水力旋沖鉆井工具破巖影響因素模擬及應(yīng)用

肖新磊

(中石化勝利石油工程有限公司 西南分公司，山東 東營(yíng) 257000)

“PDC鉆頭+單彎螺桿馬達(dá)+MWD隨鉆測(cè)量系統(tǒng)”仍是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)向鉆井技術(shù)。隨著井深的增加，深部地層非均質(zhì)嚴(yán)重、巖石硬度高、研磨性強(qiáng)、可鉆性差、摩阻拖壓等，這些因素嚴(yán)重制約著深部硬地層的鉆井提速，研究適合于深層定向水平井的鉆井提速技術(shù)成為國(guó)內(nèi)鉆井領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)根據(jù)NOV公司技術(shù)研制的沖擊螺桿馬達(dá)[1-4]，對(duì)于提高鉆速具有積極作用，但主要用于直井，在定向水平井中的應(yīng)用相對(duì)較少；常規(guī)水力振蕩器只用于減摩降阻[5-10]，不能驅(qū)動(dòng)鉆頭破巖且壓降較高。其安裝位置距離鉆頭較遠(yuǎn)，影響了振蕩沖擊[11-16]輔助鉆頭破巖的效果。因此，這兩種工具不能完全滿足定向水平井導(dǎo)向鉆井工藝和提速的技術(shù)要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，研制了一種新型定向井水力旋沖鉆井破巖工具，既能直接驅(qū)動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖，又能在鉆頭上施加脈動(dòng)沖擊載荷，在提高機(jī)械鉆速的同時(shí)，還完全滿足井眼軌跡控制(既能滑動(dòng)鉆進(jìn)，又能復(fù)合鉆進(jìn))精度的要求，為國(guó)內(nèi)定向井鉆井提速提供了一種新型鉆井技術(shù)。

本文建立了標(biāo)準(zhǔn)PDC鉆頭模型和巖石模型，分析了沖擊頻率、鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù)對(duì)破巖效率的影響規(guī)律，為改進(jìn)旋沖鉆井工具提供依據(jù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試新型水力旋沖鉆井工具的性能和可靠性。

1 有限元模型

1.1 假設(shè)

為便于計(jì)算分析鉆頭動(dòng)態(tài)破巖的過(guò)程，采用現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)PDC鉆頭模型和巖石參數(shù)的同時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)假設(shè)：

1) 巖石材料各向同性，巖石中不存在原生裂紋，巖石中的流體對(duì)巖石破壞不產(chǎn)生影響。

2) 鉆頭材料為鋼體。

3) 不考慮鉆頭磨損。

4) 巖屑迅速脫離井底，不存在重復(fù)切削。

1.2 實(shí)體模型建立

以?215.9 mm PDC鉆頭為模型，如圖1所示。為接近實(shí)際工況，巖石模型為10 m×10 m×3 m長(zhǎng)方體。

1.3 有限元模型網(wǎng)格劃分

鉆頭表面采用三角形網(wǎng)格，局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，如圖2所示。為更好的模擬破巖過(guò)程，巖石采用四面體網(wǎng)格(如圖3)。為保證計(jì)算精度，鉆進(jìn)區(qū)域需進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化(如圖4)，網(wǎng)格總數(shù)135萬(wàn)。

a 鉆頭側(cè)面

b 鉆頭底面

圖2 鉆頭網(wǎng)格示意

2 鉆井參數(shù)影響破巖效率數(shù)值模擬分析

水力旋沖破巖工具的沖擊頻率、沖擊力、鉆壓、轉(zhuǎn)速是影響破巖效率的直接因素，也是可調(diào)的參數(shù)，分析這些參數(shù)影響破巖效率的規(guī)律，能夠?yàn)楣ぞ叩膬?yōu)化及現(xiàn)場(chǎng)施工提供指導(dǎo)。

圖3 巖石網(wǎng)格示意

圖4 整體網(wǎng)格示意

2.1 沖擊頻率

沖擊頻率是影響沖擊輔助破巖的主要參數(shù)之一。當(dāng)沖擊頻率發(fā)生改變時(shí)，水力旋沖工具的破巖效率也不盡相同。保持其他參數(shù)不變，分析沖擊頻率的影響規(guī)律，研究最佳工作頻率的范圍。

