王子臣

(中油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司 工程技術(shù)研究院取心技術(shù)研究所，遼寧 盤(pán)錦 124010)

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取心鉆頭時(shí)效的影響因素

王子臣

(中油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司 工程技術(shù)研究院取心技術(shù)研究所，遼寧 盤(pán)錦 124010)

對(duì)影響取心鉆頭時(shí)效的因素進(jìn)行分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式能夠更好地分析相關(guān)因素的相互影響。通過(guò)對(duì)新舊鉆頭進(jìn)行效果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)新式取心鉆頭在鉆頭實(shí)時(shí)受力分析的基礎(chǔ)上，著重于切削齒的形狀設(shè)計(jì)，減小弧長(zhǎng)，更便于切入地層。布齒的力平衡性好，減輕鉆頭不必要的磨損，增強(qiáng)鉆進(jìn)的穩(wěn)定性。鉆頭齒的傾角調(diào)整到最科學(xué)切削角度，切削弧長(zhǎng)不宜過(guò)長(zhǎng)，不能產(chǎn)生過(guò)大的巖屑在井底重復(fù)切削。改進(jìn)后的取心鉆頭在轉(zhuǎn)速和機(jī)械鉆速增加的情況下，鉆頭能夠穩(wěn)定地快速切削，避免巖屑大量堆積，提高鉆進(jìn)時(shí)效，延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，減少力的損失，同時(shí)能夠平穩(wěn)地塑造巖心。

取心鉆頭；布齒形狀；機(jī)械鉆速；提高時(shí)效

近些年由于在世界范圍內(nèi)石油勘探項(xiàng)目的興起，對(duì)石油鉆井過(guò)程中所使用的鉆頭進(jìn)行了更深層次的研究和分析，目的是為了提高時(shí)效的同時(shí)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。鉆井取心是在勘探過(guò)程中最直觀了解地層的方式，由于勘探過(guò)程中取心效果的好壞會(huì)直接影響到對(duì)地層的有效分析和價(jià)值評(píng)估，所以取心鉆頭的研究也被更加重視。之前的理論分析認(rèn)為取心過(guò)程中切削面積越大，時(shí)效越高，這個(gè)理論也在一段時(shí)間內(nèi)影響著取心鉆頭的設(shè)計(jì)理念。目前經(jīng)過(guò)近幾年的實(shí)驗(yàn)室分析發(fā)現(xiàn)，取心鉆頭的影響因素不單單體現(xiàn)在切削面積上，受地層巖性的影響，取心過(guò)程中，鉆頭的切削弧長(zhǎng)、切削齒傾角和布齒的形狀，以及切削巖屑避免造成重復(fù)切削等因素都影響到鉆頭的切削時(shí)效，進(jìn)而影響巖心質(zhì)量。利用本文取心鉆頭設(shè)計(jì)理念生產(chǎn)出來(lái)的鉆頭在實(shí)際應(yīng)用中機(jī)械鉆速快，發(fā)生堵心、脹心事故少，提高了取心服務(wù)質(zhì)量，也節(jié)省了鉆井取心作業(yè)成本。

1 影響取心鉆頭時(shí)效的實(shí)驗(yàn)室分析

公式(1)為原始的鉆頭設(shè)計(jì)理論根據(jù)，切削面積A和切削力Fc呈線性關(guān)系，鉆頭切削力對(duì)于取心的切削時(shí)效影響很大[1]。

Fc=KCδA

(1)

式中：Fc為鉆頭切削力，kN；KC為鉆頭切削角度有效當(dāng)量系數(shù)；δ為地層巖石應(yīng)力；A為切削面積，cm2。

隨著這幾年鉆頭設(shè)計(jì)的改進(jìn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用參數(shù)的反饋，理論依據(jù)有了新的延伸和拓展。公式(2) 是在井底條件理想狀態(tài)下，鉆頭切削過(guò)程中的面積公式。

(2)

式中：D為鉆頭外徑，mm；ROP為機(jī)械鉆速，m/h；RPM為轉(zhuǎn)速，r/min。

(3)和(4)公式中體現(xiàn)出鉆頭軸向力的影響因素，和轉(zhuǎn)速及機(jī)械鉆速有直接關(guān)系[2]。

(3)

式中：kp為傾角系數(shù)；D為鉆頭直徑，mm；σ為鉆遇地層巖石壓實(shí)系數(shù)。

(4)

