Agadem油田新型個(gè)性化PDC鉆頭提速應(yīng)用研究

侯學(xué)軍 孔祥吉 錢鋒 宋洪奇 金銳

(1. 重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院， 重慶 401331； 2. 中國石油天然氣勘探開發(fā)公司， 北京 100034)

Agadem油田是中石油集團(tuán)在尼日爾勘探開發(fā)的一塊傳統(tǒng)油田，油田油氣儲(chǔ)量高，發(fā)展前景廣闊[1]。多年來，鉆井公司在該油田做了大量的工作，鉆井效率也在不斷提高。但該油田Yogou—Donga地層井段長(zhǎng)、鉆頭易泥包、砂巖夾層多、泥巖可鉆性差的瓶頸一直困擾著鉆井施工[2]。單只鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速都較低，導(dǎo)致施工周期延長(zhǎng)，鉆井成本大幅度增加；同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的裸眼鉆進(jìn)也大幅度增加了鉆井風(fēng)險(xiǎn)[3]，不利于對(duì)鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)的控制。發(fā)展個(gè)性化PDC鉆頭才能有效解決機(jī)械鉆速低的問題[4]。在此介紹尼日爾油田所用81/2″SP605鋼體鉆頭，油田應(yīng)用此個(gè)性化PDC鉆頭解決了該套地層鉆進(jìn)難的問題。

1 尼日爾Agadem油田概況

Agadem油田位于非洲尼日爾東南部，撒哈拉沙漠腹地,是中石油集團(tuán)在尼日爾勘探開發(fā)的主力油氣藏。該油田二開井段為215.9 mm井段，鉆進(jìn)地層為Yogou — Donga地層，該段地層上部泥巖段易出現(xiàn)泥包，下部泥巖致密機(jī)械鉆速低、砂礫巖夾層頻繁研磨性強(qiáng)，鉆井難度較大，鉆進(jìn)速度緩慢，鉆井周期長(zhǎng)。該油田地質(zhì)分層鉆井技術(shù)指標(biāo)如表1所示[5]。該井段地層的井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表2所示。井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 Agadem油田地質(zhì)分層鉆井技術(shù)指標(biāo)

表2 井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

圖1 井身結(jié)構(gòu)示意圖

2 Yogou — Donga井段鉆井難點(diǎn)與需求

目前鉆進(jìn)中的突出問題如下：

(1) 上部Yogou組地層以泥巖、砂巖為主，泥巖極易導(dǎo)致出現(xiàn)鉆頭泥包現(xiàn)象。一旦形成泥包，就必須將鉆頭起鉆到地面進(jìn)行清理，非常耗時(shí)，使時(shí)間成本增加。

社區(qū)教育傳承與創(chuàng)新非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的活動(dòng)主體多為各級(jí)政府部門、駐社區(qū)機(jī)構(gòu)、公共服務(wù)機(jī)構(gòu)、企事業(yè)單位、社區(qū)居民、學(xué)校及其他教育機(jī)構(gòu)等，但各部門的責(zé)任分工還不夠細(xì)化明確。盡管一些院校開展了非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的教育工作，設(shè)置了相關(guān)課程，但仍存在不專業(yè)現(xiàn)象。比如藝術(shù)院校將原本的設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)專業(yè)設(shè)置為“傳統(tǒng)工藝美術(shù)”，將原本的戲曲文學(xué)專業(yè)設(shè)置為“傳統(tǒng)戲曲”等，但這些課程所涉及的內(nèi)容往往學(xué)科化有余，傳統(tǒng)性傳承性不足，而且，非物質(zhì)遺產(chǎn)的中、高等教育有待健全［7］。此外，企業(yè)組織機(jī)構(gòu)及其他社會(huì)力量的參與度并不夠，也在很大程度上限制了活動(dòng)的靈活性和影響力，達(dá)不到應(yīng)有的社會(huì)效應(yīng)。

