制了旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭,并通過優(yōu)化布齒等方法使其更適合于文昌區(qū)塊深部地層。旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭在該區(qū)塊3口探井進行了現(xiàn)場應用,結(jié)果表明,該鉆頭提速效果良好,值得推廣應用,這對文昌區(qū)塊及類似強研磨性地層進行鉆頭選型和鉆井提速具有借鑒意義。
統(tǒng)計了文昌區(qū)塊具有代表性的7口井(WC1,WC2,WC3,…,WC7)古近系地層的機械鉆速,結(jié)果見圖1。
圖1 文昌區(qū)塊深部地層機械鉆速統(tǒng)計Fig.1 Statistics of ROPs in deep formations drilling of the Wenchang Block
由圖1可知:珠海組二段地層的平均機械鉆速為15.39 m/h,珠海組三段地層的平均機械鉆速為10.07 m/h,恩平組地層的平均機械鉆速為5.68 m/h。分析發(fā)現(xiàn),古近系之前的珠江組地層平均機械鉆速較高,進入古近系地層以后平均機械鉆速明顯降低,在一個井段同時鉆遇其中多套地層時整體機械鉆速較低。
由文昌區(qū)塊深部地層的巖性分析可知,珠海組二段和三段及恩平組地層的砂巖含量高,砂巖占42%~71%,泥巖占23%~48%,研磨性高的砂礫巖含量高達6%以上。結(jié)合相關(guān)研究成果[6],進一步分析文昌區(qū)塊古近系地層特征,可知:
1) 珠海組二段地層的抗壓強度為60~80 MPa,珠海組三段地層的抗壓強度為65~120 MPa,恩平組地層的抗壓強度為85~150 MPa,局部高達170 MPa,抗壓強度整體偏高。
2) 珠海組二段和三段地層的巖性較為致密,且含有粒徑不大的礫石顆粒,可鉆性較差,研磨性偏高;珠海組三段下部及恩平組地層巖性致密,可鉆性極差,研磨性極高。
3) 當鉆進砂巖和砂礫巖層等軟硬夾層時,常規(guī)鉆頭的穩(wěn)定性和抗沖擊性較差,在井底受到側(cè)向不平衡力的作用過大,產(chǎn)生頻繁渦動而形成沖擊載荷,造成鉆頭先期損壞。
4) 文昌區(qū)塊古近系地層的研磨性強,常規(guī)PDC鉆頭抗研磨性較差,導致肩部切削齒很快被磨損甚至失效,破巖效率降低。
常規(guī)PDC鉆頭的切削齒被鎧裝在刀翼上,存在2個問題[7-9]:1)利用率不足,即只有切削齒出露部分才能與地層接觸、參與切削巖石;2)過度磨損,即出露部分持續(xù)與地層接觸產(chǎn)生局部偏磨和局部高溫造成切削齒磨損嚴重。為此,筆者擬研制一種旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭,使其具有高抗研磨性、抗沖擊性和攻擊性,并適用于文昌區(qū)塊深部地層。
常規(guī)PDC鉆頭的主要磨損特征是:肩部切削齒磨損或肩部過度磨損出現(xiàn)環(huán)形槽;多趟鉆出井鉆頭磨損評級(IADC磨損評級)內(nèi)排齒為2~5,外排齒為4~8,并且在切削齒的切削邊緣能清晰看到磨損形成的“磨平面”。這說明與內(nèi)錐相比,肩部位置切削齒的線速度大,切削地層能耗高,加劇了切削齒的磨損和鈍化[10-11]。因此,研制新鉆頭時應減少肩部切削齒的磨損、提高其耐磨性,即通過優(yōu)選、引進旋轉(zhuǎn)切削齒,將常規(guī)切削齒固定部位磨損優(yōu)化為旋轉(zhuǎn)切削齒的周向均勻磨損,提升鉆頭的耐磨性和攻擊性[12-13],以達到提高機械鉆速、增加單只鉆頭進尺的目的。
針對固定切削齒PDC鉆頭在文昌區(qū)塊深部地層鉆進中存在的不足,為提高切削齒的利用效率,用可360°旋轉(zhuǎn)的切削齒取代鉆頭肩部這一高磨蝕區(qū)的固定PDC切削齒[14]。圖2、圖3所示分別為固定切削齒和旋轉(zhuǎn)切削齒的切削長度和摩擦熱對比。
圖2 固定切削齒和旋轉(zhuǎn)切削齒切削長度對比Fig.2 Cutting lengths of fixed cutter and rotary cutter
圖3 固定切削齒和旋轉(zhuǎn)切削齒摩擦熱對比Fig.3 Friction heat of fixed cutter and rotary cutter
從圖2可以看出,固定切削齒的切削面僅是圖中白色實線和虛線部分,而旋轉(zhuǎn)切削齒是整個齒圓周。轉(zhuǎn)動使切削齒具備更長的切削邊緣,均勻分擔切削“壓力”,避免切削齒與巖石接觸部位產(chǎn)生嚴重的局部偏磨。
