高造斜率定向CDE鉆頭設(shè)計(jì)與應(yīng)用

徐建飛,陳 暉,鄒德永,黃 勇

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工業(yè)訓(xùn)練中心,山東 青島 266580) (2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東 青島 266580)

PDC(聚晶金剛石復(fù)合片)鉆頭以剪切破巖方式為主,在軟到中硬度的均質(zhì)砂泥巖地層中,具有機(jī)械鉆速高、工作壽命長的優(yōu)點(diǎn),但在深部硬地層鉆進(jìn)及定向時(shí),存在機(jī)械鉆速慢、造斜率低、工具面不穩(wěn)、鉆頭漂移等問題[1]。CDE(錐形聚晶金剛石復(fù)合元件)齒是一種新型破巖元件,這種鉆齒前端為獨(dú)特的圓錐形狀,以犁切的方式破碎巖石。相關(guān)理論與技術(shù)研究[2-4]表明:與常規(guī)PDC齒相比,CDE齒的切削阻力小,破巖比功低,具有較高的耐磨性和抗沖擊韌性;兩種齒在巖石中的吃入深度均與水平切削力呈線性關(guān)系,在相同吃深條件下,CDE齒所需的水平切削力約為PDC齒的45%;在破巖效率方面,鉆壓較小時(shí),新PDC齒的吃入能力高于CDE齒,PDC齒磨損后,吃入能力迅速降低,明顯低于CDE齒。針對涪陵周緣地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)及鉆井工藝要求,本文利用已有研究成果,將PDC齒和CDE齒相結(jié)合,研制φ215.9 mm新型高造斜率定向鉆頭,以期提高深層頁巖氣資源的鉆探效率。

1 設(shè)計(jì)思想

深部地層用PDC鉆頭通常采用雙排齒切削結(jié)構(gòu),即在每個(gè)刀翼上的主切削齒后面,同軌布置一排PDC齒作為副切削齒。雙排齒PDC鉆頭在一定程度上提高了PDC鉆頭在硬地層中的工作壽命,但在定向鉆井中,恰恰由于雙排齒導(dǎo)致其扭矩波動(dòng)大,造成工具面極不穩(wěn)定,定向難度大[5]。而CDE齒切削力約為PDC齒的一半,可明顯降低鉆頭的扭矩波動(dòng),利于定向造斜。結(jié)合兩種齒的長處,本文設(shè)計(jì)了一種具有復(fù)合切削結(jié)構(gòu)的新型高造斜率定向鉆頭。新型鉆頭以PDC齒作為主切削齒,CDE齒為副切削齒,同軌道布置在主齒后,出刃低于前排齒1～2 mm,其工作原理如圖1所示。

圖1 切削-犁削聯(lián)合破巖示意圖

在鉆頭工作初期,以刃部鋒銳的PDC齒切削巖石,吃入能力較低的CDE齒起到控制吃入深度、提高鉆頭穩(wěn)定性的作用;鉆頭磨損后,PDC齒和CDE齒出露高度趨于一致,CDE齒開始參與破巖,犁削巖石,形成犁溝和微裂紋,釋放巖石應(yīng)力,恢復(fù)磨損PDC齒的切削破巖作用。這種設(shè)計(jì)方式使CDE齒犁削與PDC齒切削有機(jī)結(jié)合,保證了鉆頭在整個(gè)生命周期均具有較高的機(jī)械鉆速和良好的導(dǎo)向能力。

2 新型鉆頭設(shè)計(jì)

川東南涪陵周緣地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層埋藏較深且勘探程度低,儲(chǔ)層設(shè)計(jì)深度與實(shí)際深度相差較大,造成水平段井眼軌跡調(diào)整頻繁;受現(xiàn)有導(dǎo)向鉆具限制(定向段以滑動(dòng)鉆進(jìn)為主),單趟鉆具組合造斜率調(diào)整范圍小,導(dǎo)致起下鉆改變鉆具組合次數(shù)多;通過試驗(yàn)分析可知,下部地層巖石可鉆性級(jí)值為5.67～6.01,屬于中硬難鉆地層。以上這幾方面都會(huì)影響鉆井效率。針對三開段龍馬溪組、五峰組等地層機(jī)械鉆速慢、定向效率低的問題,迫切需要開展高造斜率定向鉆頭的個(gè)性化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。

2.1 新型鉆頭剖面形狀

φ215.9 mm G616型CDE鉆頭剖面形狀采用內(nèi)錐直線+冠頂圓弧+外錐圓弧的設(shè)計(jì)模式,具體參數(shù)如圖2所示。該剖面形狀具有以下特點(diǎn):1)內(nèi)錐較淺(內(nèi)錐角為154°),冠頂旋轉(zhuǎn)半徑較大(鉆頭半徑的60%),可增大鉆壓的利用率,提高鉆頭的攻擊性及導(dǎo)向性;2)有效外錐高度較短(40.0 mm左右),配合淺內(nèi)錐設(shè)計(jì),可進(jìn)一步提高鉆頭的導(dǎo)向性;3)剖面線半徑大于鉆頭半徑,即外錐圓弧一部分充當(dāng)主動(dòng)保徑,提高了鉆頭肩部側(cè)向吃入井壁能力,保證其高造斜及修整井壁能力。

圖2 φ215.9 mm CDE鉆頭剖面形狀設(shè)計(jì)

2.2 布齒設(shè)計(jì)