冬林，認(rèn)識(shí)你，我要感謝多年好友張笑天先生。那年，身為吉林省作協(xié)主席的張笑天，帶了一批擬評(píng)上首屆吉林省文學(xué)獎(jiǎng)的文學(xué)作品，進(jìn)京請(qǐng)雷達(dá)、李敬澤、白燁，以及筆者再研究一下。我們審讀后一致認(rèn)為胡冬林的《青羊消息》為最佳。第二年全國第一屆環(huán)境文學(xué)評(píng)獎(jiǎng)終審會(huì)上，我發(fā)現(xiàn)竟沒有《青羊消息》，便向主持評(píng)獎(jiǎng)的全國人大環(huán)境與資源保護(hù)委員會(huì)主任委員曲格平先生指出，這次評(píng)獎(jiǎng)漏掉《青羊消息》是很大的遺憾。會(huì)上，同任環(huán)境文學(xué)獎(jiǎng)評(píng)委的雷達(dá)、李敬澤同意我的看法。根據(jù)評(píng)獎(jiǎng)規(guī)則，有三位終評(píng)委同時(shí)提議、推薦，便可列入評(píng)議對(duì)象。包括王蒙在內(nèi)的全體終評(píng)委看了《青羊消息》，便一致同意該作品榮獲首屆環(huán)境文學(xué)獎(jiǎng)。

試驗(yàn)測(cè)試顯示，經(jīng)過深脫鈷技術(shù)處理后的復(fù)合片，其耐磨指數(shù)提高了4～16倍。在實(shí)際應(yīng)用中，鉆頭的耐磨指數(shù)也可提高1倍以上。

(3) Donga組硬砂巖夾層頻繁交錯(cuò)，研磨性強(qiáng)，鉆頭進(jìn)尺壽命低。

目前最急迫的鉆井需求是，優(yōu)選PDC鉆頭，實(shí)現(xiàn)1只鉆頭高速完鉆整套Yogou — Donga地層的目標(biāo)。

3 二開井段提速方案

3.1 Yogou— Donga地層特性

根據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，應(yīng)用專用軟件對(duì)地層進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，地層抗鉆特性剖面如圖2所示。

稱取預(yù)處理的紅枸杞粉2g(精確到0.0001)，在超聲溫度為60℃，料液比為1∶50，超聲時(shí)間為3min的條件下，超聲次數(shù)分別為1次、2次、3次、4次、5次的條件下提取，過濾，醇沉，定容后按照1.3.2.1的方法測(cè)定吸光值，計(jì)算多糖的提取率。

在理論分析的基礎(chǔ)上,基于Matlab 2015a 仿真軟件,使用Matlab語言對(duì)序列的復(fù)雜性、PN序列檢驗(yàn)和隨機(jī)性等方面進(jìn)行分析驗(yàn)證,這里的PN序列檢驗(yàn)指的是對(duì)序列的平衡性、游程特性和相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖2 地層抗鉆特性剖面圖

針對(duì)Agadem油田Yogou組地層泥巖易出現(xiàn)泥包現(xiàn)象[7]的特點(diǎn)，研究人員開發(fā)出一款復(fù)合多種防泥包技術(shù)的PDC鉆頭[8]。針對(duì)強(qiáng)研磨性砂巖夾層，可選用最新一代金剛石表面深脫鈷技術(shù)處理的PDC復(fù)合片。針對(duì)Donga組泥巖致密可鉆性差的特點(diǎn)，可采用多空間攻擊性切削角度。綜合以上鉆頭選型方案，推薦采用SP605鋼體PDC鉆頭。

添加疏水材料后，涂層表面即形成一層低表面能層，其性能指標(biāo)如表5所示。通常，接觸角越大，疏水性能就越好。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該涂層與水基、油基泥漿之間不具黏附性，在涂層表面無泥漿殘留。

