非均质地层PDC钻头开发与应用_王晓彦.pdf

设备管理与维修2023 5（下）0引言蓬莱气区地处四川省射洪市盐亭县一带，位于川中古隆起北斜坡。2020 年获百万级高产工业气流。并确认了该地区立体成藏，复式聚集的多个圈闭。蓬莱气区上部井段难钻程度高，主要特征为：非均质性强、砂泥岩交互剧烈、含石英质成分夹层，钻进困难，使用普通 PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金刚石复合片）钻头存在进尺少、机速慢、报废率高等问题。对此，通过现场调研收集资料，专业软件模拟，持续推进设计优化和现场试验，形成了针对性的非均质地层 PDC 钻头设计技术。1蓬莱气区上部地层分析1.1地层特征和钻头破损机理凉高山组岩性为黑色页岩与灰绿色砂岩不等厚互层，局部含灰色灰岩及粉砂岩；自流井组分 4 个小层（大安寨、马鞍山、东岳庙、珍珠冲）岩性为杂色泥岩、粉砂岩、砂岩、灰质砂岩等。整段岩性变化大，自然伽马起伏大，地层可钻性在 26 级波动。非均质特征显著，泥岩可钻性较好，机械钻速快，但容易出现泥包工况，在砂岩层段研磨性急剧升高，机械钻速降低，钻齿出现磨损，短时间内大概率出现钻头无进尺的现象，起出后钻头报废率高，环槽、环切现象较为多见（图 1），考验钻头综合性能。钻头与岩石相互作用，在破碎岩石的同时也会受到岩石反作用力发生磨损，尤其是在非均质地层中钻进时，从一种岩性过渡到另一种岩性，从一种抗压环境过渡到另一种抗压环境，由于岩性变化块，钻齿吃入深度不一，扭矩波动大，钻头在井底会产生较高的瞬时冲击力、循环侧向力和振动，由于强烈振动导致 PDC 钻头出现破碎、裂纹和大量的切削齿断裂。同时钻进此类非均质地层还会产生较大的钻齿负荷，会引起钻头无序振动，反过来又引起钻齿的冲击破坏。并且随着切削齿磨损面扩大，会造成切削齿与岩石之间的界面摩擦生热，进而弱化金刚石切削部件。1.2PDC 钻头在非均质地层的使用效果PDC 钻头在蓬莱气区上部难钻地层使用效果见表 1，可见以往 PDC 钻头普遍存在进尺少、机速低的问题。大量实践证明，PDC 钻头在非均质地层的使用效果较差。为此，设计开发一款针对性钻头，具有轴向及横向稳定控制、抗涡动等特征，既可在泥岩段钻进中保持高机速，也可在砂岩含底砾等交互井段钻进中保持稳定性，在保证机械钻速的同时，延长钻头的使用寿命。2蓬莱气区上部地层 PDC 钻头开发2.1钻头研发（1）基于非均质性地层对钻头的破坏特征，通过专业软件进行多次模拟，最终制定针对性设计方案。（2）钻头选用中深内锥、五刀翼（3 个主刀翼，2 个副刀翼），长抛物线切削结构，提高钻头稳定性（图 2）。（3）自流井组泥岩段易发生泥包现象，泥包导致钻头水眼堵塞，钻头本体被包裹，因此钻屑无法从环空返出，而是积累在钻摘要：针对川渝川中古隆起北部上部井段地层非均质性强、砂泥岩交互剧烈、含石英质成分夹层，钻进困难，普通 PDC 钻头进尺少、机速慢、报废率高等问题，开发针对性的高效 PDC 钻头，新型 PDC 钻头具有五刀翼、轴向及横向稳定控制、抗涡动等特征，既可在泥岩段钻进中保持高机速，也可在砂岩含底砾等软硬交互井段钻进中保持稳定性。现场应用表明其具有行程高、机速快的特点，大大提高了钻井效率，形成了契合非均质地层针对性的设计方法。关键词：PDC 钻头；非均质地层；高行程；抗涡动中图分类号：TE21文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.05D.43非均质地层 PDC 钻头开发与应用王晓彦1，田东彬1，李辉2，耿付恒1（1.渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津300280；2.渤海钻探工程有限公司井下技术服务分公司，天津300280）图 1PDC 钻头环切、环槽井号尺寸/mm型号起始井段/m结束井段/m下入层位起出层位进尺/m机械钻速/（m/h）1333.4PDC25142747凉高山自流井2342.961333.4PDC27472888自流井自流井1402.442333.4PDC24752513凉高山自流井组3852333.4PDC27882851自流井组须家河组632.3表 1PDC 钻头在蓬莱气区使用情况96设备管理与维修2023 5（下）头周围，存在卡钻隐患，并严重降低机械钻速、增加钻柱黏滑的可能性。