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      四川盆地威遠(yuǎn)區(qū)塊“一趟鉆”PDC鉆頭設(shè)計(jì)及應(yīng)用

      2021-09-04 01:48:36田東彬齊昌利王海斌
      設(shè)備管理與維修 2021年15期
      關(guān)鍵詞:威遠(yuǎn)機(jī)械鉆速圓弧

      謝 金,田東彬,田 波,齊昌利,王海斌

      (1.渤海石油裝備(天津)中成機(jī)械制造有限公司,天津 300280;2.渤海鉆探第一鉆井工程分公司,天津 300280)

      0 引言

      威遠(yuǎn)構(gòu)造位于川中古隆平緩構(gòu)造區(qū)威遠(yuǎn)至龍女寺構(gòu)造群,為樂(lè)山—龍女寺加里東古隆起上形成的一巨型近穹隆狀的背斜構(gòu)造。二開井段鉆遇層位較多,須家河段以砂巖為主對(duì)鉆頭抗研磨能力要求較高,雷口坡、嘉陵江組地層有灰?guī)r硬夾層及石膏層軟硬交錯(cuò),龍?zhí)督M鋁土質(zhì)泥巖、頁(yè)巖夾凝灰質(zhì)粉砂巖及黑色煤軟硬交替,茅口及棲霞部分井段部分含黃鐵礦、燧石結(jié)核。

      當(dāng)鉆頭瞬間過(guò)渡到軟地層的時(shí)候,鉆頭瞬間吃入地層深度加大,產(chǎn)生較高的扭矩,甚至?xí)锿!.?dāng)鉆頭在井底反復(fù)粘卡振動(dòng)時(shí),鉆頭的復(fù)合片就會(huì)由于過(guò)高的沖擊力而破碎,最終因機(jī)械鉆速降低而起鉆,難以達(dá)到二開“一趟鉆”的既定目標(biāo)。通過(guò)不斷改善311.2 mm 五(刀)翼16 mm 齒鉆頭冠部形狀、布齒、水利結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),研制出抗軟硬交錯(cuò)、耐磨性更強(qiáng)的適應(yīng)“一趟鉆”特性鉆頭。

      1 設(shè)計(jì)方案

      1.1 冠部形狀α

      結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工工況,綜合考慮冠部剖面形狀對(duì)破巖效率、鉆頭壽命和穩(wěn)定性影響。選擇“直線—圓弧—圓弧”形狀為基本冠部輪廓曲線(圖1),該鉆頭冠部輪廓采用常規(guī)中等內(nèi)錐結(jié)構(gòu),既能保證鉆頭穩(wěn)定性又能兼顧攻擊性。冠頂鼻部位置寬大,通過(guò)大的表面積達(dá)到優(yōu)異的抗沖擊能力,在大鉆壓工況下能獲得較高的機(jī)速;肩部雙圓弧連續(xù)平緩過(guò)渡結(jié)構(gòu)可消除集中載荷點(diǎn),增加穿硬夾層能力,線性相對(duì)較長(zhǎng),可以布置更多的切削齒參與工作,強(qiáng)化鉆頭抗研磨能力,提高鉆頭使用壽命。

      在圖1 所示的坐標(biāo)系中,這種直線—雙圓弧剖面可以表示為式(1),剖面參數(shù)按式(2)計(jì)算:

      圖1 冠部輪廓曲線

      式中 Dp——冠部外徑,mm

      R0——冠部半徑,mm

      R1——內(nèi)圓弧半徑,mm

      R2——外圓弧半徑,mm

      α——內(nèi)錐半角,°

      H2——外錐高度,mm

      H1——內(nèi)錐高度,mm

      r02——外圓弧圓心徑向坐標(biāo),mm

      利用式(1)和式(2),給定鉆頭冠部外徑Dp、冠頂半徑R0、內(nèi)錐半角α、內(nèi)圓弧半徑R1、外圓弧半徑R2,就可以確定出具體的冠部剖面形狀。

      1.2 刀翼結(jié)構(gòu)及布齒設(shè)計(jì)

      為了提高鉆頭的攻擊性和穩(wěn)定性,采用五刀直翼非對(duì)稱結(jié)構(gòu)(圖2),相鄰刀翼間夾角為67°~75°,這種直刀翼結(jié)構(gòu)鉆頭刀翼清洗效果好,切削齒能及時(shí)得到冷卻,在軟到中等硬度的地層中機(jī)械鉆速較高;同時(shí)該結(jié)構(gòu)分散井壁切削力,提高鉆頭穩(wěn)定性。

      圖2 布齒結(jié)構(gòu)