由圖3可知,固定切削齒工作面溫度較高(見圖3中紅色部分),而旋轉(zhuǎn)切削齒在轉(zhuǎn)動過程中改善和分散了切削齒與地層摩擦所產(chǎn)生的熱量,從而整體降低了復合片的溫度[15],防止了因高溫而導致的切削齒早期磨損失效。
為保證鉆頭切削齒轉(zhuǎn)動靈活,采取了將外殼釬焊到鉆頭刀翼上的結(jié)構(gòu)設計,而旋轉(zhuǎn)切削齒則安裝在完全包含于外殼內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸上[16-17],如圖4所示。
切削齒可以轉(zhuǎn)動,因而可以實現(xiàn)磨損量在周向的均勻分布,增強切削齒的耐磨性。限于當前的工藝水平,由于旋轉(zhuǎn)切削齒有轉(zhuǎn)動軸,其抗沖擊性不如固定齒,存在斷軸的風險。綜合考慮鉆頭的抗沖擊性、耐磨性及鉆頭的整體使用壽命,采用以下設計方案:肩部高研磨區(qū)采用旋轉(zhuǎn)切削齒,以提高該部位切削齒的耐磨性;內(nèi)錐采用常規(guī)固定切削齒,以提高鉆頭的抗沖擊性。
圖4 旋轉(zhuǎn)切削齒結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of rotary cutter
在前期使用效果較好的某φ215.9 mm常規(guī)改進型PDC鉆頭的基礎上進行進一步的優(yōu)化設計,得到旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭的切削齒具體排布設計,如圖5所示(圖5中黃色部位即為旋轉(zhuǎn)切削齒安裝位置)。
圖5 旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭的布齒情況Fig.5 Cutters distribution of the PDC bit with rotary cutters
旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭的基本參數(shù)為:
1) 六刀翼(3個長刀翼、3個短刀翼),刀翼采用長50.8 mm的保徑,環(huán)繞鉆頭體中心分布,分布角度為0°,60°,125°,180°,235°和295°。
2) 41個φ16.0 mm主切削齒(27個固定切削齒,肩部14個360°旋轉(zhuǎn)齒),在刀翼上的分布數(shù)目依次為8,6,8,6,8和5,其中360°旋轉(zhuǎn)齒布置于肩部的高研磨區(qū)。
3) 24個φ16.0 mm肩部后排齒,在刀翼上的分布數(shù)目依次為4,3,5,4,4和4,與主切削齒同軌跡布齒且為等高度設計,進一步增強鉆頭的抗沖擊性,避免旋轉(zhuǎn)切削齒受局部沖擊載荷沖擊,發(fā)生斷軸失效。
旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭在南海西部海域文昌區(qū)塊X、J凹陷3口探井進行了現(xiàn)場應用,總體提速效果良好。X凹陷地層與J凹陷上部地層層位相同、巖性相近,J凹陷下部地層埋深更深、研磨性更強。旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭應用井段均為φ215.9 mm井段,與常規(guī)固定切削齒PDC鉆頭的應用效果對比見表1。
表1 φ215.9 mm井段固定切削齒和新型旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭的應用效果對比Table 1 Performances of PDC bit with fixed cutters and rotary cutters in φ215.9 mm intervals
注:ZH2為珠海組二段,ZH3為珠海組三段,EP為恩平組,WC為文昌組;鉆頭磨損評價結(jié)果為按照石油天然氣行業(yè)標準《鉆頭使用基本規(guī)則和磨損評定方法》(SY/T 5415—2012)評價得到的結(jié)果。
