基于火成巖地層特性的個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)

張立剛，閆 鐵，徐宏偉，韓汝峰，劉光貞

（1.東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司 第三采油廠，黑龍江 大慶163113；3.大慶鉆探工程公司 國(guó)際事業(yè)部，黑龍江 大慶163113）＊

隨著油氣勘探的不斷深入，勘探難度日益增加，勘探開(kāi)發(fā)中的“低、深、難”矛盾日益突出。松遼盆地為深層火成巖地層，研磨性強(qiáng)，硬度高，可鉆性差，鉆具和鉆頭事故頻出，單只鉆頭進(jìn)尺少，鉆進(jìn)時(shí)效低，鉆井周期長(zhǎng)［1－3］。近幾年，徐深氣田所鉆的21口氣井平均井深3 725m，平均鉆井周期120.1d，嚴(yán)重制約著該氣田勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程，因此發(fā)展適合該地區(qū)深井鉆井的個(gè)性化高效鉆頭非常重要。目前，常用的鉆頭有牙輪鉆頭和PDC鉆頭，牙輪鉆頭硬質(zhì)合金齒具有較好的韌性，能夠承受較大鉆壓和沖擊載荷，但剪切效率低，易磨損。PDC鉆頭一般采用較高的轉(zhuǎn)速和較低的鉆壓鉆進(jìn)，PDC片具有較高硬度和耐磨性，剪切破碎效率高，機(jī)械壽命長(zhǎng)，但不能承受沖擊載荷和較大鉆壓［4－13］。針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合松遼盆地北部深層火成巖地層特性，設(shè)計(jì)了一種硬質(zhì)合金齒和PDC齒混合布齒鉆頭，整合了牙輪鉆頭和PDC鉆頭優(yōu)點(diǎn)，將沖擊破碎方式和旋轉(zhuǎn)剪切破碎方式結(jié)合起來(lái)，將硬質(zhì)合金齒和聚晶金剛石復(fù)合片的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，對(duì)提高破巖效率和鉆頭壽命有很大推動(dòng)作用。

1 深井地層巖石力學(xué)特性

松遼盆地北部深層火成巖分布廣泛，在各段旋回中均有出現(xiàn)，主要發(fā)育在營(yíng)城組和火石嶺組。筆者對(duì)該區(qū)域12口井營(yíng)城組進(jìn)行了取心和巖石抗鉆特性參數(shù)測(cè)試，部分結(jié)果如表1所示。

表1 部分營(yíng)城組火山巖可鉆性級(jí)值測(cè)試結(jié)果

根據(jù)各井位坐標(biāo)，利用分形插值方法［14］計(jì)算了各位置的巖石可鉆性級(jí)值，得到該區(qū)塊不同井深巖石可鉆性級(jí)值沿不同走向的分布規(guī)律，如圖1所示。

由圖1可知：徐家圍子火山巖地層一般分布在3 500～5 000m之間，巖石硬度大，抗鉆性強(qiáng)，可鉆性級(jí)值分布在6.34～9.27之間，為中－硬地層，巖石可鉆性級(jí)值從東向西逐漸增加，從南向北逐漸減小，非均質(zhì)性很強(qiáng)。

圖1 徐家圍子營(yíng)城組不同井深沿不同走向的可鉆性級(jí)值分布規(guī)律

2 鉆頭使用情況分析

對(duì)徐深氣田12口井營(yíng)城組火成巖鉆頭使用情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，目前主要使用的鉆頭類型是江漢牙輪鉆頭HJT617GH型、HJT637H型和HJT737H型，各鉆頭使用情況如圖2所示。平均單只鉆頭進(jìn)尺（柱狀圖）73.55m，平均純鉆時(shí)間41 h，平均機(jī)械鉆速（線圖）1.39m／h。同時(shí)引進(jìn)了部分IADC編碼為547～817的鉆頭，引進(jìn)鉆頭平均單只鉆頭進(jìn)尺84.83m，平均純鉆時(shí)間45h，平均機(jī)械鉆速1.43m／h，效果并不理想。

牙輪鉆頭的主要失效形式為牙齒高度磨損、外排齒磨損、斷齒和心部磨損，主要是由于營(yíng)成組礫巖層和火山巖硬度高，研磨性極強(qiáng)，隨著鉆頭使用時(shí)間的增加牙齒磨損逐漸增加，牙齒出露高度逐漸降低。同時(shí)，由于上部泉頭組和登婁庫(kù)組地層剝落的巖塊，鉆頭工作狀態(tài)不穩(wěn)定，外排牙齒受力不均，造成外排齒和背錐齒嚴(yán)重磨損，鉆頭縮徑，嚴(yán)重者造成軸承密封失效。而嘗試使用的PDC鉆頭，牙齒和刀翼易產(chǎn)生崩斷。磨損情況如圖3。

圖2 徐深氣田營(yíng)城組鉆頭使用情況

圖3 牙輪鉆頭和PDC鉆頭磨損情況

3 新型鉆頭設(shè)計(jì)

松遼盆地深層火成巖巖石硬度大，抗鉆性強(qiáng)，現(xiàn)有鉆頭適應(yīng)性差，破巖效率低。該地層使用鑲齒牙輪鉆頭，硬質(zhì)合金齒剪切效率低，磨損快；而使用PDC鉆頭，聚晶金剛石復(fù)合片不能承受沖擊載荷和較大鉆壓，易壓碎，不能將硬質(zhì)合金齒較好的韌性和聚晶金剛石復(fù)合片的高硬度和耐磨性有效發(fā)揮出來(lái)。因此，設(shè)計(jì)了一種硬質(zhì)合金齒和聚晶金剛石復(fù)合片混合布齒鉆頭。

