弱膠結(jié)砂礫巖地層鉆頭研制及提速工具配套研究

曹繼飛，田京燕，張 輝

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257017)

0 引言

砂礫巖地層由于埋深及成因的不同，其礫石含量、礫石尺寸及膠結(jié)物的成分和強(qiáng)度都有很大的區(qū)別。以勝利油田利567區(qū)塊沙四段砂礫巖為例，儲(chǔ)層巖性以扇中亞相的含礫砂巖、礫狀砂巖、中礫巖為主，巖性致密，磨圓較差、呈次棱狀，礫石平均粒度中值為0.23 mm，分選系數(shù)1.65，分選性中等；顆粒間以點(diǎn)-線接觸關(guān)系為主，膠結(jié)類型以孔隙式膠結(jié)、泥質(zhì)膠結(jié)為主(見表1)，膠結(jié)強(qiáng)度低，屬弱膠結(jié)砂礫巖地層。

由于弱膠結(jié)砂礫巖地層特性與強(qiáng)膠結(jié)砂礫巖地層不同，因此提速工具及技術(shù)的優(yōu)選和優(yōu)化存在較大的區(qū)別。從利567區(qū)塊前期完鉆井情況來看，砂礫巖地層鉆進(jìn)過程中PDC鉆頭鉆進(jìn)初期破巖速度較快，但鉆進(jìn)過程中軟硬交錯(cuò)對鉆頭的沖擊損壞較為嚴(yán)重，單只鉆頭進(jìn)尺較少，嚴(yán)重制約著該區(qū)塊油氣資源的高效經(jīng)濟(jì)開發(fā)[1-7]。針對以上問題，通過研制的錐齒微心PDC鉆頭，部分改變?nèi)跄z結(jié)砂礫巖地層的破巖方式，同時(shí)優(yōu)配恒扭矩工具，在利567區(qū)塊取得了較好的效果，形成了適合弱膠結(jié)砂礫巖地層鉆井提速的技術(shù)。

表1 利567塊沙四上粘土礦物組分統(tǒng)計(jì)表(X衍射分析)Table 1 Clay mineral composition of Shasi Formation at Li567Block

1 錐齒微心PDC鉆頭研制

錐齒微心PDC鉆頭是在中心部位利用錐形尖齒代替原有的圓形切削齒，鉆進(jìn)過程中，同等鉆壓的條件下，利用錐形尖齒的特點(diǎn)把中心部位的巖心壓碎，形成較大巖屑，進(jìn)而提高破巖效率。

1.1 微鉆頭室內(nèi)試驗(yàn)

根據(jù)錐齒微心鉆頭的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)斷心結(jié)構(gòu)的角度、巖心的直徑和高度，加工了一種直徑為78 mm的小尺寸PDC試驗(yàn)鉆頭，并在室內(nèi)試驗(yàn)臺架上進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)(如圖1所示)。試驗(yàn)巖樣采用的是可鉆級值為7級的紅色砂巖，結(jié)果表明巖心尺寸與設(shè)計(jì)理論值相符合，完全滿足設(shè)計(jì)要求，且與常規(guī)鉆頭相比，微心鉆頭的機(jī)械鉆速同比提高10%以上(參見圖2)。

圖1 微心鉆頭室內(nèi)試驗(yàn)Fig.1 Micro-core bit test

1.2 錐齒微心PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.2.1 冠部輪廓設(shè)計(jì)

結(jié)合PDC鉆頭冠部輪廓的等切削、等功率和等磨損的設(shè)計(jì)原則，根據(jù)弱膠結(jié)砂礫巖地層特性，錐齒微心PDC鉆頭的冠部輪廓選擇直線雙圓弧結(jié)構(gòu)。研究過程中通過對PDC鉆頭冠部輪廓形狀進(jìn)行模擬分析，比較了不同的冠部輪廓的應(yīng)力分布特點(diǎn)，并據(jù)此優(yōu)化鉆頭的冠部輪廓為直線雙圓弧的中深內(nèi)錐-短外錐的冠部輪廓形式；這種輪廓形狀能夠有效減少鉆頭的橫向振動(dòng)，提高鉆頭工作的穩(wěn)定性，進(jìn)而保證鉆頭在弱膠結(jié)砂礫巖地層鉆進(jìn)的使用壽命。

圖2 微心PDC鉆頭與常規(guī)PDC鉆頭室內(nèi)機(jī)械鉆速對比圖Fig.2 ROP comparison between micro-core bit and conventional PDC bit

1.2.2 取心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓碎式微心PDC鉆頭在中心部位使用錐形齒代替折斷機(jī)構(gòu)(如圖3所示)。其主要目的是在鉆頭鉆進(jìn)過程中，當(dāng)中心的巖柱接觸到鉆頭中心的錐形齒時(shí)，由于錐形齒本身的結(jié)構(gòu)，巖心與錐形齒的接觸面積非常小，因此在同樣的壓力下產(chǎn)生更高的壓強(qiáng)，比普通的PDC鉆頭剪切或者刮削巖石的效率更高。

圖3 取心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 Core taking structure

同時(shí)通過數(shù)值模擬手段對巖心柱的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化(如圖4所示)，分析結(jié)果表明巖心柱高度大于30 mm時(shí)，會(huì)顯著增加巖心碎裂難度，碎裂的巖心塊較大對井底安全也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性，因此綜合考慮巖心尺寸直徑≯15 mm，高度≯20 mm。

圖4 巖心柱尺寸模擬分析Fig.4 Simulation analysis of core column size

1.2.3 布齒設(shè)計(jì)

