淺談磨銑工具在塔探1井的應用

童葉森 聶尊浩 蔡山順 陳若曦 易早立

摘要：隨著西南油氣田勘探開發(fā)逐漸向深部復雜地層發(fā)展，深部海相地層高壓力系數(shù)、井底高溫、裂縫發(fā)育等引起的故障復雜越來越多。本文詳細闡述了塔探1井卡鉆前的施工過程，卡鉆后的處理情況，以及井下落魚結構及落魚所處位置等相關信息，統(tǒng)計各類型磨鞋磨銑井下121mm鉆鋌的機械鉆速和進尺，結合磨鞋出井磨損情況分析，針對井下落魚為鋼級更高、壁厚更厚的鉆鋌，提出了磨鞋選型優(yōu)選方案，達到提高落魚磨銑效率的目的;為以后磨銑類似井下落魚的磨鞋選型提供參考。

Abstract： As the exploration and development of oil and gas fields in Southwest China gradually develops into deep complex formations， the failures caused by the high pressure coefficient of deep marine formations， high temperature of bottom hole and the development of fractures are becoming more and more complicated. This article elaborated on the construction process before the stuck pipe in Tatan 1# well， the processing situation after stuck pipe， and the relevant information such as the structure of the fish falling in the well and the location of the fish falling， and statistics of the drilling speed and footage of various types of shoe grinding and milling machinery under the 121mm drill collar. Combined with the analysis of the wear situation of the grinding shoe out of the well， for the drill collar with a higher steel grade and a thicker wall thickness， a preferred shoe grinding type selection scheme is proposed to achieve the purpose of improving the efficiency of the grinding and milling of the fish. It will provide a reference for the selection of grinding shoes similar to the well-dwelling fish in the future.

關鍵詞：磨鞋;鉆鋌;磨銑;選型

Key words： grinding shoes;drill collar;grinding and milling;selection

中圖分類號：TE921? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）21-121-03

0? 引言

在油氣鉆井作業(yè)中，難免出現(xiàn)掉鉆頭牙輪或斷、掉鉆具在井底。在入井其它工具打撈不成功時則只有下入磨鞋去磨銑井底所掉落魚[1]。相較于鉆桿，井下落魚為鋼級更高、壁厚更厚的鉆鋌時，在磨銑過程中存在單趟鉆磨銑時間短，磨銑進尺低，起下鉆頻繁等諸多問題，使得井下復雜的處理周期變長，鉆井成本增加。文中將對塔探1井磨銑121mm螺旋鉆鋌過程中所使用的各種磨鞋進行詳細描述，通過對比分析所使用的磨鞋實際磨銑效果，找出導致磨銑進度緩慢的原因，優(yōu)化磨鞋選型。

1? 塔探1井概況

1.1 塔探1井基本情況

塔探1井是中國石油西南油氣田分公司在四川盆地大塔場構造上部署的一口風險探井，該井位于四川省宜賓市宜賓縣境內(nèi)，設計井深6755m，以燈二段為目的層，鉆探目的是了解大塔場構造燈影組及下古生界儲層發(fā)育及含流體情況。于2017年2月16日開鉆，目前井深6508.13m，目前層位燈二段。

1.2 前期復雜情況簡述

塔探1井于2018年9月13日開始六開燈影組鉆進，使用密度1.18g/cm3的油基鉆井液體系鉆進至井深6508.13m，井下扭矩異常，垮塌嚴重，經(jīng)過九次下入清砂工具（PDC鉆頭、銑齒、西瓜皮鉆頭、銑錐等）進行清砂處理，并將鉆井液密度逐漸提高至1.60g/cm3，其中第九次下入132mm銑錐清砂劃眼，重漿舉砂過程中，因井眼環(huán)空間隙小，大量垮塌物堵塞，造成卡鉆。經(jīng)過5次打撈，13趟鉆磨銑，魚頭出套管鞋17.5m。在井深6361m魚頂處下入？準133mm母錐帶？準133mm 3°斜向器造扣并注水泥塞側鉆。下鉆未探到水泥塞，再次做地層承壓試驗，多次補套壓至40.0MPa壓力下降緩慢的情況下，決定直接下銑錐側鉆。2018年12月31日第一趟下入？準136mm銑錐側鉆至井深6361.70m（斜向器理論頂深6356.19m，斜面長2.21m）;循環(huán)反復拉劃，修整斜向器剖面，扭矩平穩(wěn)后起鉆。第二趟下入135.5mmPDC鉆頭以5-10kN鉆壓劃眼至井深6361.17m，扭矩異常10.6kN·m↑12.5kN·m，倒劃至井深6360.92m過程中扭矩間斷上漲至14.2kN·m，頂驅(qū)間斷蹩停，下放鉆具至井深6361.10m頂驅(qū)再次蹩停，發(fā)生卡鉆。

