林四元, 李 中, 黃 熠, 陳浩東, 楊玉豪, 高濟(jì)稷

(1.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057；2.斯倫貝謝中國(guó)地球科學(xué)與石油工程研究院，北京 100015)

南海西部海域文昌區(qū)塊古近系珠海組二段、三段,恩平組及文昌組地層埋深較深,受埋深及巖性影響，采用常規(guī)鉆頭鉆進(jìn)珠海組二段和三段上部地層平均機(jī)械鉆速只有10.0～15.0 m/h，鉆進(jìn)珠海組三段下部以及恩平組地層時(shí)平均機(jī)械鉆速只有5.0～8.0 m/h，在使用常規(guī)移動(dòng)式鉆井平臺(tái)作業(yè)模式條件下，機(jī)械鉆速嚴(yán)重制約了鉆井效率的提高和鉆井成本的控制[1-5]。針對(duì)文昌區(qū)塊深部地層抗壓強(qiáng)度較高、研磨性較強(qiáng)、可鉆性較差的特點(diǎn)，先后嘗試通過常規(guī)鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)和使用扭沖工具、水力脈沖工具等措施解決機(jī)械鉆速低的問題，但均未達(dá)到預(yù)期效果。為此，筆者針對(duì)常規(guī)固定切削齒PDC鉆頭存在偏磨及產(chǎn)生磨擦熱的不足，研制了旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭，并通過優(yōu)化布齒等方法使其更適合于文昌區(qū)塊深部地層。旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭在該區(qū)塊3口探井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，結(jié)果表明，該鉆頭提速效果良好，值得推廣應(yīng)用，這對(duì)文昌區(qū)塊及類似強(qiáng)研磨性地層進(jìn)行鉆頭選型和鉆井提速具有借鑒意義。

1 鉆井難點(diǎn)分析

統(tǒng)計(jì)了文昌區(qū)塊具有代表性的7口井(WC1,WC2,WC3,…,WC7)古近系地層的機(jī)械鉆速，結(jié)果見圖1。

圖1 文昌區(qū)塊深部地層機(jī)械鉆速統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of ROPs in deep formations drilling of the Wenchang Block

由圖1可知：珠海組二段地層的平均機(jī)械鉆速為15.39 m/h，珠海組三段地層的平均機(jī)械鉆速為10.07 m/h，恩平組地層的平均機(jī)械鉆速為5.68 m/h。分析發(fā)現(xiàn)，古近系之前的珠江組地層平均機(jī)械鉆速較高，進(jìn)入古近系地層以后平均機(jī)械鉆速明顯降低，在一個(gè)井段同時(shí)鉆遇其中多套地層時(shí)整體機(jī)械鉆速較低。

由文昌區(qū)塊深部地層的巖性分析可知，珠海組二段和三段及恩平組地層的砂巖含量高，砂巖占42%～71%，泥巖占23%～48%，研磨性高的砂礫巖含量高達(dá)6%以上。結(jié)合相關(guān)研究成果[6]，進(jìn)一步分析文昌區(qū)塊古近系地層特征，可知：

1) 珠海組二段地層的抗壓強(qiáng)度為60～80 MPa，珠海組三段地層的抗壓強(qiáng)度為65～120 MPa，恩平組地層的抗壓強(qiáng)度為85～150 MPa，局部高達(dá)170 MPa，抗壓強(qiáng)度整體偏高。

2) 珠海組二段和三段地層的巖性較為致密，且含有粒徑不大的礫石顆粒，可鉆性較差，研磨性偏高；珠海組三段下部及恩平組地層巖性致密，可鉆性極差，研磨性極高。

3) 當(dāng)鉆進(jìn)砂巖和砂礫巖層等軟硬夾層時(shí)，常規(guī)鉆頭的穩(wěn)定性和抗沖擊性較差，在井底受到側(cè)向不平衡力的作用過大，產(chǎn)生頻繁渦動(dòng)而形成沖擊載荷，造成鉆頭先期損壞。