3.1 混合布齒鉆頭主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于鉆極軟到中硬地層的傳統(tǒng)牙輪鉆頭，一般是兼有移軸、超頂和復(fù)錐結(jié)構(gòu)，中硬或硬地層鉆頭有超頂和復(fù)錐結(jié)構(gòu)，對(duì)于極硬和研磨性很強(qiáng)的地層，單錐、不超頂、不移軸，鉆頭純滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)。本文所提出的混合布齒鉆頭為了適應(yīng)火成巖地層軟硬交錯(cuò)和沿橫向和縱向強(qiáng)非均質(zhì)性的特點(diǎn)，并充分發(fā)揮硬質(zhì)合金齒的耐沖擊性及PDC齒的高剪切效率和耐磨性的優(yōu)點(diǎn)，鉆頭的主體結(jié)構(gòu)應(yīng)能使2種齒形能夠產(chǎn)生沖擊和剪切作用。因此，設(shè)計(jì)的混合布齒鉆頭具有三牙輪結(jié)構(gòu)特征，牙輪的裝配具有超頂和移軸結(jié)構(gòu)。根據(jù)文獻(xiàn)［1］所述方法，分析牙輪上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)形式，獲得其滑動(dòng)速度矢量圖。混合布齒鉆頭主體結(jié)構(gòu)及滑動(dòng)速度矢量如圖4所示。牙輪的移軸距為S，牙輪公轉(zhuǎn)引發(fā)牙輪與地層接觸母線上任一點(diǎn)A的線速度vbA在垂直于牙輪軸的分速度v′bA和沿牙輪軸方向的分速度vsA如圖4b所示。牙輪超頂距為c，由鉆頭公轉(zhuǎn)ωb引起的牙輪與地層在接觸母線上的任一點(diǎn)x的速度vbx及由自轉(zhuǎn)ωc引起的速度vcx及由二者合成的速度vs，如圖4c所示。

圖4 混合布齒鉆頭主體結(jié)構(gòu)及滑動(dòng)速度矢量

利用上述結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生沿軸向和切向方向的滑動(dòng)，可以剪切掉同一齒圈相鄰牙齒破碎坑之間及相鄰齒圈之間的巖石，提高了破碎效率。但對(duì)于高硬度、強(qiáng)研磨性的火成巖，鉆頭牙齒的滑動(dòng)會(huì)加劇牙齒的內(nèi)端面和側(cè)面磨損。如何利用硬質(zhì)合金齒和PDC齒的合理布置，避免或減小上述問(wèn)題的發(fā)生尤為重要。

3.2 布齒設(shè)計(jì)

鉆頭牙輪上同一齒排交互布置硬質(zhì)合金齒和PDC齒，如圖5所示。各參數(shù)如圖6所示。

PDC齒出露高度低于硬質(zhì)合金齒，為了保證在2個(gè)硬質(zhì)合金齒同時(shí)接觸井底、軸心在最低位置時(shí)，聚晶金剛石復(fù)合片吃入地層一定深度，二者的出露高度匹配應(yīng)滿足

式中：R為某一齒圈牙輪直徑（圓心為0點(diǎn)）；n為該齒圈布齒個(gè)數(shù)；h0為硬質(zhì)合金齒高度；h1為聚晶金剛石復(fù)合片出露高度。

圖5 硬質(zhì)合金齒和聚晶金剛石復(fù)合片布置

圖6 硬質(zhì)合金齒和聚晶金剛石復(fù)合片出露高度匹配

據(jù)火成巖地層性質(zhì)匹配硬質(zhì)合金齒和PDC齒出露高度級(jí)差為2.5mm。通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金齒首先接觸地層，對(duì)地層產(chǎn)生沖擊，并卸載沖擊載荷和部分應(yīng)力，以保護(hù)PDC齒，避免其折斷；然后PDC齒再吃入巖石，滑動(dòng)剪切破碎到同一齒圈相鄰破碎坑及相鄰齒圈之間的巖石，既提高了破巖效率，又提高了鉆頭使用壽命。

3.3 聚晶金剛石復(fù)合片工作面方向設(shè)計(jì)

PDC工作面的法線方向與圖4中復(fù)合滑動(dòng)方向保持一致，側(cè)傾方向指向臨近齒槽，如圖7所示。復(fù)合片后傾角為30°，側(cè)傾角為15°，以保證PDC齒的切削效率和排屑效率。

圖7 聚晶金剛石復(fù)合片工作面布置

4 結(jié)論

1） 徐深氣田火山巖巖石硬度大，抗鉆性強(qiáng)，可鉆性級(jí)值分布在6.34～9.27之間，且區(qū)域分布不均勻，巖石可鉆性級(jí)值從東向西逐漸增加，從南向北逐漸減小。

2） 營(yíng)城組致密火山巖地層常用牙輪鉆頭，單只鉆頭進(jìn)尺為73.55m，平均純鉆時(shí)間41h，平均機(jī)械鉆速1.39m／h，且經(jīng)常出現(xiàn)斷齒、掉齒、磨尖、縮徑等現(xiàn)象，造成鉆速慢，建井周期長(zhǎng)。

3） 設(shè)計(jì)的硬質(zhì)合金齒和聚晶金剛石復(fù)合片混合布齒鉆頭，兼具牙輪鉆頭和PDC鉆頭優(yōu)點(diǎn)，將沖擊破碎方式和旋轉(zhuǎn)剪切破碎方式有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮硬質(zhì)合金齒和聚晶金剛石復(fù)合片的優(yōu)勢(shì)，能夠提高其破巖效率和鉆頭使用壽命。

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