鄒德永，任尊亮，陳雅輝，潘 龍,崔煜東

1中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院 2中國(guó)石化重慶頁巖氣有限公司 3中國(guó)石化勝利油田分公司勝利采油廠

0 引言

近年來，針對(duì)鉆遇硅質(zhì)白云巖地層鉆頭使用效果較差的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在鉆頭類型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水力設(shè)計(jì)等方面做出了較多貢獻(xiàn)，在一定程度上提高了有針對(duì)性白云巖地層鉆進(jìn)的鉆頭性能，但對(duì)應(yīng)硅質(zhì)白云巖地層的鉆頭齒型的研究較少，在一定程度上限制了鉆頭的破巖效率，無法發(fā)揮出PDC鉆頭的優(yōu)勢(shì)。塔里木油田在該地層已用鉆頭的平均機(jī)械鉆速為1.06 m/h，平均單只鉆頭進(jìn)尺為105 m，鉆頭的破巖效率以及使用壽命較低。其中，常規(guī)PDC鉆頭的使用效果優(yōu)于牙輪鉆頭，但其平均機(jī)械鉆速也僅有1.57 m/h，平均單只鉆頭進(jìn)尺僅138 m，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械鉆速達(dá)到3～4 m/h、鉆頭單只進(jìn)尺300～400 m的大規(guī)模鉆井提速的目標(biāo)。長(zhǎng)慶油田G井使用渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭[1-6]在寒武系灰?guī)r、白云巖地層的平均機(jī)械鉆速為1.54 m/h，單只鉆頭平均進(jìn)尺185 m，相比于同井段其他鉆頭，平均機(jī)械鉆速提高了200%，進(jìn)尺提高了643%，但仍未達(dá)到提速目標(biāo)。2016年,貝克休斯公司設(shè)計(jì)了一種切削深度自適應(yīng)鉆頭[7-12]，在Oklahoma油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，所鉆地層為Arbuckle白云巖地層，單軸抗壓強(qiáng)度140～200 MPa，鉆進(jìn)井段600～900 m。從使用效果來看,該鉆頭發(fā)生粘滑振動(dòng)以及渦動(dòng)的機(jī)率較同井以及鄰井鉆頭低，而且其機(jī)械鉆速明顯優(yōu)于其他鉆頭[13]。但是這種鉆頭依舊存在吃入深度淺、切削齒磨損速度快的問題。針對(duì)缺少高效破碎硅質(zhì)白云巖地層的PDC鉆頭齒型的研究，本文通過室內(nèi)單齒破巖實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析研究，優(yōu)化PDC鉆頭切削齒選型。研究結(jié)果對(duì)適用于硅質(zhì)白云巖地層PDC鉆頭切削齒的選型和鉆頭優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

1 硅質(zhì)白云巖地層可鉆性研究

硅質(zhì)白云巖是一種沉積碳酸鹽巖，外觀呈灰白色，主要由白云石組成，?；烊胧ⅰ㈤L(zhǎng)石、方解石和黏土礦物等，非均質(zhì)性極強(qiáng)，在我國(guó)塔里木盆地寒武系鹽下油氣藏地層中有分布。寒武—奧陶系的硅質(zhì)白云巖抗壓強(qiáng)度高達(dá)100～250 MPa，可鉆性差、研磨性強(qiáng)。巖石內(nèi)部隨機(jī)分布的燧石結(jié)核抗壓強(qiáng)度高達(dá)294 MPa，進(jìn)一步降低了地層的可鉆性。

1.1 硅質(zhì)白云巖可鉆性測(cè)定

由于硅質(zhì)白云巖的可鉆性差，塔里木盆地寒武系鹽下油氣藏2年來只完成4口探井，平均井深7 216 m，鉆井周期長(zhǎng)達(dá)393 d。針對(duì)硅質(zhì)白云巖作可鉆性分析對(duì)鉆頭齒形優(yōu)選十分必要。

巖石可鉆性測(cè)定儀用于測(cè)定巖心的可鉆性級(jí)值。本次實(shí)驗(yàn)用的可鉆性測(cè)定儀的鉆深指示0.1～2.4 mm，轉(zhuǎn)速55 r/min，鉆壓90.5 kg，鉆頭直徑31.75 mm。

可鉆性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 可鉆性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過計(jì)算時(shí)間的平均值是111 s，依據(jù)式(1)計(jì)算可鉆性級(jí)值。

Kd=log2t

(1)

式中：Kd—可鉆性級(jí)值；t—鉆進(jìn)時(shí)間,s。

實(shí)驗(yàn)用硅質(zhì)白云巖的可鉆性級(jí)值為6.8。

1.2 硅質(zhì)白云巖PDC鉆頭鉆井效果分析

塔里木油田A井在使用了U613M鉆頭+TorkBuster扭力沖擊器情況下鉆進(jìn)，井段6 681～6 800 m，地層包含硅質(zhì)灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)白云巖和灰質(zhì)云巖，平均機(jī)械鉆速為3.59 m/h，平均單只鉆頭進(jìn)尺91 m，較同井段其他鉆頭機(jī)械鉆速提高了113%，進(jìn)尺提高了250%。但在硅質(zhì)白云巖這種強(qiáng)研磨性地層鉆進(jìn)時(shí)，出現(xiàn)了切削齒磨損嚴(yán)重的情況。圖1為本井段鉆進(jìn)的U613M鉆頭出井后的圖片，從圖中可以看出該鉆頭的內(nèi)錐以及肩部切削齒磨損嚴(yán)重，是造成鉆頭進(jìn)尺少的主要原因。