2 700 — 3 500 m井段屬于Donga地層。隨著井深增加，地層抗壓強(qiáng)度和壓入硬度逐漸升高，至后半段明顯表現(xiàn)出頻繁的硬夾層特性。同時(shí)，地層研磨性指數(shù)為3，地層可鉆性級(jí)值從3級(jí)增加至5.5級(jí)。該段地層可鉆性較差，鉆頭機(jī)械鉆速受到限制。下部井段指標(biāo)波動(dòng)劇烈，地層表現(xiàn)出較強(qiáng)的硬夾層特性，軟硬交錯(cuò)的夾層特性較為明顯。地層研磨性曲線隨可鉆性曲線的波動(dòng)而出現(xiàn)大幅波動(dòng)。由此可以推斷，大量研磨性強(qiáng)的硬砂巖夾層存在于該地層中，而頻繁出現(xiàn)的高研磨性硬砂巖夾層會(huì)降低PDC鉆頭的使用壽命[6]。

3.2 個(gè)性化PDC鉆頭選型方案

從地層的抗鉆特性剖面圖來看，1 319 — 2 700 m井段屬于Yogou和Donga地層，Yogou和Donga地層的抗壓強(qiáng)度較低，壓入硬度也較低。

?趙海樂:《是國際造法還是國家間契約——“競(jìng)爭(zhēng)中立”國際規(guī)則形成之惑》，《安徽大學(xué)學(xué)報(bào)》(哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版)2015年第1期。

鉆頭選型的目標(biāo)是，保證一趟鉆就能完鉆Yogou— Donga組地層，并使平均機(jī)速提高50%以上。

3.3 個(gè)性化PDC鉆頭技術(shù)方案

3.3.1 雙疏水防泥包涂層技術(shù)

在復(fù)合片制作過程中，將不同粒度的金剛石微粉與粘接合金混合后，置于高溫高壓的壓機(jī)中合成復(fù)合片，作為催化劑的Co會(huì)殘留在金剛石的C — C鍵之間。通過復(fù)合片耐磨性測(cè)試發(fā)現(xiàn)，復(fù)合片在切削巖石時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定熱量，使得復(fù)合片整體生熱，特別是切削角部分急劇生熱。金屬Co的熱膨脹系數(shù)大約是金剛石膨脹系數(shù)的14倍[9]Co原子急劇膨脹，使得金剛石C — C結(jié)合鍵開裂，從而加快了復(fù)合片的損壞速度。同時(shí)，復(fù)合片處于600 ℃中低溫環(huán)境下，Co反向催化金剛石，使金剛石發(fā)生碳化反應(yīng)，從而加劇復(fù)合片的損壞程度。應(yīng)用脫鈷技術(shù)[10]，可使Co分解析出，以達(dá)到脫除Co的目的，從而提高復(fù)合片的熱穩(wěn)定性，強(qiáng)化鉆頭的耐磨性。

陶瓷粉體改性樹脂后涂層剪切強(qiáng)度得到有效提高，不同陶瓷添加量下的涂層剪切強(qiáng)度如表3所示。市面上樹脂油漆的剪切強(qiáng)度一般不會(huì)超過8 MPa。剪切強(qiáng)度越高，涂層與基體結(jié)合的效果越好。

表3 不同陶瓷添加量下的涂層剪切強(qiáng)度

鄭成川帶黑旗會(huì)所屬闖進(jìn)安和莊大門沒在意刀手、劍士、鐵衛(wèi)隨后出現(xiàn)并掩上大門，因?yàn)檫@樣的情況他們見得太多，但最后都是被他們斬盡殺絕。他向蕭飛羽投去一瞥陰森地道：“約莫九天前有人潛入安和莊，是安和莊找的助力對(duì)嗎？你又是這些人之首。”

表4 2種轉(zhuǎn)速下樹脂與G15鋼對(duì)磨的摩擦系數(shù)

1 319 — 2 700 m井段平均研磨性指數(shù)為4.5。該地層可鉆性級(jí)值約為2級(jí)，具有較好的巖石可鉆性，PDC鉆頭適用于該地層。通過合理的PDC鉆頭設(shè)計(jì)，可獲得較高的機(jī)械鉆速和進(jìn)尺。