4) 文昌區(qū)塊古近系地層的研磨性強(qiáng)，常規(guī)PDC鉆頭抗研磨性較差，導(dǎo)致肩部切削齒很快被磨損甚至失效，破巖效率降低。

2 旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭的研制

常規(guī)PDC鉆頭的切削齒被鎧裝在刀翼上，存在2個(gè)問題[7-9]：1)利用率不足，即只有切削齒出露部分才能與地層接觸、參與切削巖石；2)過度磨損，即出露部分持續(xù)與地層接觸產(chǎn)生局部偏磨和局部高溫造成切削齒磨損嚴(yán)重。為此，筆者擬研制一種旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭，使其具有高抗研磨性、抗沖擊性和攻擊性，并適用于文昌區(qū)塊深部地層。

2.1 研制思路

常規(guī)PDC鉆頭的主要磨損特征是：肩部切削齒磨損或肩部過度磨損出現(xiàn)環(huán)形槽；多趟鉆出井鉆頭磨損評(píng)級(jí)(IADC磨損評(píng)級(jí))內(nèi)排齒為2～5，外排齒為4～8，并且在切削齒的切削邊緣能清晰看到磨損形成的“磨平面”。這說明與內(nèi)錐相比，肩部位置切削齒的線速度大，切削地層能耗高，加劇了切削齒的磨損和鈍化[10-11]。因此，研制新鉆頭時(shí)應(yīng)減少肩部切削齒的磨損、提高其耐磨性，即通過優(yōu)選、引進(jìn)旋轉(zhuǎn)切削齒，將常規(guī)切削齒固定部位磨損優(yōu)化為旋轉(zhuǎn)切削齒的周向均勻磨損，提升鉆頭的耐磨性和攻擊性[12-13]，以達(dá)到提高機(jī)械鉆速、增加單只鉆頭進(jìn)尺的目的。

2.2 切削齒布齒設(shè)計(jì)

針對(duì)固定切削齒PDC鉆頭在文昌區(qū)塊深部地層鉆進(jìn)中存在的不足，為提高切削齒的利用效率，用可360°旋轉(zhuǎn)的切削齒取代鉆頭肩部這一高磨蝕區(qū)的固定PDC切削齒[14]。圖2、圖3所示分別為固定切削齒和旋轉(zhuǎn)切削齒的切削長(zhǎng)度和摩擦熱對(duì)比。

圖2 固定切削齒和旋轉(zhuǎn)切削齒切削長(zhǎng)度對(duì)比Fig.2 Cutting lengths of fixed cutter and rotary cutter

圖3 固定切削齒和旋轉(zhuǎn)切削齒摩擦熱對(duì)比Fig.3 Friction heat of fixed cutter and rotary cutter

從圖2可以看出,固定切削齒的切削面僅是圖中白色實(shí)線和虛線部分，而旋轉(zhuǎn)切削齒是整個(gè)齒圓周。轉(zhuǎn)動(dòng)使切削齒具備更長(zhǎng)的切削邊緣，均勻分擔(dān)切削“壓力”，避免切削齒與巖石接觸部位產(chǎn)生嚴(yán)重的局部偏磨。

由圖3可知,固定切削齒工作面溫度較高(見圖3中紅色部分)，而旋轉(zhuǎn)切削齒在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中改善和分散了切削齒與地層摩擦所產(chǎn)生的熱量，從而整體降低了復(fù)合片的溫度[15]，防止了因高溫而導(dǎo)致的切削齒早期磨損失效。

為保證鉆頭切削齒轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，采取了將外殼釬焊到鉆頭刀翼上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而旋轉(zhuǎn)切削齒則安裝在完全包含于外殼內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸上[16-17]，如圖4所示。

切削齒可以轉(zhuǎn)動(dòng)，因而可以實(shí)現(xiàn)磨損量在周向的均勻分布，增強(qiáng)切削齒的耐磨性。限于當(dāng)前的工藝水平，由于旋轉(zhuǎn)切削齒有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其抗沖擊性不如固定齒，存在斷軸的風(fēng)險(xiǎn)。綜合考慮鉆頭的抗沖擊性、耐磨性及鉆頭的整體使用壽命，采用以下設(shè)計(jì)方案：肩部高研磨區(qū)采用旋轉(zhuǎn)切削齒，以提高該部位切削齒的耐磨性；內(nèi)錐采用常規(guī)固定切削齒，以提高鉆頭的抗沖擊性。

圖4 旋轉(zhuǎn)切削齒結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of rotary cutter

2.3 鉆頭整體設(shè)計(jì)

