萬米特深井φ812.8mmPDC鉆頭研制及現(xiàn)場應(yīng)用

摘要：

四川盆地超深層油氣的開發(fā)是鉆探領(lǐng)域的重中之重。為滿足超深井整個井身結(jié)構(gòu)設(shè)計及鉆進(jìn)過程井筒穩(wěn)定性的需要，針對四川盆地大尺寸井眼，以增強(qiáng)鉆頭穩(wěn)定性、提高鉆頭破巖效率為目的，研制了φ812.8 mm（32 in）PDC鉆頭，并在SDCK1井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。該鉆頭采用10刀翼設(shè)計，冠部采用穩(wěn)定性較好的長錐形輪廓，并采用大小水眼混布方式提高切屑齒的冷卻及井筒清潔效果。建立了φ812.8 mm PDC鉆頭井底流場仿真模型，通過水力優(yōu)化進(jìn)行噴嘴傾角設(shè)計。研究及現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：鉆井液噴射傾角為16°時在井底所形成的壓力梯度和矢量圖所表現(xiàn)出的效果較好；與牙輪鉆頭相比，研制的PDC鉆頭單趟鉆進(jìn)尺提高150%，單趟純鉆時間延長25.8%，平均機(jī)械鉆速提高89%，鉆頭穩(wěn)定性好，破巖效率高。研究結(jié)果可為四川盆地大尺寸井眼鉆頭設(shè)計提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：

超深井；大尺寸井眼；PDC鉆頭；井底流場；井身結(jié)構(gòu)；機(jī)械鉆速

中圖分類號：TE921

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

202402033

Development and Application of φ812.8 mm PDC

Bit for Myriameter Ultradeep Wells

Song Dongdong1 Luo Xin2 He Mingmin1

（1.CCDC Chuanxi Drilling Company；2.CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited）

Ultradeep strata is of paramount importance in the drilling for petroleum development in the Sichuan Basin. To meet the requirements of casing program and wellbore stability in drilling process of ultradeep wells， a φ812.8 mm （32 in） PDC bit was developed to ensure higher stability and efficiency of bit used in large-sized wellbores in the Sichuan Basin， and it was applied in Well SDCK1. This 10-blade bit has a tapered crown with ideal stability and adopts a mixed configuration of large and small nozzles to improve the cutter cooling and wellbore cleaning performance. Moreover， a bottomhole flow field simulation model of the φ812.8 mm PDC bit was built， and the nozzle angle was designed through hydraulic optimization. The research and application results show that the pressure gradient and vectorgraph formed at bottomhole are satisfactory when the nozzle angle is 16°. Compared with roller-cone bit， the φ812.8 mm PDC bit has improved one-trip footage by 150%， prolonged one-trip net drilling time by 25.8%， and enhanced the average rate of penetration （ROP） by 89%， suggesting good stability and high rock-breaking efficiency. The research results provide guidance for the design of bits for large-sized wellbores in the Sichuan Basin.

ultradeep well；large-sized wellbore；PDC bit；bottomhole flow field；casing configuration；ROP

0 引 言

目前國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的油氣藏很多都位于地層深處，尤其是四川盆地，一半以上的天然氣資源處于地層深處。隨著地層深度的增加，井底情況越來越復(fù)雜［1-5］，井口風(fēng)險越來越高，鉆井周期也延長［6-10］。在我國川西北、川中古隆起北斜坡等地相繼發(fā)現(xiàn)大型氣田，取得了新的勘探突破［11-13］，對四川盆地超深層油氣的開發(fā)更是鉆探領(lǐng)域的重中之重［14-17］。鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展使得四川盆地鉆探技術(shù)不斷得到提高［18-21］，隨著油氣埋藏越來越深，越來越多的井朝著超深井、特深井發(fā)展。為滿足超深井整個井身結(jié)構(gòu)設(shè)計及鉆進(jìn)過程井筒穩(wěn)定性，所用井身結(jié)構(gòu)越來越多，上部井身結(jié)構(gòu)尺寸也越來越大，尤其是SDCK1井的開鉆，標(biāo)志著四川盆地較為復(fù)雜井身結(jié)構(gòu)和大尺寸井眼的誕生。上部超大尺寸井眼對鉆頭的穩(wěn)定性、攻擊性及使用壽命等提出了新的挑戰(zhàn)。本文針對四川盆地大尺寸井眼鉆井需求，以增強(qiáng)鉆頭穩(wěn)定性、提高鉆頭破巖效率為目的，進(jìn)行鉆頭個性化研制并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，以期為上部大尺寸井眼鉆頭優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)特征與提速難點(diǎn)