1.3 第二次卡鉆處理過程及原因分析

1.3.1 卡鉆處理過程

在懸重1200-2000kN間斷震擊，累計震擊150次，未解卡。倒扣成功，倒扣后懸重1450kN，井下落魚479.07m。先后通過反扣鉆桿六次造扣打撈，井下剩余落魚39.1m，第七次造扣打撈反轉(zhuǎn)扭矩27.0kN·m未能倒扣，正轉(zhuǎn)倒安全接頭時鉆桿滑扣，井下新增落魚6026m;通過十一次正扣鉆桿造扣打撈和一次對扣打撈，剩余井下落魚39.83m，下入隨鉆震擊器活動震擊無效后，轉(zhuǎn)入磨銑作業(yè)。

1.3.2 卡鉆原因分析

造成第二次側鉆卡鉆，分析原因主要有以下幾點：①下斜向器注水泥塞穩(wěn)固，未探得水泥塞，斜向器封固不牢處于活動狀態(tài);②因小井眼環(huán)空間隙小，前期磨銑落魚可能存在大碎塊未能有效返出;③側鉆過程中，兩井眼間的夾壁墻垮塌。

1.3.3 落魚結構及落魚特征

井下落魚結構：135.5mmPDC×0.25m+雙母330×310×0.90m+回凡×0.51m+121mm鉆鋌4根×37.44m（從上到下單根數(shù)據(jù)9.40m、9.33m、9.29m、9.42m）+121mm大頭公錐×0.40m+安全接頭下部分×0.33m（井下落魚結構及121mm鉆鋌。發(fā)生卡鉆時的井下泥漿性能見表2），魚頂井深：6322.6m、套管鞋井深：6343.5m、斜向器頂井深：6356.19m;其中井下落魚主要部分由4根121mm鉆鋌構成，長度37.44m。NC35-47型121mm鉆鋌其主要規(guī)格參數(shù)如下：內(nèi)徑50.8mm，壁厚34.95mm，每米重量79kg/m，從以上數(shù)據(jù)可以得出，121mm鉆鋌的壁厚是普通鉆桿的4倍，由于其作用是為鉆井作業(yè)提供所需的鉆壓，有著比普通5寸鉆桿更重的重量，單根重量是普通5寸鉆桿重量的2.7倍。更高的強度和更厚的磨銑橫截面無疑給井下磨銑落魚工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)，對磨鞋的質(zhì)量提出了更高的要求。

2? 磨鞋使用效果對比分析

截止目前，塔探1井磨銑至井深6330m，總計磨銑進尺7.4m，累計磨銑時間300h，總共下鉆磨銑22趟，使用各種不同類型的磨銑工具13種，鉆具組合多采用井底“磨撈工具”，由磨鞋和撈杯兩部分組成[2]（鉆具組合為：磨鞋+撈杯+回壓凡爾+？準121鉆鋌5柱×136.42m+311×HT38母×0.80m+？準101.6加重鉆桿7 2/3柱×218.65m+？準101.6鉆桿）。為了更好的對比磨銑工具的使用效果，分析磨銑緩慢的原因，找出提高磨銑效率的方法，本文挑選出10種磨銑過程中使用過的具有代表性的磨鞋進行對比分析，歸納總結見表2。

