鐘山區(qū)塊煤層氣開發(fā)定向井用PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

高曉亮 王傳留 田宏杰

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

鐘山區(qū)塊位于貴州省六盤水市鐘山區(qū)和水城縣境內(nèi)，屬于大河邊向斜。該區(qū)域主力煤層位于上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，由碎屑巖夾灰?guī)r構(gòu)成，為一套海陸交互相含煤沉積。厚度為206～241 m，含煤約為40層，煤層總厚約為35 m，含煤系數(shù)為14.5%，其中可采及局部可采煤層16～20層，可采總厚度為17～21 m。主力煤層C409、C407和C406厚度分別為7.85 m、1.55 m和2.9 m，埋深在400～1000 m之間，該區(qū)域內(nèi)可采煤層甲烷(CH4)含量最大為99.80%，平均為69.56%，均為富甲烷煤層。為了探索該區(qū)域的煤層氣含量并進(jìn)行預(yù)抽采工作，采用從式定向井對(duì)該區(qū)域重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行鉆井工程施工。

1 工程概況

為了開采該區(qū)域煤層氣，采用從式鉆井的方式進(jìn)行煤層氣開發(fā)，每一井臺(tái)設(shè)計(jì)6～8口井進(jìn)行鉆進(jìn)，其中一口直井，其余為定向鉆井。井身結(jié)構(gòu)采用二開鉆井，一開采用直徑為311.1 mm 鉆頭+244.5 mm表層套管；二開采用直徑為215.9 mm鉆頭+139.7 mm生產(chǎn)套管。其中定向井井身結(jié)構(gòu)采用直井-造斜-穩(wěn)斜三段式剖面，具體井身結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

根據(jù)鉆探資料顯示，該區(qū)域鉆井施工穿越地層從上到下依次為第四系坡積土層、三疊系永寧鎮(zhèn)組石灰?guī)r及白云巖、飛仙關(guān)組粉砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖等組成，其中該層位含煤5～10層，其中6層全區(qū)穩(wěn)定可采。

2 PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)鐘山區(qū)快速優(yōu)質(zhì)鉆井的需求，針對(duì)該區(qū)域的煤層氣鉆頭從結(jié)構(gòu)優(yōu)選、剖面設(shè)計(jì)、布齒以及保徑設(shè)計(jì)4個(gè)方面進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。

2.1 鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)選

針對(duì)鐘山區(qū)塊擬穿越的地層特性及鉆進(jìn)工藝特點(diǎn)，對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)選。由于此次鉆進(jìn)采用的鉆進(jìn)工藝特點(diǎn)為直井-造斜-穩(wěn)斜，應(yīng)該考慮鉆頭的導(dǎo)向性與穩(wěn)定性，即在造斜段應(yīng)具備造斜能力，鉆頭能根據(jù)螺桿馬達(dá)工具面角的改變進(jìn)行調(diào)整改變。而在穩(wěn)斜段鉆頭應(yīng)具有一定的穩(wěn)定性。因此，此次鉆頭采用刮刀型5刀翼結(jié)構(gòu)，保徑采用一定的螺旋角度，增大與井壁接觸，保證穩(wěn)定性，另外保徑長度選用較短保徑，以保證鉆頭的造斜能力。鉆頭刀翼結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 鉆頭剖面設(shè)計(jì)

不同的冠部形狀具有不同的工作特性,對(duì)于地層的適應(yīng)性也不同。目前常用的PDC鉆頭剖面形狀主要有魚尾形、淺錐形、短拋物線形以及拋物線形4種。其中，魚尾形鉆頭適用于鉆進(jìn)粘性極高的泥頁巖層；淺錐形鉆頭能很好地鉆進(jìn)夾層，且由于此種外形鉆頭依靠較長的保徑和扶正,在快速鉆井中能夠保持方位和井斜的穩(wěn)定；短拋物線形鉆頭最適合于在可能遇到硬夾層的地層中鉆進(jìn)；拋物線形鉆頭的整個(gè)冠部載荷均勻,無明顯載荷過渡區(qū)，適合于高速井下動(dòng)力鉆進(jìn)，由于其側(cè)向切削能力強(qiáng)。