在前期使用效果較好的某φ215.9 mm常規(guī)改進(jìn)型PDC鉆頭的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭的切削齒具體排布設(shè)計(jì)，如圖5所示(圖5中黃色部位即為旋轉(zhuǎn)切削齒安裝位置)。

圖5 旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭的布齒情況Fig.5 Cutters distribution of the PDC bit with rotary cutters

旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭的基本參數(shù)為：

1) 六刀翼(3個(gè)長(zhǎng)刀翼、3個(gè)短刀翼)，刀翼采用長(zhǎng)50.8 mm的保徑，環(huán)繞鉆頭體中心分布，分布角度為0°，60°，125°，180°，235°和295°。

2) 41個(gè)φ16.0 mm主切削齒(27個(gè)固定切削齒，肩部14個(gè)360°旋轉(zhuǎn)齒)，在刀翼上的分布數(shù)目依次為8，6，8，6，8和5，其中360°旋轉(zhuǎn)齒布置于肩部的高研磨區(qū)。

3) 24個(gè)φ16.0 mm肩部后排齒，在刀翼上的分布數(shù)目依次為4，3，5，4，4和4，與主切削齒同軌跡布齒且為等高度設(shè)計(jì)，進(jìn)一步增強(qiáng)鉆頭的抗沖擊性，避免旋轉(zhuǎn)切削齒受局部沖擊載荷沖擊,發(fā)生斷軸失效。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭在南海西部海域文昌區(qū)塊X、J凹陷3口探井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，總體提速效果良好。X凹陷地層與J凹陷上部地層層位相同、巖性相近，J凹陷下部地層埋深更深、研磨性更強(qiáng)。旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭應(yīng)用井段均為φ215.9 mm井段，與常規(guī)固定切削齒PDC鉆頭的應(yīng)用效果對(duì)比見表1。

表1 φ215.9 mm井段固定切削齒和新型旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭的應(yīng)用效果對(duì)比Table 1 Performances of PDC bit with fixed cutters and rotary cutters in φ215.9 mm intervals

注：ZH2為珠海組二段，ZH3為珠海組三段，EP為恩平組，WC為文昌組；鉆頭磨損評(píng)價(jià)結(jié)果為按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鉆頭使用基本規(guī)則和磨損評(píng)定方法》(SY/T 5415—2012)評(píng)價(jià)得到的結(jié)果。

由表1可知：對(duì)于X凹陷，在地層條件相近、進(jìn)尺相似的情況下，旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭較常規(guī)PDC鉆頭提速44.60%～60.76%，且出井鉆頭磨損小于固定切削齒PDC鉆頭；對(duì)于J凹陷，常規(guī)PDC鉆頭平均機(jī)械鉆速5.50～10.40 m/h，旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭的平均機(jī)械鉆速為12.73 m/h，較常規(guī)PDC鉆頭提速22.7%～131.5%，單只旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭的進(jìn)尺超過3只常規(guī)PDC鉆頭的總進(jìn)尺，且出井磨損情況評(píng)價(jià)良好，證實(shí)旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭具有優(yōu)越的耐磨性。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭兼具攻擊性和耐磨性，能夠解決強(qiáng)研磨性地層常規(guī)固定切削齒PDC鉆頭磨損嚴(yán)重而導(dǎo)致機(jī)械鉆速低、單只鉆頭進(jìn)尺短的問題。

4 結(jié)論與建議

1) 南海西部海域文昌區(qū)塊深部地層抗壓強(qiáng)度較高、研磨性較強(qiáng)、可鉆性較差，使用常規(guī)固定切削齒PDC鉆頭鉆井，存在因耐磨性不足而被磨鈍，造成機(jī)械鉆速低、單只鉆頭進(jìn)尺短的問題。

2) 旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭內(nèi)錐采用固定切削齒，可保留常規(guī)固定齒PDC鉆頭抗沖擊性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，肩部高研磨區(qū)采用360°旋轉(zhuǎn)切削齒，可提高該部位切削齒的耐磨性。

3) 旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭熱穩(wěn)定性強(qiáng)、耐磨性好，且具有較強(qiáng)的抗沖擊性，可大幅度提高文昌區(qū)塊深部地層的機(jī)械鉆速和單只鉆頭進(jìn)尺，降低鉆井成本。因此，建議在該區(qū)塊和類似強(qiáng)研磨性地層推廣應(yīng)用旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭提速技術(shù)。

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