用俞正聲先生的話說就是黨員干部要用這樣的要求來要求自己：要在政治方面有堅(jiān)定的思想，業(yè)務(wù)上要有精通的技術(shù)，精神方面則要求振奮，在作風(fēng)方面則要做到素質(zhì)過硬。從基層做起，抓好統(tǒng)戰(zhàn)方面的培訓(xùn)和教育等工作，從而讓統(tǒng)戰(zhàn)部門的干部能夠?qū)鶎咏y(tǒng)戰(zhàn)工作做到了解和熟悉，并能切實(shí)施行基層方面的統(tǒng)戰(zhàn)工作。與此同時(shí)，各級(jí)干部還要以積極的態(tài)度來引導(dǎo)統(tǒng)戰(zhàn)部門人員進(jìn)行培養(yǎng)和教育引導(dǎo)等方面的工作，緊抓我國社會(huì)主義理想和信念等方面的教育活動(dòng)，讓各干部做好施教工作，在工作中去探索關(guān)于信教群眾的引導(dǎo)和教育工作，讓宗教發(fā)揮出更多的正能量，從而使新形勢(shì)下的統(tǒng)戰(zhàn)工作更為完善、和諧。

表5 涂層與不同液體的接觸角和滾動(dòng)角

3.3.2 新型臺(tái)階式結(jié)構(gòu)防泥包設(shè)計(jì)技術(shù)

新型臺(tái)階式結(jié)構(gòu)防泥包設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是，在每個(gè)刀翼從排屑槽底部至距離鉆頭頂部PDC齒一定距離的內(nèi)陷部分，使PDC齒及包絡(luò)PDC齒本體與內(nèi)陷凹槽形成臺(tái)階，構(gòu)成階梯式結(jié)構(gòu)。凹槽部分刀面與鉆頭垂直方向可保持一定夾角以利于巖屑排出。新型臺(tái)階式結(jié)構(gòu)防泥包設(shè)計(jì)如圖3所示。由于鉆頭刀翼前刀面內(nèi)陷形成臺(tái)階，泥漿從齒面流經(jīng)排屑槽，在臺(tái)階部分形成渦流，從而加劇水流脈動(dòng)，使排屑槽沖刷效果更好，更易帶走巖屑。

無論鹽巖是否存在泥質(zhì)夾層，鹵水飽和狀態(tài)下的鹽巖強(qiáng)度均低于天然鹽巖，說明飽和鹵水狀態(tài)下鹽巖被軟化，但夾層的存在影響鹵水的軟化效果(圖6)，對(duì)比圖6a和圖6b,圖6a兩條線之間的間距明顯大于圖6b，說明含泥質(zhì)夾層的鹽巖在飽和鹵水的條件下被軟化的效果更高，計(jì)算其軟化系數(shù)得到不含泥質(zhì)夾層鹽巖的軟化系數(shù)在0.59～0.7；含泥質(zhì)夾層的鹽巖軟化系數(shù)0.38～0.67。

圖3 新型臺(tái)階式結(jié)構(gòu)防泥包設(shè)計(jì)示意圖

3.3.3 復(fù)合片深脫鈷技術(shù)

選用抗性品種；輪作倒茬，合理施肥澆水；施用充分腐熟優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，避免使用未腐熟糞肥，以免把蟲源帶入田間；優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)條件，鏟除地頭、溝邊雜草，降低蚜蟲越冬基數(shù)。

本選型方案將多種先進(jìn)的防泥包技術(shù)復(fù)合在一只鉆頭上，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)最強(qiáng)防泥包功效。雙疏水防泥包鉆頭，是指在表面增加一層雙疏水涂層的PDC鉆頭。涂層材料是以樹脂為基體，陶瓷粉體、減磨材料、疏水材料為改性填料。表面添加雙疏水涂層的鉆頭，具有剪切強(qiáng)度高、耐磨性能強(qiáng)、防泥包疏水性能好等特點(diǎn)。