川西北雙魚石地區(qū)屬于龍門山造山帶與米倉山造山帶匯聚部位，根據(jù)ST1、SY001-1、SY001-H2、SY001-X7及PS6等井鉆遇地層情況，SDCK1井所在雙魚石地區(qū)上部地層主要是白堊系、侏羅系。其中：白堊系劍門關(guān)組底部以礫巖、含礫砂巖為主；侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組中巖性主要是砂質(zhì)泥巖、石英砂巖以及泥質(zhì)粉砂巖不等厚互層夾薄層礫巖，此類地層鉆進(jìn)大多采用牙輪鉆頭，但在遇到憋鉆、跳鉆等問題時容易造成牙輪鉆頭軸承晃動，易造成掉牙輪、牙掌等事故，且牙輪鉆頭的機(jī)械鉆速低，影響整個鉆井效率和鉆井周期。PDC鉆頭單一結(jié)構(gòu)不僅可以降低井下牙輪、牙掌掉落的風(fēng)險，而且切削齒的切削效率高，但在上述不均質(zhì)含礫地層鉆頭憋、跳嚴(yán)重，會造成鉆頭不穩(wěn)定性能的增加，對切削齒造成沖擊，大大降低PDC鉆頭使用壽命，故PDC鉆頭在此類地層鉆進(jìn)時的使用壽命和鉆進(jìn)效率仍是目前亟須解決的難點(diǎn)。

2 鉆頭個性化設(shè)計

2.1 鉆頭設(shè)計要點(diǎn)

雙魚石構(gòu)造大尺寸井眼表層鉆進(jìn)主要地層為白堊系劍門關(guān)組、侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組，尤其是劍門關(guān)組砂礫巖交錯，跳鉆嚴(yán)重，鉆頭在這類地層中穩(wěn)定性差、憋跳嚴(yán)重，對鉆頭切削齒挑戰(zhàn)性高，加上劍門關(guān)組、蓬萊鎮(zhèn)組長段泥巖易水化膨脹，鉆頭易泥包。故在進(jìn)行鉆頭設(shè)計時，一是要保證鉆頭在鉆遇上部大井眼地層交錯變化帶來的穩(wěn)定性能，防止鉆頭因穩(wěn)定性差導(dǎo)致提前失效；二是大尺寸井眼線速度高，切削齒磨損速率快，故應(yīng)加強(qiáng)切削齒的布齒設(shè)計，提高鉆頭金剛石含量；三是合理優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計，強(qiáng)化鉆頭心部巖屑的清洗、切削齒的冷卻及流道的排巖效果，防止鉆頭泥包和切削齒熱磨損。

2.2 鉆頭設(shè)計

為保證大尺寸井眼鉆頭的使用壽命和鉆進(jìn)效率，φ812.8 mm PDC鉆頭主要進(jìn)行以下關(guān)鍵設(shè)計：①鉆頭冠部采用穩(wěn)定性較好的長錐形冠部輪廓，在增加鉆頭布齒密度的同時增強(qiáng)鉆頭的穩(wěn)定性；②綜合考慮大尺寸井眼表層鉆進(jìn)遇到的問題，采用10刀翼PDC鉆頭進(jìn)行設(shè)計來維持鉆頭穩(wěn)定性及研磨性，提高刀翼金剛石含量，增強(qiáng)鉆頭耐磨性；③為保證大尺寸井眼提速，綜合考慮切削齒的吃入能力、耐磨性能和抗沖擊性能，采用16 mm切削齒進(jìn)行布齒設(shè)計；④為增強(qiáng)大尺寸井眼攜砂效果，滿足井筒清潔要求，采用大小水眼混布方式提高切削齒的冷卻及井筒清潔效果。圖1為φ812.8 mm PDC鉆頭模型圖。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