對比表中相關數(shù)據(jù)，結合現(xiàn)場實際磨銑效果分析，傳統(tǒng)的磨銑工具如表中的三刀翼短引子磨鞋、三瓣式短引子星型磨鞋、兩刀翼磨鞋，它們的主磨銑面都是平底構造，這類型的磨鞋磨銑小尺寸鉆具，如鉆桿有很明顯的優(yōu)勢，磨銑過程中鉆壓分布平均，磨銑均勻，產(chǎn)生的縱向震動小[3]。但用于磨銑尺寸大的鉆鋌卻發(fā)揮不出它的優(yōu)勢;鉆鋌的壁厚更厚，以這次落入井下的121mm鉆鋌為例，它的壁厚達到了34.95mm，是普通5寸鉆桿的4倍。磨鞋與鉆鋌的接觸面積遠遠大于與鉆桿的接觸面積，這樣切削齒作用在鉆鋌上的比鉆壓低，再加上鑲在磨鞋上的合金塊沒有任何角度，難以吃入鉆鋌，致使磨銑速度緩慢。通過表中這3種磨鞋對比數(shù)據(jù)，平均進尺0.2m，平均磨銑速度0.015m/h，以及實際出井磨損情況也證明了傳統(tǒng)的磨銑工具不適合鉆鋌的磨銑。

在后續(xù)的磨銑過程中先后試驗使用了黑金鋼石磨鞋和雙級磨鞋，設計思路是，通過增大磨鞋中心位置的尺寸，在磨銑鉆鋌過程中優(yōu)先磨銑擴大鉆鋌的水眼，減小被磨銑鉆鋌的橫截面積，以達到減小磨鞋與鉆鋌的接觸面積，增加比鉆壓，進一步發(fā)揮傳統(tǒng)磨鞋磨銑的優(yōu)勢。從現(xiàn)場實際使用效果看，最初的10-15cm磨銑速度較快，磨鞋中心磨銑塊吃入鉆鋌水眼，后續(xù)磨銑速度明顯降低，甚至無進尺，根據(jù)起出的磨鞋磨損情況分析，中心磨銑塊沒有設計合適的切入角度，導致無法直接切入鉆鋌本體，再加之磨出的鐵屑沒有通道能及時排出，導致磨鞋中心磨銑部分在鉆鋌內(nèi)側重復磨銑，當磨鞋上二級磨塊接觸鉆鋌本體后進一步減小了比鉆壓，切削齒更加難以吃入鉆鋌本體，從表2中數(shù)據(jù)可以看出兩只磨鞋磨銑時間較長，但進尺很低，進一步論證了上述結論。

借鑒新疆磨銑鉆鋌成功的經(jīng)驗，改變刀翼布局與柱狀齒角度，先后試驗使用了五刀翼短引子磨鞋、六刀翼磨鞋、六刀翼雙排齒短引桿磨鞋三種刀翼上鑲有金剛石復合片的磨鞋，類似于常規(guī)鉆進中所使用的PDC鉆頭。從數(shù)據(jù)上分析，三只磨鞋平均磨銑進尺在0.5m左右，相比之前使用的傳統(tǒng)平底磨鞋和改良的雙級磨鞋在單趟鉆磨銑進尺上有顯著增加，但是磨銑速度依然偏低，較之前使用的磨鞋在磨銑速度上沒有明顯提升;結合出井磨鞋磨損情況分析，五刀翼短印子磨鞋的PDC復合片磨損崩齒嚴重，而六刀翼雙排齒磨鞋由于采用雙排齒結構設計增強了抗研磨能力，但同樣雙排齒結構設計導致切削齒難以以較大的比鉆壓切入鉆鋌本體，加之鉆具組合中未使用螺桿，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速低，磨銑過程中縱向震動大后，PDC復合片很容易過早崩齒，導致磨銑效率低。

改進二刀翼磨鞋和三刀翼磨鞋結構類似，在原有磨鞋表面都加裝了硬質(zhì)合金片，不同的是二刀翼磨鞋其中相對稱的兩瓣刀翼添加了特質(zhì)的合金片，并且設計了獨特的切入角度，另外兩瓣是普通的合金顆粒磨銑瓣起二次磨銑作用。而三刀翼磨鞋三片刀翼上都加裝了特質(zhì)的合金片，并且調(diào)高了合金片的突出高度。從表2數(shù)據(jù)分析看出：二刀翼磨鞋提高了純鉆時間，達到33.5h;單只磨銑進尺達到1.35m，磨銑速度快達到0.04m/h;相比較之前所用過的磨鞋磨銑進尺、磨銑速度有明顯的提升，三刀翼磨鞋幾項參數(shù)還要稍好于二刀翼磨鞋，分別是：有最高的單只磨銑進尺1.6m，最長達磨銑時間到達40.5h;出井對比兩只磨鞋磨損情況，具有相似的幾個地方：作為主切削齒的合金片磨損最嚴重，特別是三刀翼磨鞋，三個刀翼上的合金片全部斷裂。磨鞋中心被磨平，甚至凹陷，分析原因三刀翼磨鞋合金片設計突出磨鞋本體長，合金片薄且沒有設計相應的切入角度，在高鉆壓低轉(zhuǎn)速磨銑落魚過程中，產(chǎn)生的縱向震動，極易造成合金片崩斷[4]。

