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        PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù)在南海東部西江區(qū)塊深部地層應(yīng)用

        2020-04-07 11:09:32堯,姜韡,田崢,艾
        海洋石油 2020年1期

        游 堯,姜 韡,田 崢,艾 飛

        (1.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司深水工程技術(shù)中心,廣東深圳 518067;2.中石化海洋石油工程有限公司石油工程技術(shù)研究院,上海 200120)

        關(guān)鍵字:古近系地層;PDC鉆頭;旋轉(zhuǎn)齒;鉆井效率;南海東部

        近年來(lái),在南海東部海域古近系地層已陸續(xù)取得油氣發(fā)現(xiàn),本著深化古近系富洼找油的策略,進(jìn)一步細(xì)化西江區(qū)塊含油構(gòu)造的評(píng)價(jià),擴(kuò)大中深層珠海組、恩平組及文昌組經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能油藏儲(chǔ)層規(guī)模。然而,在深部古近系地層鉆井過(guò)程中因地層可鉆性較差、機(jī)械鉆速(ROP)較低、單只鉆頭進(jìn)尺普遍較短,造成本區(qū)塊探井的鉆井周期普遍較長(zhǎng)、作業(yè)成本高[1-2];為提高深部地層鉆井作業(yè)效率,提出了能夠提高耐磨性的PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù),提高PDC切削齒的利用效率,增強(qiáng)PDC鉆頭抗研磨性,提升鉆頭使用壽命,并在西江區(qū)塊取得了良好的應(yīng)用效果。

        1 西江區(qū)塊深層鉆井難點(diǎn)

        統(tǒng)計(jì)近年來(lái)西江區(qū)塊古近系地層(珠海組、恩平組、文昌組、前古近系)鉆井情況(圖1),7口鉆入古近系地層的探井機(jī)械鉆速7 ~ 14 m/h,平均機(jī)械鉆速11.4 m/h,消耗鉆頭數(shù)1 ~ 4只/井,每口井平均消耗2.6只鉆頭,頻繁起鉆更換鉆頭嚴(yán)重影響整體鉆井效率。

        圖1 西江區(qū)塊古近系地層鉆井情況統(tǒng)計(jì)

        根據(jù)對(duì)出井巖屑描述情況分析,西江區(qū)塊深部古近系地層主要表現(xiàn)為以下特點(diǎn):

        (1)地層巖性主要以砂泥巖互層、硬質(zhì)泥巖為主,其中泥巖含量35% ~ 47%,砂巖含量較高,為 42% ~ 63%。

        (2) 地 層 埋 深 較 深(2 980 ~ 5 048 m), 壓實(shí)作用強(qiáng),地層整體抗壓強(qiáng)度高,平均在55 ~ 137 MPa, 內(nèi)摩擦角為 35° ~ 40°,局部發(fā)育有石灰?guī)r、灰質(zhì)粉砂巖、褐灰色泥巖、灰質(zhì)細(xì)砂巖等硬質(zhì)夾層,強(qiáng)度高達(dá)200 MPa。

        (3)根據(jù)作業(yè)統(tǒng)計(jì),西江區(qū)塊作業(yè)井出井IADC磨損評(píng)級(jí)內(nèi)排齒為1 ~ 4,外排齒為2 ~ 8,使用常規(guī)PDC鉆頭磨損主要表現(xiàn)為肩部外排齒磨損嚴(yán)重,部分井中磨出環(huán)形槽。

        (4)由于地層抗壓強(qiáng)度較高、研磨性強(qiáng),且軟硬夾層交錯(cuò),常規(guī)PDC鉆頭持續(xù)與地層接觸研磨,導(dǎo)致切削片在高溫與疲勞的惡劣環(huán)境下磨損加快、穩(wěn)定性不足,鉆頭切削效率降低,影響機(jī)械鉆速及鉆頭使用壽命[3-5]。

        因此,如何提升鉆頭抗研磨性和抗沖擊性成為了西江區(qū)塊深層古近系地層高效鉆井發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