采用直線-圓弧-圓弧-直線形的冠部輪廓，18°內(nèi)錐角度及力平衡設(shè)計增強(qiáng)鉆頭的穩(wěn)定性。采用16#和18#共18個水眼混布方式提高切削齒的冷卻及井筒清潔效果?？紤]鉆進(jìn)礫石層前期對復(fù)合片的沖擊所造成的鉆頭切削齒先期失效，每個刀翼頂部加入3顆防碰撞限位合金齒，以此保證鉆頭使用壽命。采用3 mm金剛石層切削齒，脫鉆深度1 mm，來提高切削齒的抗沖擊性及強(qiáng)研磨性能。

3 數(shù)據(jù)模擬

3.1 模型建立

將建好的三維模型導(dǎo)入UG軟件中，對鉆頭進(jìn)行包絡(luò)后得出井底流場域模型。將井底流場域進(jìn)行動、靜域的劃分。對所建立的井底流場域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證網(wǎng)格計算時的精度及時間，通過多個網(wǎng)格劃分方案來進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，如表1所示。由表1可見，在網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到139萬以后，進(jìn)出口的壓力降趨于穩(wěn)定，井底參數(shù)隨著網(wǎng)格數(shù)量敏感性低，故優(yōu)先選擇方案3進(jìn)行模擬，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

3.2 邊界條件設(shè)定

采用瞬態(tài)方式進(jìn)行域條件、入口邊界條件、出口邊界條件定義。

3.2.1 域條件的設(shè)定

因整個井底流場的運(yùn)動是由鉆頭的旋轉(zhuǎn)及壓力引起的，故將外端體設(shè)定為井底流場的靜域，即為鉆頭在鉆進(jìn)過程中的井筒；內(nèi)端體設(shè)定為井底流場的動域。在整個仿真過程中，主要是動域進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)速度為鉆頭實際旋轉(zhuǎn)的速度145 r/min。

3.2.2 入口邊界條件的設(shè)定

液流從噴嘴的入口處進(jìn)入直接噴射到井底，故噴嘴入口的設(shè)定即為入口邊界條件的設(shè)定，且流速均勻?？紤]大尺寸井眼攜巖效果及鉆井施工設(shè)計要求，將仿真排量設(shè)為150 L/s。

3.2.3 出口邊界條件的設(shè)定

井底流場模型中壁面與鉆頭本體所形成的環(huán)形空間即為鉆頭在出口處的邊界條件，出口類型選用只進(jìn)不出的Outlet類型。

3.3 結(jié)果分析

鉆井液從水眼噴射出來的水力能量及產(chǎn)生的橫向漫流作用于井底，既能對巖屑進(jìn)行清洗運(yùn)移，又能對切削齒進(jìn)行冷卻，從而保證切削齒工作壽命。井底鉆井液射流壓力越大越有利于井底巖屑的翻轉(zhuǎn)，射流壓力越高越利于巖屑的運(yùn)移及切削齒的冷卻。反之，射流壓力越小，越不利于巖屑的運(yùn)移及切削齒冷卻。

鉆井液不同噴射傾角下的速度矢量云圖如圖3所示。從圖3可知：當(dāng)傾角為18°時，在A、B這2處產(chǎn)生渦旋，使巖屑在此處渦旋流動，不僅會造成鉆頭的重復(fù)切削，也使上返巖屑和排量受到弱化；在傾角為14°和16°時未出現(xiàn)渦旋現(xiàn)象，有利于鉆井液攜砂，鉆井液能量利用率高，橫向漫流速率高，有利于井筒清潔。

開展不同傾角下的井底壓力云圖分析，如圖4所示。從圖4可知：當(dāng)傾角為14°和18°時心部存在區(qū)域低壓區(qū)，不利于巖屑的排出，易造成切削齒的重復(fù)切削，縮短切削齒工作壽命。

結(jié)合速度矢量圖可知，大量鉆井液能損耗在井底，不利于攜砂。當(dāng)傾角為16°時井底壓力形成不同高低壓差，具有很好的壓力梯度，增強(qiáng)了鉆井液在井底的流動性，有利于井底巖屑的運(yùn)移，避免鉆頭在井底對巖屑的重復(fù)切削。

綜上，在傾角為16°時，在井底所形成的壓力梯度和矢量圖所表現(xiàn)出的效果好，分析鉆頭表面速度云圖（見圖5）可知：整個鉆頭切削齒冷卻效果較好，未出現(xiàn)切削齒冷卻不到或切削齒冷卻過度造成的沖蝕現(xiàn)象，大大提高水力能量利用率。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