圖5是單次沖擊時(shí)井底巖石三維應(yīng)力場(chǎng)的分布狀態(tài)，沖擊頻率不同時(shí)，井底巖石三維應(yīng)力場(chǎng)的瞬態(tài)分布也不同，通過(guò)參考點(diǎn)應(yīng)力變化的分析，就能夠分析出沖擊頻率影響巖石應(yīng)力變化的規(guī)律，進(jìn)而分析影響破巖效率的規(guī)律。

圖6是破巖深度隨沖擊頻率的變化規(guī)律，可知，單位時(shí)間內(nèi)的破巖深度隨沖擊頻率的增加呈現(xiàn)波浪式變化規(guī)律，存在2個(gè)頻率波峰值，即17.5 Hz和35 Hz。分析原因，當(dāng)沖擊頻率較低時(shí)，隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)，巖石表面沖擊破碎坑較少，相鄰破碎坑的間距較大，不利于巖石內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，形成的損傷區(qū)范圍小，巖屑脫離井底速度較慢，因此破巖效率較低；隨著沖擊頻率的增加，巖石表面形成的沖擊破碎坑增加，相鄰破碎坑間距變小，破碎坑周邊的微裂紋能夠快速擴(kuò)展，當(dāng)微裂紋連通時(shí)，巖屑脫離井底，從而提高了破巖效率；當(dāng)沖擊頻率再增加時(shí)，巖石表面相鄰破碎坑由于相互距離更小而發(fā)生重合，即重復(fù)沖擊破碎，不利于巖屑脫離井底，破碎效率會(huì)有所降低。

圖5 單次沖擊時(shí)井底巖石應(yīng)力分布

圖6 破巖深度隨沖擊頻率的變化規(guī)律

2.2 鉆壓

鉆壓是現(xiàn)場(chǎng)操作人員能夠?qū)崟r(shí)控制的參數(shù)之一，優(yōu)選鉆壓參數(shù)能夠最大限度地發(fā)揮沖擊輔助破巖的能力，獲得更大鉆井提速效果。

從圖7中能夠直觀看出，鉆壓越大鉆頭破巖深度越大。結(jié)合圖8可知，單位時(shí)間內(nèi)的破巖深度隨鉆壓的增大而增加，當(dāng)鉆壓增大到一定程度后破巖深度變化逐漸平緩。分析原因在于，當(dāng)沖擊力和沖擊頻率保持不變時(shí)，增大鉆壓能使鉆頭切削齒進(jìn)入巖石的深度增加，能夠進(jìn)一步增大破碎坑的面積，即增大了巖石損傷范圍，因此巖石破碎效率增大；隨著鉆壓的不斷增加，井底巖石會(huì)發(fā)生塑性變形，反而不利于巖石裂紋的擴(kuò)展，破巖效率變化平緩。因此，實(shí)鉆過(guò)程中應(yīng)合理施加鉆壓，鉆壓過(guò)大反而不利于提高鉆速。

圖7 不同鉆壓時(shí)的破巖深度與巖石應(yīng)力狀態(tài)

圖8 破巖深度隨鉆壓的變化規(guī)律

2.3 鉆頭轉(zhuǎn)速

鉆頭轉(zhuǎn)速是鉆井工程師能夠?qū)崟r(shí)控制的工程參數(shù)，也是影響鉆頭單位時(shí)間內(nèi)鉆頭破巖量的關(guān)鍵參數(shù)，分析轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律，對(duì)于沖擊破巖時(shí)最優(yōu)轉(zhuǎn)速范圍的優(yōu)選具有重要指導(dǎo)意義。

從圖9中能夠直觀看出，轉(zhuǎn)速越快鉆頭破巖深度越大。

圖9 不同轉(zhuǎn)速時(shí)的破巖深度與巖石應(yīng)力狀態(tài)

結(jié)合圖10可知，破巖深度隨轉(zhuǎn)速的變化呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)速越快，單位時(shí)間內(nèi)鉆頭破碎巖石的體積量越大，鉆進(jìn)效率也就越高，在實(shí)際操作中，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的工況條件優(yōu)選合理的轉(zhuǎn)速范圍。

2.4 沖擊力

沖擊力是沖擊輔助破巖時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)，分析沖擊力影響破巖效率的規(guī)律，對(duì)于沖擊工具的優(yōu)化設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)的優(yōu)選有重要幫助。

由圖11可以看出，當(dāng)鉆壓、轉(zhuǎn)速、沖擊頻率固定不變時(shí)，破巖深度隨沖擊力的變化趨勢(shì)比較平緩，因此在沖擊工具設(shè)計(jì)時(shí)，可優(yōu)先考慮工具材料、使用壽命等因素，提高沖擊工具的安全可靠性。