針對利567區(qū)塊弱膠結(jié)砂礫巖地層特性，主切削齒采用以兼顧抗沖擊和抗研磨的16 mm復(fù)合片，16 mm復(fù)合片使鉆頭能夠在較小的鉆壓下比19 mm的復(fù)合片有較高的吃入地層的能力，同時(shí)比13 mm復(fù)合片在研磨性地層中有更高的使用壽命。同時(shí)，在鉆頭的肩部外側(cè)添加后備齒，形成復(fù)合切削結(jié)構(gòu)，后備齒的尺寸選擇13 mm錐齒，與前排主切削齒的高度差為2 mm，采用跟齒的布置方式。這種布齒方式的優(yōu)點(diǎn)是在不加密主切削齒的情況下，可以獲得更高的機(jī)械鉆速，同時(shí)又有高密度布齒的壽命，而且在鉆遇礫石時(shí)鉆頭還可以具有更好的穩(wěn)定性，防止鉆頭先期非正常損壞。

1.2.4 力平衡設(shè)計(jì)

PDC鉆頭鉆進(jìn)過程中如果側(cè)向力過大就會(huì)造成鉆頭工作狀態(tài)不平穩(wěn)，進(jìn)而影響鉆頭使用壽命。根據(jù)前期研究建立的切削齒受力模型和鉆頭受力分析模型，將鉆頭橫向力優(yōu)化控制在5%以內(nèi)。

1.2.5 井底流場分析

錐齒微心PDC鉆頭的水力優(yōu)化是通過噴嘴的安放位置、個(gè)數(shù)、直徑及角度來實(shí)現(xiàn)。通過對錐齒微心PDC鉆頭井底流場模擬，定性分析了大巖屑與普通巖屑在不同流速，不同粘度的鉆井液條件下的上返速度，進(jìn)而對其水力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 恒扭矩工具優(yōu)化配套

為解決弱膠結(jié)砂礫巖地層鉆井過程中鉆頭失效快的問題，在勝利油田利567區(qū)塊弱膠結(jié)砂礫巖地層鉆進(jìn)過程中優(yōu)化配套了恒扭矩工具。PDC鉆頭恒扭矩工具是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、自動(dòng)檢測響應(yīng)的井下機(jī)械系統(tǒng)，通過鉆壓來有限控制鉆頭的切削深度，使用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩作為輸入控制參數(shù)，通過簡單有效的方式有效抵消地層軟硬交錯(cuò)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩突然變大和粘滑，從而保證鉆頭以較為均勻的速度破巖，使鉆頭始終處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)[8-15]。

PDC鉆頭恒扭矩工具主要由螺旋花鍵短節(jié)(內(nèi)、外螺旋花鍵和螺旋密封等)和彈簧蓄能裝置(碟簧與動(dòng)密封等)兩部分構(gòu)成。多頭內(nèi)、外螺旋花鍵組合用于傳遞扭矩，轉(zhuǎn)化鉆柱周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為軸向直線運(yùn)動(dòng)；碟簧通過預(yù)壓縮設(shè)定多頭內(nèi)外螺旋花鍵齒面間正壓力，控制工具啟動(dòng)扭矩。當(dāng)扭矩超過預(yù)定值，多道外螺旋線芯軸和內(nèi)螺旋線本體通過螺旋副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生向上力超過預(yù)緊力時(shí)，使外螺旋線芯軸在與之嚙合內(nèi)螺旋線本體上轉(zhuǎn)動(dòng)，工具芯軸縮徑部位收縮，鉆頭被逐漸提離井底直至恢復(fù)到全轉(zhuǎn)速狀態(tài)，當(dāng)作用于工具上的轉(zhuǎn)矩降低時(shí)，工具將通過螺旋副相應(yīng)地伸長，鉆頭將始終保持相對恒定轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)地鉆進(jìn)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

研制的錐齒微心PDC鉆頭在利567-斜3等多口井砂礫巖地層推廣應(yīng)用，應(yīng)用效果顯著(如表2所示)。同時(shí)選用恒扭矩工具在利567-斜3井砂礫巖層段配合PDC鉆頭鉆進(jìn)，扭矩波動(dòng)從之前的11～22 kN·m穩(wěn)定為18～20 kN·m，有效提高了鉆頭的穩(wěn)定性。從鉆頭出井情況來看(參見圖5)，鉆頭新度高，起到了很好的鉆頭保護(hù)作用，提高了鉆頭的使用壽命；該型PDC鉆頭在砂礫巖層段平均單只進(jìn)尺254.6 m，平均機(jī)械鉆速提高52%，進(jìn)尺提高81.9%，且鉆頭起出后無損壞，可繼續(xù)使用。

表2 錐齒微心PDC鉆頭使用情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of micro-core PDC bits

4 結(jié)論與建議

(1)研制的錐齒微心PDC鉆頭通過改變中心部位切削齒的類型，能夠有效提高中心破巖能量，同時(shí)冠部輪廓及布齒優(yōu)化可以減輕弱膠結(jié)砂礫巖地層鉆進(jìn)過程中軟硬交錯(cuò)對鉆頭的沖擊，延長鉆頭的使用壽命。

圖5 錐齒微心鉆頭出井照片F(xiàn)ig.5 Micro-core bit just out of the well

(2)恒扭矩工具的選用保證了鉆頭在弱膠結(jié)地層鉆進(jìn)過程中扭矩的穩(wěn)定性，減少鉆頭先期損壞的概率，保證鉆頭良好的工作狀態(tài)。

(3)砂礫巖油藏的開發(fā)是近年來國內(nèi)陸上油田增儲(chǔ)上產(chǎn)的重點(diǎn)，通過錐齒微心PDC鉆頭和恒扭矩工具的配合使用可以有效地提高弱膠結(jié)砂礫巖地層鉆頭的使用壽命和機(jī)械鉆速，提高鉆井開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益。