(2) Donga組地層泥巖中以鈣質(zhì)膠結(jié)為主，不易鉆進(jìn)，該地層機(jī)械鉆速較低。

在樹脂中添加減磨填料，可以使其更好地發(fā)揮研磨性。通過表4所示200、400 r/min轉(zhuǎn)速下樹脂與G15鋼對(duì)磨的摩擦系數(shù)可知，當(dāng)減磨填料添加量達(dá)到20%以上時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)涂層的摩擦系數(shù)沒有影響。同時(shí)，涂層摩擦系數(shù)越低，其耐磨效果越好，在鉆井中對(duì)泥沙的耐沖蝕效果也越好。

經(jīng)過金剛石表面深脫鈷技術(shù)處理過的復(fù)合片，其金剛石脫鈷層更加耐磨，其磨損后結(jié)構(gòu)如圖4所示。切屑齒產(chǎn)生磨損后，脫鈷層耐磨性加強(qiáng)，磨損程度變?nèi)?，因此?huì)形成一個(gè)突出的唇邊在刃口處，使刃口保持鋒利。于是，機(jī)械鉆速不會(huì)受切屑齒磨損的影響，從而使鉆頭始終能夠保持穩(wěn)定的高鉆速。

圖4 深脫鈷復(fù)合片磨損后結(jié)構(gòu)示意圖

3.3.4 強(qiáng)攻擊性高速PDC鋼體鉆頭設(shè)計(jì)

鉆頭設(shè)計(jì)中，采用5刀翼+中等冠部的中低密度布齒方式。較低的布齒密度使得切削齒的比壓更高，吃入地層的能力更強(qiáng)，有利于提高機(jī)械鉆速。同時(shí)，采用了更深的排屑槽設(shè)計(jì)。采用深排屑槽，保持寬敞的排屑空間，可使巖屑排放更及時(shí)，能有效地防止形成泥包，避免巖屑重復(fù)切削。

3.3.5 泥漿方案

Yogou組泥巖極易發(fā)生水化反應(yīng)，從而加大泥漿黏度，甚至形成鉆頭泥包[11]。采用低黏度泥漿是Yogou組防止形成鉆頭泥包的重要措施。在施工中，要求嚴(yán)密監(jiān)控泥漿黏度，防止形成鉆頭泥包。

4 鉆頭提速應(yīng)用情況

在Yogou — Donga地層開發(fā)應(yīng)用中，個(gè)性化81/2″SP605鋼體PDC鉆頭的總體應(yīng)用效果良好。其具體使用指標(biāo)如表6所示。

表6 81/2″SP605鋼體PDC鉆頭使用效果

實(shí)際應(yīng)用中，3只川石鉆頭總體指標(biāo)表現(xiàn)良好，未形成鉆頭泥包，鉆頭機(jī)速高，進(jìn)尺壽命長(zhǎng)。在Agadi-7井施工中，81/2″SP605在上部定向段定向鉆進(jìn)，其工具面穩(wěn)定，定向時(shí)機(jī)速高(7.5 m/h)，總體定向效率遠(yuǎn)高于牙輪鉆頭。在Agadi-9井施工中，81/2″SP605在下部地層創(chuàng)出11.51 m/h的高機(jī)械鉆速指標(biāo)。

通過上述數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，川石個(gè)性化PDC鉆頭的成功應(yīng)用，使Agadem油田機(jī)械鉆速低的問題得到了突破性解決，平均機(jī)械鉆速在全井段大幅度提高，鉆井周期大大縮短。

從圖5所示Agadi-9井施工進(jìn)度圖可以看出，二開實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)間比計(jì)劃時(shí)間縮短了11 d，創(chuàng)下Agadem油田同井型、同套地層的二開井段鉆井周期最短的新紀(jì)錄。

圖5 Agadi-9井施工進(jìn)度

5 結(jié) 語

根據(jù)地層的不同特點(diǎn)，有針對(duì)性地采用個(gè)性化PDC鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，可以解決Agadem油田Yogou— Donga地層鉆進(jìn)困難的問題。復(fù)合多項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)個(gè)性化PDC鉆頭，將其用于提速試驗(yàn)，鉆頭提速效果顯著，鉆井周期大大縮短。本系列個(gè)性化PDC鉆頭的成功應(yīng)用，可為尼日爾油田的進(jìn)一步鉆井工作提供借鑒。