鑒于鐘山區(qū)塊煤層氣鉆井采用從式定向鉆井，要求鉆頭具備能夠配合螺桿馬達(dá)鉆進(jìn)的能力，因此選用拋物線形剖面，為簡化拋物線模型，鉆頭采用直線-圓弧-直線型拋物線冠部形狀，該形狀一方面使得鉆頭具有足夠的切削齒數(shù)量，另一方面使各切削齒均勻磨損，對(duì)增大鉆頭壽命具有積極的影響。鉆頭剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鉆頭剖面結(jié)構(gòu)

2.3 鉆頭布齒

切削齒排布是確定切削齒在鉆頭剖面上的位置，主要是切削齒的中心距，由于鉆頭直徑確定，鉆頭中心齒合保徑齒位置可以確定，應(yīng)該按照切削齒能完全覆蓋井底的原則進(jìn)行排布，一般情況下，鉆頭外部切削齒由于中心距較大，因此切削面積較大，需要密集的切削齒進(jìn)行分擔(dān)，而相對(duì)靠近中心的區(qū)域分布距離較大。鉆頭切削齒包絡(luò)線與布齒如圖4所示。

圖4 鉆頭切削齒包絡(luò)線與布齒

2.4 切削齒安裝角度

切削齒安裝于PDC鉆頭體上，應(yīng)當(dāng)選擇合適的切削角。在鉆進(jìn)參數(shù)一定時(shí)，鉆頭的切入能力隨著切削角的增大而減小，但是過小的切削角容易導(dǎo)致切削齒過早損壞，因此應(yīng)根據(jù)地層情況優(yōu)選切削角度。通過分析鐘山區(qū)塊地層及鉆進(jìn)工藝條件，并綜合考慮鉆頭的機(jī)械鉆速、穩(wěn)定性和使用壽命，得出該地層PDC鉆頭應(yīng)采用較小的切削齒后傾角(16°～20°)，從內(nèi)錐到外錐，后傾角逐漸由小變大。使破碎的巖石快速排出井底，防止重復(fù)破碎，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇該地層PDC鉆頭切削齒的側(cè)轉(zhuǎn)角應(yīng)控制在5°～8°。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 設(shè)備與鉆進(jìn)工藝

采用的鉆機(jī)為TSJ3000/445型鉆機(jī)，鉆具為?127 mm鉆桿和?172 mm螺桿馬達(dá)，馬達(dá)彎頭角度為1.5°～1.76°，配備F800泥漿泵。采用的工藝方法為定向鉆進(jìn)和回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)混合的鉆進(jìn)方法，直井及穩(wěn)斜段采用復(fù)合鉆進(jìn)，即采用馬達(dá)加轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)的方式，造斜段采用螺桿馬達(dá)進(jìn)行定向鉆進(jìn)。采用的鉆進(jìn)工藝參數(shù)：鉆壓為2～3 t，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)盤為50 r/min+螺桿轉(zhuǎn)速，泵量為20～30 L/min。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試制的PDC鉆頭在鐘1-1-X4井及鐘1-8-6井進(jìn)行鉆進(jìn)，試驗(yàn)過程中鉆頭具有良好的導(dǎo)向性，能夠跟隨螺桿鉆具方位及傾角調(diào)整而調(diào)整，側(cè)切能力強(qiáng)，能夠滿足定向鉆進(jìn)需求。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表

由表1可見，鉆進(jìn)深度合計(jì)達(dá)1361.3 m，在鐘1-8-6井效率達(dá)到10.87 m/h，鉆頭切削齒幾乎無磨損，可以繼續(xù)使用。鉆進(jìn)1361.3 m后的鉆頭如圖5所示。

圖5 鉆進(jìn)1361.3 m后的鉆頭

但是在鐘1-1-X4井的鉆進(jìn)中，鉆頭鉆進(jìn)效率相對(duì)較低，在鉆進(jìn)至610 m后，由于進(jìn)尺緩慢進(jìn)行更換鉆頭，通過地層資料顯示，該鉆頭在400～800段，鉆進(jìn)巖層為中生界三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組，巖性主要為灰色和灰綠色粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖、淺灰—灰色灰?guī)r及泥灰?guī)r、灰色隱晶—細(xì)晶灰?guī)r，巖石硬度相對(duì)較硬，機(jī)械鉆速僅為8.15 m/h。為了增大鉆頭機(jī)械鉆速，對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 鉆頭改進(jìn)與試驗(yàn)