        2 PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù)

        常規(guī)PDC鉆頭是通過(guò)焊接技術(shù)使得PDC切削齒與齒穴結(jié)合牢固,此種技術(shù)將會(huì)帶來(lái)以下兩方面的問(wèn)題[4-7]:

        (1)切削片利用率低。常規(guī)PDC鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中,僅有相對(duì)較小部分的PDC切削片參與切削地層,影響切削片作用比例的因素包括切削片尺寸、側(cè)傾角以及吃入地層深度。然而,在大多數(shù)情況下,僅有10% ~ 40%的切削片被用于實(shí)際的切削,剩余的60% ~ 90%被鎖定在鉆頭體中,切削過(guò)程中未被使用 (圖2)。

        圖2 常規(guī)PDC切削齒利用率

        (2)摩擦熱聚集加快切削齒磨損。PDC切削齒在與地層接觸切削過(guò)程中,磨損平面會(huì)產(chǎn)生高的摩擦熱,從而破壞金剛石共價(jià)鍵,因此,溫度升高會(huì)加速切削片的磨損,并導(dǎo)致更多的磨損。采用有限元分析(FEA)軟件系統(tǒng),研究了剪切過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦熱對(duì)切削片的影響,清楚地表明在切割片邊緣集中熱積累(圖3)。

        圖3 切削齒產(chǎn)生摩擦熱的分布情況

        以上兩點(diǎn)問(wèn)題在西江區(qū)塊深部地層表現(xiàn)尤為顯著。為提高鉆頭切削齒的利用率,降低鉆頭切削齒持續(xù)研磨高溫導(dǎo)致的磨損失效,筆者分析研究后,認(rèn)為PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù)能夠有效解決該問(wèn)題。

        2.1 旋轉(zhuǎn)齒工作機(jī)理

        旋轉(zhuǎn)齒鉆頭組成部件包括碳化鎢套筒、PDC切削片以及連接軸承(圖4)。PDC切削片通過(guò)軸承與套筒密封相連,焊接在鉆頭本體上,其中,切削片與套筒間存在一定間隙以保證切削片可以自由旋轉(zhuǎn)。

        為了保證鉆頭抗研磨性和抗沖擊性,以部分360°旋轉(zhuǎn)切削齒取代常規(guī)PDC鉆頭鼻、肩部高磨損區(qū)域。當(dāng)切削齒剪切地層時(shí),在切削片邊緣會(huì)由于側(cè)傾角而產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向切力,而使得切削齒能夠完全旋轉(zhuǎn)[6-9],切削齒具備更長(zhǎng)的切削邊緣,增加切削齒的利用率,避免出現(xiàn)局部嚴(yán)重磨損而降低鉆頭切削效率。因此,適當(dāng)?shù)膫?cè)傾角及分布位置是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和提高切削效率的關(guān)鍵[10-12]。

        圖4 旋轉(zhuǎn)齒的組成

        2.2 旋轉(zhuǎn)齒布齒設(shè)計(jì)

        針對(duì)西江深部古近系目標(biāo)地層抗壓強(qiáng)度高、軟硬夾層多的特點(diǎn),為綜合提升鉆頭整體抗研磨性、抗沖擊性及攻擊性,筆者考慮在磨損嚴(yán)重的鼻、肩部排布旋轉(zhuǎn)齒,具體布齒數(shù)量如下:

        (1)27顆固定切削齒(16 mm);

        (2)14顆360°旋轉(zhuǎn)齒(16 mm),均分布于鼻、肩部高研磨區(qū)域,在各刀翼上分布數(shù)量依次為2、2、2、2、3、3(見(jiàn)圖5標(biāo)黃部分);

        (3)24 顆后排齒(16 mm),與主切削齒等高設(shè)計(jì),加強(qiáng)鉆頭肩部抗研磨性,防止主切削齒磨損失效而加速鉆頭磨損。

        圖5 PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒的布齒情況

        根據(jù)對(duì)215.9 mm鉆頭模擬計(jì)算,對(duì)比旋轉(zhuǎn)齒與常規(guī)6刀翼、7刀翼、8刀翼鉆頭齒載荷及鉆頭齒功率對(duì)比:在不增加刀翼數(shù)量的情況下,優(yōu)化了鉆頭切削齒載荷及齒功率的分布,保證鉆頭攻擊性(圖6、圖7),其中橫坐標(biāo)表示切削齒距鉆頭圓心距離。