SDCK1井劍門關(guān)組、蓬萊鎮(zhèn)組巖性主要以泥巖、砂質(zhì)泥巖、含礫砂巖、石英砂巖為主，地層可鉆性差，經(jīng)過三壓力預(yù)測（見表2），此類地層一般采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)?？紤]表層鉆進(jìn)震動大，易對設(shè)備和鉆具造成損傷，故鉆進(jìn)時加入減震器來減緩設(shè)備與鉆具震動。將所設(shè)計的PDC鉆頭與三牙輪鉆頭進(jìn)行表層地層鉆進(jìn)效果對比，鉆具組合如下。

牙輪鉆頭鉆具組合：φ812.8 mm三牙輪鉆頭+雙內(nèi)接頭+φ304.8 mm減震器+φ330.2 mm鉆鋌2根+φ800.0 mm扶正器+279.4 mm鉆鋌+φ792.0 mm扶正器+φ279.4 mm鉆鋌+φ254.0 mm鉆鋌+轉(zhuǎn)換接頭+φ228.6 mm鉆鋌+轉(zhuǎn)換接頭+φ203.2 mm鉆鋌+轉(zhuǎn)換接頭+φ168.3 mm鉆桿。

PDC鉆頭鉆具組合：φ812.8 mm PDC鉆頭+雙內(nèi)接頭+φ304.8 mm減震器+φ330.2 mm鉆鋌2根+φ800.0 mm扶正器+φ279.4 mm鉆鋌+φ792.0 mm扶正器+φ279.4 mm鉆鋌+φ254.0 mm鉆鋌+轉(zhuǎn)換接頭+φ228.6 mm鉆鋌+轉(zhuǎn)換接頭+φ203.2 mm鉆鋌+轉(zhuǎn)換接頭+φ168.3 mm鉆桿。

加入扶正器后對牙輪鉆頭及PDC鉆頭鉆進(jìn)井段進(jìn)行對比，結(jié)合鄰井情況，基于三壓力預(yù)測和井控安全，鉆進(jìn)鉆壓為100～220 kN，轉(zhuǎn)速為70～95 r/min，鉆井液密度為1.10～1.27 g/cm3，扭矩為3～16 kN·m，泵壓為20～26 MPa。

對φ812.8 mm大尺寸井眼所用PDC鉆頭與三牙輪鉆頭使用情況進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。從表3可知：較三牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭趟數(shù)減少4趟，單趟鉆進(jìn)尺提高150%，單趟純鉆時間延長25.8%，平均機(jī)械鉆速提高89%。需要說明的是，上述指標(biāo)PDC鉆頭所鉆遇井深下的地層巖性較差，但性能指標(biāo)仍顯著提升，不僅縮短了起下鉆時間，而且降低了井口操作不安全因素，提高了鉆井效率，觀察鉆頭出、入井照片（見圖6）可知：起出鉆頭切削齒輕微磨損，鉆頭穩(wěn)定性好，破巖效率高。

5 結(jié) 論

（1）針對大尺寸井眼鉆遇難題，設(shè)計了以鉆頭穩(wěn)定性、抗研磨性、抗沖擊性為核心的φ812.8 mm 10刀翼PDC鉆頭，通過刀翼及防碰撞限位齒來應(yīng)對大尺寸井眼鉆進(jìn)難題。

（2）建立φ812.8 mm PDC鉆頭井底流場仿真模型，通過水力優(yōu)化得出噴嘴最佳傾斜角度，以增強(qiáng)井底清洗、攜眼能力，同時提高橫向漫流速率，提高鉆井效率及井筒清潔效果。

（3）現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：較牙輪鉆頭相比，該P(yáng)DC鉆頭單趟鉆進(jìn)尺提高150%，單趟純鉆時間提高25.8%，平均機(jī)械鉆速提高89%，鉆頭穩(wěn)定性好，破巖效率高。研究成果推動了大尺寸井眼鉆頭的技術(shù)進(jìn)步，可為后續(xù)大尺寸井眼鉆頭設(shè)計提供指導(dǎo)。

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第一宋東東，工程師，生于1990年，2021年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事鉆井破巖與鉆頭、井下工具、流體力學(xué)及鉆井工程等方面的研究工作。地址：（601051）四川省成都市。email：songdongyx@163.com。2024-02-202024-05-12王剛慶