经过多次对切削结构和水力部分的优化，收效甚微。判断其根本原因是因为切削刃和环空之间的过流面积（即排屑槽）过于狭窄，岩屑无法从钻头处携走。为了增加该过流面积，设计增加切削刃的高度，减小其宽度，同时将钻头本体设计成流线型，钻头本体和井壁之间的过流面积大大增加，岩屑可以更顺畅地进入环空然后离开切削结构，从而消除泥包、提高了机械钻速。（4）非均质地层钻进常常降低钻头的机械寿命和机械钻速，振动诱导的冲击伤害是主要原因。因此，锥形齿的应用，可有效保护主切削齿，降低瞬时冲击力、侧向力和振动，同时可以集中施加应力，使具有高抗压强度的岩石破碎，提高在此类环境下的钻进效率。钻头能够更加稳定地长久钻进，提高行程。（5）改进钻头喷嘴的指向，以提高新型切削结构的清洁和冷却效率，通过流体动态软件进行水力分析，对喷嘴进行调整，减少流体在钻头面的二次循环，增强岩屑清除能力和井眼的清洁效果。同时通过设计钻头刀刃轮廓角度来优化流体在钻头处、钻头中、钻头上部的流动，减少携带岩屑的泥浆对岩屑的侵蚀，提高钻头面处的水力条件的稳定性，减少振动，从而提高了机械钻速和方向控制力。（6）非均质地层钻井过程中经常发生偏心回转工况，即钻头的旋转轴会偏离钻头物理中心，使钻头产生严重的横向位移，其中一个钻齿会临时成为成为旋转中心，此时钻头不在以中心轴为旋转中心，而会围绕临时接触点旋转，该现象引起的非对称切削作用把钻头的一边推向井壁，从而造成扩径，并增大钻头摩擦力，同时还会在钻头和底部钻具组合上产生横向冲击载荷，为解决这一问题，利用非切削防磨垫片将钻头滑进井壁并防止钻头游动，从而减少偏心回转工况的发生。（7）非均质地层钻头的失效主要来自冲击和研磨，切削齿被磨平的面被称为“磨平面”。该平面形成的摩擦热更高，进而使得钻进过程中切削齿的磨蚀更严重，机械载荷和钻齿边缘的热集中会降低金刚石层粘结性并破坏钻齿边缘，随着合成金刚石层的磨蚀，最终会磨蚀合金基体，从而造成切削效率和机械钻速的大幅降低，对此，选择异型切削齿来解决这一问题。该异型钻齿具有相比普通平面齿更高的抗冲击性和抗研磨性，锋利保持度大大提高，吃入能力更强，从而在提高机械钻速的同时保证钻头使用寿命。2.2钻头优化针对非均质地层钻头进行了 3 轮优化完善。第一轮优化，根据钻头在现场的表现，优选主切削齿的齿材，进一步地提升性价比；第二轮优化，调整前后排齿的高度差，可有效释放作用在钻头上的钻井能量于对岩石的切削中，降低钻进中的扭距波动，提高钻头的动态稳定性，使之与地层特征更加契合，提高机械钻速的同时，保持钻头的持久性；第三轮优化，采用主刀翼联合，降低心部载荷面积等手段，有效控制扭矩波动，缓解钻头无序涡动，提高钻头在软地层机速的同时，在硬地层钻进中亦能保持高稳定状态。3应用效果优化改进设计后的高效 PDC 钻头在蓬莱区块的使用情况见表 2。新型 PDC 钻头应用取得了良好效果，一趟钻钻穿凉高山和自流井组，钻头起出后新度较高，无缩径现象（图 3）。进尺与邻井相比提高 44%以上，机械钻速比其他厂家同类钻头均提高45%以上，创造了蓬莱气区该层段最高使用指标。降低了钻头报废率和趟钻数，取得了良好的经济效益和社会效益，为非均质地层优快提速提供技术保障。4结束语蓬莱气区上部井段为典型的非均质地层，具有该类型地层的诸多特性。在蓬莱气区邻井钻头分析和钻井工艺调研的基础上，开发了契合非均质地层的高效 PDC 钻头。现场应用效果表明，在进尺和机械钻速各方面均有大幅提升，有效提高了钻井效率，形成针对非均质地层的设计方法。随着科技的发展，聚晶金刚石钻头技术的革新会继续拓展PDC 钻头的应用范围，机械钻速的提高和钻头寿命的延长将进一步降低钻井成本，并对充满钻井难题远景区的经济可行性产生积极影响。参考文献1于和军.PDC 钻头在钻井施工中的应用研究 J.化工设计通讯，2017，43（9）：243.2王旭.基于井底形状的 PDC 钻头切削结构与岩石相互作用规律研究 D.北京：中国石油大学（北京），2019.3齐志民.PDC 钻头的特点与合理使用的探讨 J.石化技术，2017（5）：174.编辑李波图 2PDC 钻头改进设计井号尺寸/mm型号起始井段/m结束井段/m下入层位起出层位进尺/m机械钻速/（m/h）1333.4 高效 PDC21942532凉高山须家河3384.14表 2改进后的 PDC 钻头在蓬莱气区使用情况图 3优化后的钻头出井情况97