        圖6 PDC鉆頭齒載荷分布對(duì)比圖

        圖7 PDC鉆頭齒功率分布對(duì)比圖

        3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

        3.1 應(yīng)用效果

        PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù)在南海東部西江區(qū)塊XJ-3井內(nèi)使用,整體表現(xiàn)優(yōu)異。與同一區(qū)塊兩口鄰井作業(yè)表現(xiàn)對(duì)比,在地層層位、巖性、研磨性等均相似的情況下,鉆頭表現(xiàn)見(jiàn)表1。

        表1 西江區(qū)塊三口井鉆頭表現(xiàn)對(duì)比

        根據(jù)上表,從單只鉆頭進(jìn)尺、機(jī)械鉆速以及鉆頭磨損情況分析可知:

        (1)XJ-1、XJ-2井分別用了3只和4只鉆頭,平均單只鉆頭進(jìn)尺為443 m,XJ-3井旋轉(zhuǎn)齒鉆頭僅用一趟鉆完成1 421 m進(jìn)尺,單只鉆頭井尺提升219.8%;

        (2)機(jī)械鉆速方面,旋轉(zhuǎn)齒鉆頭平均機(jī)械鉆速為12.73 m/hr,較兩口鄰井平均機(jī)械鉆速提升31.46%;同時(shí),XJ-3井旋轉(zhuǎn)齒鉆頭行程鉆速達(dá)8.91 m/hr,相比鄰井提高89.57%;

        (3)旋轉(zhuǎn)齒鉆頭出井情況良好(圖8),評(píng)級(jí)為1-2-WT-A-X-1/16-NO-TD,內(nèi)排齒幾乎無(wú)磨損,外排齒輕微磨損;旋轉(zhuǎn)齒的正面及側(cè)面均有磨損,表明旋轉(zhuǎn)齒在井下發(fā)生了旋轉(zhuǎn),發(fā)揮了分散磨損量分布的作用。

        圖8 XJ-3井旋轉(zhuǎn)齒鉆頭出井情況

        PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù)在西江區(qū)塊深層古近系地層的成功應(yīng)用,反映了該項(xiàng)技術(shù)能使得PDC鉆頭兼具攻擊性和抗研磨性,大大提高了鉆頭的壽命,針對(duì)性地解決了西江深層鉆井機(jī)械鉆速低、單只鉆頭井尺不足的問(wèn)題,大大提高了深層古近系地層鉆井效率。

        4 結(jié)論

        (1)西江區(qū)塊深層古近系埋深深、地層抗壓強(qiáng)度高、研磨性強(qiáng),且軟硬夾層較為發(fā)育,可鉆性差,導(dǎo)致常規(guī)PDC鉆頭在本區(qū)塊表現(xiàn)為機(jī)械鉆速低,單只鉆頭進(jìn)尺不足,出井鉆頭鼻、肩部磨損嚴(yán)重等特點(diǎn)。

        (2)PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù)通過(guò)在鉆頭高磨損區(qū)域增加旋轉(zhuǎn)齒的方法,不僅能增加鉆頭切削齒的利用率,更能分散摩擦熱,增加鉆頭的耐用性,提高鉆頭壽命,有效解決了常規(guī)PDC鉆頭在深部地層作業(yè)的不足。

        (3)PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù)在西江區(qū)塊深層古近系地層一趟鉆成功地完成一個(gè)井段,大大提高了鉆井效率,節(jié)省了鉆井作業(yè)成本,建議后續(xù)考慮提高旋轉(zhuǎn)齒在不同地層的適用性,進(jìn)一步提高鉆頭攻擊性,在南海東部各區(qū)塊深層古近系地層具有較好的推廣前景。

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