式中：Es為鉆頭有效壓力，Pa；WOB為鉆壓，kN；TOB為扭矩，kN·m。這套理論公式不能確定鉆頭齒的數(shù)量及分布形狀對(duì)鉆頭時(shí)效的影響。根據(jù)近幾年實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在切削面積相差無(wú)幾的時(shí)候，不同形狀的切削齒造成的切削軌跡，切力也相差很多[3]。

表1是切削面積近似1 cm2時(shí)實(shí)驗(yàn)室得到的切削弧長(zhǎng)和鉆進(jìn)力的近似數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)室鉆頭齒形等面積切削數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在切削面積近似相等的時(shí)候，切力大小不一樣，如圖1所示，切削面積等值增加的時(shí)候，弧長(zhǎng)增加不一樣，切力增加的幅度也不一樣。原先的理論已經(jīng)不能準(zhǔn)確

解釋現(xiàn)實(shí)鉆井中出現(xiàn)的問(wèn)題。雖然切削面積增加的情況下由于切削弧長(zhǎng)加大，切力變大，但是增加幅度并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系[4]。

目前實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式(5)，可以精確看出鉆頭切力和軸向受力的變化，能夠更好地分析相關(guān)因素的相互影響。

FP=vFctan(β+ψ)

(5)

式中：v為實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；β為鉆頭齒背傾角，(°)；Ψ為鉆頭齒和地層的切削弧線的近似傾角，(°)。

2 取心鉆頭齒的數(shù)量、傾角及布齒的影響

鉆頭齒的數(shù)量和布齒形狀及鄰近齒的傾角差異對(duì)鉆頭的力學(xué)穩(wěn)定性有影響，鉆頭在井底工作狀態(tài)下的穩(wěn)定程度會(huì)對(duì)切力的作用效果產(chǎn)生很大影響。也就是現(xiàn)在很多學(xué)者提出的力均衡理論，取決于鉆頭布齒的力學(xué)合理性和每轉(zhuǎn)鉆頭齒的切入深度δ，也就是取決于機(jī)械鉆速和轉(zhuǎn)速[5]，如(6)式所示。

δ=ROP/5RPM

(6)

式中：δ為每轉(zhuǎn)鉆頭齒的切入深度，cm。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M砂巖地層在轉(zhuǎn)速和機(jī)械鉆速逐漸遞增的情況下，鉆頭齒的承受壓力在布齒力學(xué)互補(bǔ)的情況下比同型號(hào)連續(xù)布齒要小。這樣不僅可以提高時(shí)效，還可以延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。機(jī)械鉆速一樣的時(shí)候，鉆頭力越小，時(shí)效越高，使用壽命越長(zhǎng)[6]。

2.1 鉆頭齒的設(shè)計(jì)和分布

實(shí)驗(yàn)表明，同樣型號(hào)的鉆頭，齒片數(shù)一樣，齒型一樣，就是齒的分布規(guī)律不同，一個(gè)采用螺旋式布齒，從中心向外輻射，另一個(gè)采用對(duì)稱(chēng)布齒，比較明顯的差別就是，對(duì)稱(chēng)布齒的鉆頭在同等轉(zhuǎn)速的條件下，機(jī)械鉆速隨著轉(zhuǎn)速的增加更明顯。螺旋布齒由于齒的角度一樣會(huì)有主副齒的差別，對(duì)稱(chēng)分布是相互補(bǔ)充，效果更好。巖屑切削角度和切力大小可以在實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)，針對(duì)不同巖性，鉆頭可以設(shè)計(jì)出不同的傾角。

公式(7)是鉆頭有效切削角公式，可以根據(jù)不同地層設(shè)計(jì)不同角度的鉆頭齒和布齒方式。

(7)

式中：Ψ為巖屑切削角，(°)；Fp為切入方向力，N；Fc為切削方向力，N。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)砂巖地層切削的巖屑測(cè)量角度和理論推算的角度基本吻合，巖屑傾角大概15°左右。不同的巖性切削傾角不同，這個(gè)理論可以用來(lái)驗(yàn)證鉆頭齒的設(shè)計(jì)切削軌跡是否合理[7]。