由表1可知:對于X凹陷,在地層條件相近、進尺相似的情況下,旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭較常規(guī)PDC鉆頭提速44.60%~60.76%,且出井鉆頭磨損小于固定切削齒PDC鉆頭;對于J凹陷,常規(guī)PDC鉆頭平均機械鉆速5.50~10.40 m/h,旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭的平均機械鉆速為12.73 m/h,較常規(guī)PDC鉆頭提速22.7%~131.5%,單只旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭的進尺超過3只常規(guī)PDC鉆頭的總進尺,且出井磨損情況評價良好,證實旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭具有優(yōu)越的耐磨性。
現(xiàn)場應用表明,旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭兼具攻擊性和耐磨性,能夠解決強研磨性地層常規(guī)固定切削齒PDC鉆頭磨損嚴重而導致機械鉆速低、單只鉆頭進尺短的問題。
1) 南海西部海域文昌區(qū)塊深部地層抗壓強度較高、研磨性較強、可鉆性較差,使用常規(guī)固定切削齒PDC鉆頭鉆井,存在因耐磨性不足而被磨鈍,造成機械鉆速低、單只鉆頭進尺短的問題。
2) 旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭內(nèi)錐采用固定切削齒,可保留常規(guī)固定齒PDC鉆頭抗沖擊性強的優(yōu)點,肩部高研磨區(qū)采用360°旋轉(zhuǎn)切削齒,可提高該部位切削齒的耐磨性。
3) 旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭熱穩(wěn)定性強、耐磨性好,且具有較強的抗沖擊性,可大幅度提高文昌區(qū)塊深部地層的機械鉆速和單只鉆頭進尺,降低鉆井成本。因此,建議在該區(qū)塊和類似強研磨性地層推廣應用旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭提速技術(shù)。
References
[1] 彭作如,張俊斌,程仲,等.南海M深水氣田完井關(guān)鍵技術(shù)分析[J].石油鉆采工藝,2015,37(1):124-128.
PENG Zuoru,ZHANG Junbin,CHENG Zhong,et al.Key well completion technology of deepwater gasfield in M Block of the South China Sea[J].Oil Drilling & Production Technology,2015,37(1):124-128.
[2] 孫寶江,張振楠.南海深水鉆井完井主要挑戰(zhàn)與對策[J].石油鉆探技術(shù),2015,43(4):1-7.
SUN Baojiang,ZHANG Zhennan.Challenges and countermeasures for the drilling and completion of deepwater wells in the South China Sea[J].Petroleum Drilling Techniques,2015,43(4):1-7.
[3] 劉正禮,胡偉杰.南海深水鉆完井技術(shù)挑戰(zhàn)及對策[J].石油鉆采工藝,2015,37(1):8-12.
LIU Zhengli,HU Weijie.Countermeasures and challenges of deepwater drilling and completion technology in South China Sea[J].Oil Drilling & Production Technology,2015,37(1):8-12.
[4] 李中,方滿宗,李磊.南海西部深水鉆井實踐[J].石油鉆采工藝,2015,37(1):92-95.
LI Zhong,FANG Manzong,LI Lei.Drilling practices of deepwater well in west of South China Sea[J].Oil Drilling & Production Technology,2015,37(1):92-95.
[5] 王友華,王文海,蔣興迅.南海深水鉆井作業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和對策[J].石油鉆探技術(shù),2011,39(2):50-55.