      切削齒的工作角度是后傾角、側(cè)傾角、法向角(裝配角度)三維合成的。后傾角是其中最重要的設(shè)計(jì)參數(shù),根據(jù)Hough 研究得出的結(jié)論:軟地層金剛石鉆頭應(yīng)采用10°~20°的后傾角、硬地層采用20°~25°后傾角;1990 年代,Kara-Sawa 和Li 等用后傾角為10°、15°、20°、25°、30°和40°的切削齒切削花崗巖,結(jié)論是隨后傾角的增大,切削齒縱向力、切削力、扭矩都呈增大趨勢(shì)?,F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明,鉆壓和扭矩越大,切削齒切削地層的能力越強(qiáng),且抗沖擊破碎的能力也加強(qiáng)。針對(duì)威遠(yuǎn)區(qū)塊二開鉆遇地層的特點(diǎn)及使用后的鉆頭肩部磨損嚴(yán)重,采用Ф16 mm 復(fù)合片同時(shí)為主副切削齒,后排齒較前排齒出露低,鉆進(jìn)過(guò)程中前排齒磨損到一定程度后,后排齒開始切削地層。作用旨在有效控制PDC(Polycrystalline Diamond Compact,聚晶金剛石復(fù)合片)鉆頭的縱向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng),保障鉆頭機(jī)械鉆速和工作壽命。副齒出露高度對(duì)鉆頭性能有著重要影響,高出露會(huì)影響主齒吃入地層,低出露則起不到保護(hù)主齒的作用,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)將高度差設(shè)定為2 mm。

      切削齒后傾角采用由內(nèi)向外漸變的設(shè)計(jì),區(qū)間設(shè)定為10°~25°,確保鉆頭有較好的攻擊性和使用壽命。設(shè)計(jì)側(cè)轉(zhuǎn)角區(qū)間為1°~12°,以加強(qiáng)鉆頭的清洗和排屑的移運(yùn),避免切削齒與井底的干涉現(xiàn)象,提高鉆進(jìn)效率。

      1.3 刀翼優(yōu)化設(shè)計(jì)

      降低刀翼厚度,使流道面積最大化。增大刀翼及排屑槽圓角,形成曲面,刀翼形狀近似流線性,減少流體阻力。刀翼根部增厚,使刀翼背部具有較大的斜面,便于上返巖屑。

      1.4 水利結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      飛仙關(guān)組巨厚石膏層,龍?zhí)督M鋁土質(zhì)泥巖,易發(fā)生縮徑、垮塌,尤其是在龍?zhí)督M易出現(xiàn)泥包現(xiàn)象。針對(duì)鉆頭出現(xiàn)的泥包現(xiàn)象,使用深寬水槽設(shè)計(jì),運(yùn)用專業(yè)水力分析軟件,對(duì)井底流場(chǎng)進(jìn)行模擬,對(duì)配置八噴嘴水力結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,提高水力運(yùn)移巖屑效果,加強(qiáng)鉆井液對(duì)金剛石鉆頭鼻部、肩部位置切削齒的清洗冷卻效果。經(jīng)過(guò)分析優(yōu)化后的水力結(jié)構(gòu)是鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中,消除了滯留、回流區(qū)域,有效杜絕鉆頭泥包現(xiàn)象,減少了因巖屑從井底沖洗不及時(shí)造成重復(fù)切削的情況。

      1.5 防卡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      防卡結(jié)構(gòu)是在PDC鉆頭倒劃眼位置增每個(gè)刀翼在增加一顆二級(jí)級(jí)倒劃眼齒,新增加的倒劃眼齒圓周半徑較常規(guī)倒劃小,并在兩個(gè)倒劃眼齒間增加尖錐齒(圖3):當(dāng)井壁不穩(wěn)出現(xiàn)較大掉塊,尖錐齒破碎體積過(guò)大掉塊使其能隨泥漿返出井口,減少因掉塊卡鉆的風(fēng)險(xiǎn);而當(dāng)鉆遇縮徑較重或者易垮塌時(shí)底層時(shí),在劃眼過(guò)程中雙倒劃眼齒的結(jié)構(gòu)能更快、更有效地修復(fù)井壁,降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn),減少起下鉆時(shí)間。

      圖3 防卡結(jié)構(gòu)

      2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及對(duì)比分析

      針對(duì)四川盆地威遠(yuǎn)區(qū)塊地層個(gè)性化設(shè)計(jì)的金剛石鉆頭,在須家河至棲霞組須家河至棲霞組威204H47-2 和威204H47-3井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(表1),所鉆巖性為細(xì)砂巖、頁(yè)巖、石灰?guī)r、白云巖、石膏、鋁土質(zhì)泥巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等,鉆頭平均進(jìn)尺1735.5 m,平均機(jī)械鉆速8.96 m/h,在3 口井實(shí)現(xiàn)了二開“一趟鉆”。

      表1 新型金剛石鉆頭與其他金剛石鉆頭的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)

      3 總結(jié)

      針對(duì)四川盆地威遠(yuǎn)區(qū)塊二開的地層特點(diǎn),個(gè)性化設(shè)計(jì)的新型PDC鉆頭平均機(jī)械鉆速與單只鉆頭進(jìn)尺均有所提高,實(shí)現(xiàn)了二開“一趟鉆”,縮短了鉆井周期,節(jié)約了鉆井成本。

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