圖10 破巖深度隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

圖11 破巖深度隨沖擊力的變化規(guī)律

3 實(shí)例分析

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)定向井的施工工藝、井下測(cè)控儀器、設(shè)備情況、操作方式等，研制了適用于?215.9 mm井眼的水力旋沖鉆井工具，開展了2口井的實(shí)鉆試驗(yàn)。

3.1 S2-x105井

S2-x105井是1口常規(guī)定向井，設(shè)計(jì)井深1 849 m，井斜27°，井眼軌道設(shè)計(jì)投影圖如圖12所示。

圖12 S2-x105井井眼軌道設(shè)計(jì)投影圖

為了測(cè)試水力旋沖工具的提速效果，二開時(shí)下入該鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)。井段351～1 336 m(直井段+造斜段)，層位是明化鎮(zhèn)、沙一，鉆壓20～40 kN，鉆頭轉(zhuǎn)速60～65 r/min，鉆井液排量25～30 L/s，泵壓9～11 MPa。與鄰井的機(jī)械鉆速對(duì)比如圖13所示，平均機(jī)械鉆速30.78 m/h，較鄰井提高11.3%～78.33%。鉆進(jìn)過(guò)程中鉆壓、泵壓、工具面等參數(shù)穩(wěn)定，直井段防斜打直效果好，定向段鉆進(jìn)效率高且對(duì)MWD無(wú)干擾。鉆頭無(wú)損壞，井口無(wú)憋跳(臨井憋跳頻繁)。井斜與井眼擴(kuò)大率符合要求。

圖13 S2-x105井水力旋沖工具提速對(duì)比

3.2 T61-x203井

T61-x203井是1口雙靶點(diǎn)的三維定向井，設(shè)計(jì)井深2 336 m，井斜41.99°，井眼軌道設(shè)計(jì)投影圖如圖14所示。

a 垂直投影圖

b 水平投影圖

為測(cè)試水力旋沖工具的三維井眼軌跡控制能力和鉆井提速效果，二開時(shí)下入該工具實(shí)施鉆進(jìn)。使用井段303～1 437 m(直井段+造斜段+扭方位段)，層位為館陶、沙二，鉆壓20～40 kN，鉆頭轉(zhuǎn)速60～65 r/min，鉆井液排量25～30 L/s，泵壓10～12 MPa。與鄰井的機(jī)械鉆速對(duì)比如圖15所示，平均機(jī)械鉆速35.44 m/h，較鄰井提高26.2%～151%(高于臨井牙輪鉆速)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，MWD信號(hào)正常，定向工具面穩(wěn)定，鉆頭無(wú)損壞現(xiàn)象，井眼軌跡符合設(shè)計(jì)要求。

圖15 T61-x203井水力旋沖工具提速對(duì)比

3.3 綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)2口井的實(shí)鉆試驗(yàn)，研制的第1代水力旋沖鉆井工具符合國(guó)內(nèi)定向井“一趟鉆”的工藝要求，鉆井平均提速56%，驗(yàn)證了新型工具的可行性與可靠性。目前，工具累計(jì)進(jìn)尺2 119 m，累計(jì)使用時(shí)間150 h，MWD信號(hào)正常，工具無(wú)損傷。

4 結(jié)論

1) 采用數(shù)值模擬法分析了水力旋沖鉆井工具的破巖特性，沖擊頻率為17.5 Hz和35 Hz時(shí)，破巖效率最優(yōu)。破巖效率隨鉆壓增大而增加，而后變化逐漸平緩，隨鉆頭轉(zhuǎn)速增大而增加，隨沖擊載荷的增加變化平緩。

2) 根據(jù)模擬結(jié)論，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，研制了適用于?215.9 mm井眼的定向井水力旋沖鉆井工具。2口井的試驗(yàn)結(jié)果表明，該工具符合國(guó)內(nèi)定向井“一趟鉆”的工藝要求，機(jī)械鉆速平均提高56%，驗(yàn)證了新型工具的可行性與可靠性。進(jìn)尺2 119 m，使用壽命150 h以上，MWD信號(hào)正常且工具無(wú)損傷。

3) 建議進(jìn)一步開展定向井水力旋沖鉆井工具的研制與改進(jìn)，并研制配套專用鉆頭，為油氣資源的高效開發(fā)提供技術(shù)支持。