WANG Youhua,WANG Wenhai,JIANG Xingxun.South China Sea deepwater drilling challenges and solutions[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(2):50-55.
[6] 鄧金根,朱海燕,謝玉洪,等.南海西部海域難鉆地層特征及破碎機制研究[J].巖土力學,2012,33(7):2097-2102,2109.
DENG Jingen,ZHU Haiyan,XIE Yuhong,et al.Rock mechanical properties and rock breaking mechanism of the complex formation of the western South China Sea Oilfields[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(7):2097-2102,2109.
[7] BRUTON G,CROCKETT R,TAYLOR M,等.21世紀的PDC鉆頭技術(shù)[J].油田新技術(shù),2014,26(2):48-57.
BRUTON G,CROCKETT R,TAYLOR M,et al.PDC bit technology for the 21st century[EB/OL].Oilfield Review,2014,26(2):48-57.
[8] 石建剛,武興勇,黨文輝,等.新型旋轉(zhuǎn)PDC切削齒鉆頭技術(shù)研究與應用[J].石油機械,2016,44(2):6-10.
SHI Jiangang,WU Xingyong,DANG Wenhui,et al.New bit with rolling PDC cutter[J].China Petroleum Machinery,2016,44(2):6-10.
[9] 王適,孫寶元,王裕昌,等.聚晶金剛石石墨化溫度的研究[J].超硬材料工程,2005,17(5):32-35.
WANG Shi,SUN Baoyuan,WANG Yuchang,et al.Study on graphitization temperature of polycry stall ine diameond[J].Superhard Material Engineering,2005,17(5):32-35.
[10] 郭健,孫文磊.PDC鉆頭磨損過程中的應力分析[J].機床與液壓,2008,36(12):25-27,3.
GUO Jian,SUN Wenlei.The stress analysis of PDC drill bits in the process of drilling[J].Machine Tool & Hydraulics,2008,36(12):25-27,3.
[11] 田豐,楊迎新,任海濤,等.PDC鉆頭切削齒工作區(qū)域及切削量的分析理論和計算方法[J].鉆采工藝,2009,32(2):51-53.
TIAN Feng,YANG Yingxin,REN Haitao,et al.Analytical theory and computational method of contact area and cutting volume of PDC bit cutters[J].Drilling & Production Technology,2009,32(2):51-53.
[12] 黃凱文,徐一龍,李磊,等.南海西部油田北部灣難鉆地層鉆井提速技術(shù)[J].石油鉆采工藝,2013,35(5):20-23,28.
HUANG Kaiwen,XU Yilong,LI Lei,et al.ROP acceleration technology for poor drillability formation at Beibuwan Basin in the west of South China Sea Oilfield[J].Oil Drilling & Production Technology,2013,35(5):20-23,28.
[13] 韋忠良,張建群,李積泰,等.適合吐哈油田西山窯地層的PDC鉆頭提速研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2010,30(5):69-72.
WEI Zhongliang,ZHANG Jianqun,LI Jitai,et al.Improving the drilling speed of polycrystalline diamond compact(PDC)bit for the Xishanyao Formation of Turpan-Hami Oilfield[J].Diamond & Abrasives Engineering,2010,30(5):69-72.
[14] ZHANG Y H,BURHAN Y,CHEN C,et al.Fully rotating PDC cutter gaining momentum: conquering frictional heat in hard/abrasive formations improves drilling efficiency[R].SPE 166465,2013.
[15] KIESCHNICK M,KIESCHNICK M L,JACOB T,et al.Pre-job modeling/resulting integrated BHA system solution sets multiple ROP records,North Field Qatar[R].SPE 163464,2013.
[16] ZHANG J,DOUGLAS C H S,MUELLER L,et al.Refinements to cutter technology and PDC bit hydraulics lead to faster drilling in hard/abrasive formations,east Texas[R].SPE 156472,2012.
[17] PLEMONS B,DOUGLAS C H S,SHEN Y L,et al.New cutter technology for faster drilling in hard/abrasive formations[R].SPE 132143,2010.