2.2 鉆頭齒的受力分析

鉆頭的穩(wěn)定性取決于每轉(zhuǎn)鉆頭齒的切入深度和相鄰齒的切力互補(bǔ)。這就關(guān)系到地層的巖性和鉆頭本身的設(shè)計(jì)是否匹配。目前鉆頭的設(shè)計(jì)還不能準(zhǔn)確地計(jì)算出井下力的分布情況，只能利用經(jīng)驗(yàn)公式(8)推算。

Fc=kμξσSH

(8)

式中：k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；μ為背向角系數(shù)；ζ為側(cè)向角系數(shù)；S為切削面的接觸長(zhǎng)度；H為接觸高度。

3 結(jié)論

目前長(zhǎng)城取心所用的取心鉆頭在鉆頭設(shè)計(jì)上考慮的因素很全面，和鉆頭廠商合作設(shè)計(jì)的取心鉆頭具有破碎能力強(qiáng)，布齒平衡力效果好，減少鉆頭的破壞性磨損，增加使用壽命。主要是基于鉆頭設(shè)計(jì)的三點(diǎn)要素：一是齒型選擇，根據(jù)地層側(cè)重于切削功能或者研磨功能；二是鉆頭齒的傾角設(shè)計(jì)要根據(jù)地層的特性適當(dāng)調(diào)整，適當(dāng)減小切削弧長(zhǎng)，在增加切削性的前提下，不能產(chǎn)生過(guò)大的巖屑在井底重復(fù)切削，減緩機(jī)械鉆速的同時(shí)也容易造成堵心。三是齒的分布考慮受力平衡，減輕鉆頭的不穩(wěn)定性造成的鉆頭磨損，也增加了巖心進(jìn)筒的穩(wěn)定性，受力均衡對(duì)巖心塑型有很大的幫助。通過(guò)四川殼牌區(qū)塊兩口臨井的取心操作數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，相比之前同類(lèi)地層取心鉆進(jìn)效提高10%左右，主要體現(xiàn)在進(jìn)尺穩(wěn)定，隨著轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)械鉆速增加明顯，而不是單一的靠加大鉆壓去調(diào)節(jié)速度。鉆頭與地層的匹配性加強(qiáng)，一定程度上也減小了堵心情況的發(fā)生。

[1] 劉純?nèi)剩优預(yù)KONDO油田定向井鉆井實(shí)踐與認(rèn)識(shí)[J]．承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2016，18(1)：8-11．

[2] 范光兵，施宇．碰撞式井壁取心技術(shù)的改進(jìn)和應(yīng)用[J]．承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2011，13(4)：17-19．

[3] 徐建飛．PDC鉆頭冠部結(jié)構(gòu)特征參數(shù)力學(xué)分析[J]．承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2013，15(1)：14-17．

[4] 何良泉，高盼盼，蔣紅梅．埕東斷裂帶義50塊砂礫巖油藏鉆頭選型探索與應(yīng)用[J]．承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2016，18(2)：6-9．

[5] Akbari B.PDC cutter-rock interaction: experiments and modeling[D].Tulsa：University of Tulsa，2014.

[6] Zhou Y. Numerical Modeling of Rock Drilling With Finite Elements[D].Pittsburgh：University of Pittsburgh，2013.

[7] Detournay E， Detournay P．A Phenomenological Model for the drilling action drag bits[J]．International J. Of rock mechanics and mining science，1992，29(1):13-23.

Factors on Coring Bit Drilling Efficiency

WANG Zi-chen

(Coring Department of Engineering Technology Researching Institute, Greatwall Drilling Company,China International Petroleum Company, Panjin 124010, Liaoning, China)

Coring efficiency influences the coring sample quality. The coring bit blade length, trajectory, rake and distribution will lead to shaping the coring sample. The new type coring bit focused on the blade shape designing based on analyzing the mechanics during coring drilling, short trajectory type for easy cutting into the formation. The force balance distribution on blade type enhances the stabilization while coring drilling decreases the core bit exhaustion. The bit rake has a critical point for two aspects while coring drilling. The first is fit to core cut with short trajectory, and the second is no big chips accumulating bottom the down hole. This type coring bit has the advantage of operating quickly and stabilizing with long life, as well as decreasing the core jam.

coring bit; cutter layout; penetration rate; efficiency improvement

2016-06-15

王子臣(1979-)，男，吉林九臺(tái)人，工程師，主要從事從鉆井取心研究與推廣工作,E-mial:wzc-wzc-czw@sohu.com。

TE921

A

1008-9446(2017)01-0024-03