4.1 鉆頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

研究表明鉆頭機(jī)械鉆速與鉆頭剖面形狀、切削齒大小、切削角度大小等具有較大關(guān)系，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)針對(duì)鉆頭這幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

(1)剖面形狀。鉆井實(shí)踐證明，鉆頭冠部輪廓形狀對(duì)鉆頭破巖效率及切削齒的磨損影響較大。利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及有限元對(duì)不同冠部形狀的 PDC鉆頭進(jìn)行受力分析，結(jié)果都表明鉆頭冠部輪廓長度影響其鉆速。為了提高鉆進(jìn)效率，對(duì)新鉆頭的剖面形狀進(jìn)行了改進(jìn)，即降低鉆頭外錐長度，增大內(nèi)錐角。

(2)切削齒大小與切削角度。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于較軟到中硬地層，選用直徑較大的PDC切削齒，采用低密度或中密度布齒的鉆頭；對(duì)于中硬到堅(jiān)硬地層，選用直徑較小的PDC切削齒，采用中密度或高密度布齒的鉆頭。目前，現(xiàn)場應(yīng)用較多的切削齒直徑尺寸主要有13 mm、16 mm和19 mm這3種規(guī)格。隨著切削齒直徑的增大，適應(yīng)地層從堅(jiān)硬到較軟。由于之前的鉆頭采用直徑為19 mm的切削齒鉆進(jìn)效率不理想，為了改善鉆進(jìn)效率，新鉆頭采用直徑為16 mm的切削齒，并適當(dāng)增加布齒數(shù)量。切削角的大小決定了PDC切削齒切削地層的能力，大切削角增大了鉆頭切削齒的抗沖擊及抗研磨能力，但是降低了鉆頭切削地層的能力，因此，將新鉆頭的切削角適當(dāng)調(diào)小，即由原來的15°～20°調(diào)整至13°～18°，以期提高堅(jiān)硬地層段機(jī)械鉆速。

4.2 鉆進(jìn)試驗(yàn)

采用新設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)對(duì)鉆頭進(jìn)行了建模并加工試制，為了縮短加工周期，本次采用鋼體式鉆頭，改進(jìn)后的PDC鉆頭如圖6所示。

從圖6可以看出，試驗(yàn)后的改進(jìn)型PDC鉆頭切削齒幾乎無磨損，可以繼續(xù)使用。

采用改進(jìn)后的鉆頭在原鉆井進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)，井號(hào)為鐘1-8-X8井，設(shè)計(jì)井深為1095 m，其中一開采用空氣淺孔錘鉆進(jìn)至129.5 m，二開采用改進(jìn)的PDC鉆頭，本次鉆進(jìn)試驗(yàn)機(jī)械鉆速為18.62 m/h，相對(duì)于之前試驗(yàn)鉆頭的10.67 m/h提高了71%。機(jī)械鉆速的提高大大縮短了鉆井工期，滿足了煤層氣開發(fā)定向鉆井的需要。使用后的改進(jìn)型PDC鉆頭如圖7所示。

圖6 改進(jìn)后的PDC鉆頭

圖7 使用后的改進(jìn)型PDC鉆頭

5 結(jié)語

(1)合理的PDC鉆頭結(jié)構(gòu)、剖面形狀以及布齒能夠保證鉆頭具有較好的導(dǎo)向性，鉆頭能夠跟隨螺桿馬達(dá)進(jìn)行側(cè)向切削并改變鉆進(jìn)軌跡。

(2)針對(duì)地層屬性，個(gè)性化選擇合理的鉆頭剖面及布齒能夠保證鉆頭在相應(yīng)地層具有較好的鉆進(jìn)效率和鉆頭壽命。

(3)此次設(shè)計(jì)的PDC鉆頭導(dǎo)向性較好，鉆進(jìn)穩(wěn)定，無不正常磨損，改進(jìn)后的鉆頭機(jī)械鉆速較高，滿足了鐘山區(qū)塊煤層氣鉆進(jìn)對(duì)PDC鉆頭的要求。

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