為增加鉆頭的穩(wěn)定性,新型鉆頭設(shè)計(jì)了6個(gè)布齒刀翼。φ16 mm×13 mm PDC齒作為主切削齒,依據(jù)等磨損原則,進(jìn)行徑向布齒設(shè)計(jì),形成單一模式的井底覆蓋;根據(jù)定向切削穩(wěn)定性原則,進(jìn)行周向布齒設(shè)計(jì)。φ15 mm×21.8 mm CDE齒作為副切削齒,同軌布置在鉆頭冠部及外錐磨損嚴(yán)重的部位,前排齒和后排齒的出露高度差設(shè)為1.5 mm。通過對齒的優(yōu)化布置,把側(cè)向不平衡力控制在鉆壓的5%以內(nèi),鉆頭的徑向布齒及周向布齒如圖3所示。根據(jù)涪陵下部頁巖地層巖石抗鉆特性,綜合考慮鉆頭的攻擊性及導(dǎo)向性,PDC齒采用變后傾角設(shè)計(jì),內(nèi)錐齒為17°,冠頂齒為15°,外錐齒為17°～19°,肩部和保徑齒為21°～23°;CDE齒以正切削角進(jìn)行破巖,角度為20°～25°。

圖3 φ215.9 mm CDE鉆頭徑向及周向布齒

2.3 保徑及水力設(shè)計(jì)

保徑的尺寸及特性對鉆頭導(dǎo)向能力影響顯著。減小保徑長度和摩擦面積,能顯著增強(qiáng)鉆頭導(dǎo)向性,但是不利于鉆頭的穩(wěn)定性和井眼質(zhì)量[6]。CDE鉆頭采用較長保徑設(shè)計(jì),主動(dòng)保徑20 mm,被動(dòng)保徑75 mm。鑲裝φ16 mm×13 mm PDC切邊齒為主動(dòng)保徑齒,φ13.44 mm×8 mm PDC切邊齒為被動(dòng)保徑齒,以保證鉆頭側(cè)向切削及修整井壁能力。為減輕鉆頭的渦動(dòng),φ13 mm×21.8 mm球形硬質(zhì)合金齒作為減震齒布置在主動(dòng)保徑齒后;金剛石聚晶(φ13 mm×5 mm)平鋪在被動(dòng)保徑特定位置,可有效減輕保徑和井壁的摩擦,且鉆頭倒轉(zhuǎn)時(shí)可參與切削,減輕鉆頭的扭矩振動(dòng)。同時(shí),水平井作業(yè)短起下頻繁,鉆頭要有良好的回?cái)U(kuò)能力,特安裝了φ19 mm×13 mm PDC齒作為倒劃眼齒。鉆頭的保徑設(shè)計(jì)如圖4(a)所示。

圖4 φ215.9 mm CDE鉆頭保徑及水力設(shè)計(jì)

為了防止鉆頭在頁巖中出現(xiàn)泥包現(xiàn)象,CDE鉆頭采用強(qiáng)化型水力結(jié)構(gòu)(多噴嘴加大排量流道面積)。鉆頭體為35GrMo合金鋼,采用數(shù)控加工成型,刀翼寬度設(shè)計(jì)較窄,使排屑槽空間大,利于巖屑的清除。鉆頭共設(shè)置7個(gè)可換噴嘴,每個(gè)直徑為14 mm,可保證鉆頭的清洗和冷卻效果,噴嘴布置如圖4(b)所示。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

在焦頁199-1HF井開展了新型鉆頭的現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)地層:龍馬溪組。鉆進(jìn)參數(shù):鉆頭壓力為100～120 kN,排量為26～30 L/s,泵壓為18～20 MPa,轉(zhuǎn)速為60～80 r/min。試驗(yàn)鉆具:φ215.9 mm CDE鉆頭+1.5°螺桿鉆具+127 mm加重鉆桿+127 mm鉆桿。鉆井液:密度1.40 g/cm3,漏斗黏度52 s。CDE鉆頭入井深度為3 336.94 m,鉆進(jìn)至3 413 m時(shí),因更換鉆具起出。鉆頭進(jìn)尺為76.06 m,純鉆進(jìn)時(shí)間17.47 h,機(jī)械鉆速4.35 m/h,工具面調(diào)整2次。為便于比較,列出鄰井焦頁200-3HF井同層段用φ215.9 mm MDi516鉆頭的使用情況,2種鉆頭井況及鉆進(jìn)參數(shù)基本相同,詳細(xì)結(jié)果見表1。

表1 CDE鉆頭與鄰井機(jī)械鉆速對比表

由表1可知:與鄰井鉆頭相比,CDE鉆頭進(jìn)尺同比提高32.1%,機(jī)械鉆速同比提高33.8%,造斜段鉆進(jìn)效率(行程機(jī)械鉆速)同比提高34.8%,工具面調(diào)整次數(shù)同比減少2次。CDE鉆頭的出井照片如圖5所示,鉆頭冠部的PDC齒、CDE齒保存完好,沒有明顯磨損,表明鉆頭設(shè)計(jì)合理且具有較長的使用壽命。

圖5 φ215.9 mm CDE鉆頭出井照片

4 結(jié)束語

本文提出的具有復(fù)合切削結(jié)構(gòu)的鉆頭(以PDC齒為主切削齒,CDE齒為副切削齒,二者同軌布置,并保持一定的出露高差)具有定向效果好、破巖效率高的特點(diǎn),特別適用于深部非均質(zhì)地層鉆進(jìn)及造斜,具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于地層復(fù)雜多樣,本文鉆頭不具有普適性,因此后續(xù)應(yīng)展開CDE鉆頭與地層的適應(yīng)性研究,進(jìn)一步優(yōu)化布齒方式及結(jié)構(gòu)參數(shù),形成系列化工業(yè)產(chǎn)品。