3? 認識及建議

3.1 磨鞋的優(yōu)化

試驗證明，二刀翼磨鞋在磨銑速度、單趟磨銑總長度、磨銑總時間均明顯優(yōu)于普通磨鞋。其中磨銑總進尺是普通磨鞋的4.5倍，磨銑速度提高了100%，考慮更換磨鞋所需要的起下鉆時間（該井起下一次鉆需24h），二刀翼磨鞋單位時間磨銑效率可提高2倍。但從磨鞋出井磨損情況分析有以下幾個特征：①磨鞋中心過度磨損，形成深坑甚至磨鞋心部被掏空的非正常現(xiàn)象;②磨鞋表面焊接的合金片斷裂磨損嚴重;③磨鞋表面堆焊的合金塊磨損嚴重，甚至有被刮削掉的痕跡。磨鞋磨銑壽命短，磨鞋進尺短的情況依然未得到有效改善，個人認為磨鞋還需要從以下幾個方面進一步優(yōu)化改良：

1）改進磨鞋硬質(zhì)合金刀翼的高度及切入角度，防止硬質(zhì)合金片在磨銑過程中迅速疲勞磨損[5];

2）改變磨鞋流道布局，使其能充分沖散重晶石粉沉淀及磨銑中產(chǎn)生的鐵屑，避免出現(xiàn)重復切削;

3）針對性的調(diào)整合金顆粒布局，采用進口硬質(zhì)合金齒以加快磨銑效率，提高磨鞋使用壽命。

3.2 磨銑參數(shù)優(yōu)化

除了磨鞋本身的設計因素以外優(yōu)化現(xiàn)有的磨銑參數(shù)，能進一步提高磨鞋使用壽命，增加磨銑進尺。

3.2.1 鉆壓

通過對比分析磨鞋磨損情況，磨銑鉆壓普遍偏大（6-8T）是導致磨鞋中心磨損嚴重的主要原因，過高的使用鉆壓除可造成合金研磨損壞外，還會產(chǎn)生較大的連續(xù)鐵屑，引發(fā)循環(huán)攜帶問題。大量鐵屑參與重復磨銑，還使磨銑工況變得不穩(wěn)定，出現(xiàn)蹩跳鉆現(xiàn)象，合金受到的沖擊變大，合金被擊碎脫落，使磨鞋表面形成鏡面。現(xiàn)場磨鞋磨銑過程中應考慮適當降低鉆壓。

3.2.2 轉(zhuǎn)速

分析認為雖然磨銑轉(zhuǎn)速不影響合金性能，不影響循環(huán)效果，但高轉(zhuǎn)速有利于提高磨銑速度。即在同樣磨銑速度下，提高轉(zhuǎn)速可以相應降低鉆壓，有助于保持良好的磨銑工況，現(xiàn)場實際磨銑過程中由于設備原因，磨銑過程中最高轉(zhuǎn)速只有80rpm/min，使用中可以多采用抗高溫螺桿鉆具組合，已達到增加轉(zhuǎn)速的目的。

3.2.3 管柱組合

在現(xiàn)有鉆柱組合中適當增加4"加重鉆桿配比，提高鉆壓上限目的是增加鉆柱穩(wěn)定性，保持磨銑工況穩(wěn)定，防止磨銑過程中縱向震動大，磨鞋表面合金片過早磨損脫落。

參考文獻：

[1]劉和強，李克明，李洪強，李彥君，謝收偉，朱褚文.磨銑工藝技術研究[J].廣東化工，2013，40（258）：57-63.

[2]張代俊.井底磨撈工具的改制與現(xiàn)場應用[J].天然氣工業(yè)，1999（5）：96-97.

[3]沈傳海，曹繼虎.高效磨銑工藝技術配套總結[J].石油化工應用，2007（3）：81-85.

[4]王璽，丑笑飛，潘春，等.高效磨銑工藝技術及應用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2012（17）：108-109.

[5]余嗣元，余承輝主編.金屬工藝學[M].合肥：合肥工業(yè)大學出版社，2006.