圖1 U613M鉆頭磨損情況

現(xiàn)場(chǎng)使用DSFX616D鉆頭配合旋沖工具鉆進(jìn)時(shí)，機(jī)械鉆速僅有0.85 m/h，鉆頭進(jìn)尺僅4 m。選用的鉆頭抗沖擊性以及耐磨性均較差，存在PDC鉆頭提前崩齒、斷齒以及復(fù)合片脫落、肩部磨損嚴(yán)重情況,如圖2所示。

圖2 DSFX616D鉆頭使用情況

目前鉆進(jìn)硅質(zhì)白云巖地層所使用的PDC鉆頭主要存在以下三個(gè)問題：①鉆頭的攻擊性差；②鉆頭的沖擊損壞嚴(yán)重；③切削齒磨損速度快。

2 切削齒單齒破巖試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

單齒破巖試驗(yàn)裝置由ZX-32型鉆銑床改裝而成，主要包括試驗(yàn)鉆頭、加壓系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、工作臺(tái)水平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置

鉆頭由鉆頭剛體、切削齒、壓板和螺栓組成。

在鉆頭剛體的設(shè)計(jì)中,安裝切削齒的孔成中心對(duì)稱,這樣可以使得鉆頭在破巖過程中兩個(gè)切削齒的工作狀態(tài)是相同的,保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性；此外,還要保證切削齒安裝于鉆頭剛體上時(shí)有足夠的出露高度,以保證實(shí)驗(yàn)過程中始終是切削齒破巖,設(shè)計(jì)的切削齒的最低出露高度為5 mm。在該鉆頭中,切削齒的后傾角設(shè)置為15°。

2.2 試驗(yàn)原理及方法

單齒破巖試驗(yàn)采用鉆銑法，將表面平整的巖樣置于巖心盒內(nèi)，調(diào)節(jié)主軸在軸向上的位置使試驗(yàn)鉆頭上的切削齒剛好與巖石接觸，固定鉆頭在軸向上的位置。給巖樣施加一恒定的鉆壓，驅(qū)動(dòng)主軸帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)水平工作臺(tái)帶動(dòng)巖樣以4 mm/s的速度做直線運(yùn)動(dòng)，使鉆頭上的切削齒不斷地銑削巖石。試驗(yàn)過程中，扭矩傳感器和位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量鉆頭的扭矩以及切削齒吃入巖樣的深度。3種切削齒的參數(shù)如表2。

表2 3種PDC齒的結(jié)構(gòu)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)方案：將斧形齒、三棱齒、常規(guī)PDC齒裝入實(shí)驗(yàn)鉆頭中,通過加壓裝置對(duì)鉆頭分別施加1 000 N、1 500 N、2 000 N鉆壓。同時(shí)保持巖樣移動(dòng)速度為4 mm/s，鉆頭轉(zhuǎn)速為96 r/min。測(cè)定切削齒的吃入深度、切向力以及切向力標(biāo)準(zhǔn)差。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)以切削齒受到的切向力及其標(biāo)準(zhǔn)差、切削齒吃入巖石的深度(簡(jiǎn)稱鉆深)來評(píng)價(jià)切削齒的破巖性能。通過觀察發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)開始后20～40 s的時(shí)間段內(nèi)儀器的工作狀態(tài)最穩(wěn)定。因此，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇20～40 s這一時(shí)間段內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。斧形齒、三棱齒以及常規(guī)齒受到的切向力的平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差、鉆進(jìn)深度的結(jié)果如表3所示。

表3 3種PDC齒單齒破巖試驗(yàn)結(jié)果

2.4 不同切削齒鉆進(jìn)深度的對(duì)比分析

將不同鉆壓下不同類型的切削齒在20～40 s的時(shí)間內(nèi)鉆入巖石的深度進(jìn)行繪圖分析，其規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同切削齒鉆進(jìn)巖石的深度

從圖4中可以看出，不同鉆壓下斧形齒在20～40 s的時(shí)間內(nèi)吃入巖石的深度最大，三棱齒次之，常規(guī)齒吃入巖石的深度最小。

2.5 不同切削齒切向力對(duì)比分析

斧形齒、三棱齒及常規(guī)齒在切削巖石的過程中受的切向力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)見圖5～圖7。

圖5 1 000 N鉆壓下3種切削齒受力情況

圖6 1 500 N鉆壓下3種切削齒受力情況

圖7 2 000 N鉆壓下3種切削齒受力情況

在相同鉆壓條件下，斧形齒受到的切向力最小，其次為三棱齒，常規(guī)齒受到的切向力最大。由切向力的標(biāo)準(zhǔn)差可知，常規(guī)PDC齒受到的切向力的標(biāo)準(zhǔn)差是斧形PDC齒的2.6倍，三棱齒受到的切向力的標(biāo)準(zhǔn)差是斧形齒的1.7倍。由切向力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)可知，斧形齒在切削巖石的過程中受到的切向力波動(dòng)范圍最小，三棱齒次和常規(guī)齒波動(dòng)范圍較大，這也說明斧形齒破巖時(shí)在切向上受力最穩(wěn)定，發(fā)生粘滑振動(dòng)的機(jī)率更低。

3 斧形齒破巖規(guī)律研究

3.1 斧形齒破巖機(jī)理

斧形齒特殊的齒面結(jié)構(gòu)使其破巖過程與常規(guī)齒相比有很大的區(qū)別。在切削巖石的過程中，斧形齒的斧刃最先與巖石接觸，巖石開始發(fā)生破壞；隨著切削過程的進(jìn)行，斧刃兩側(cè)的斧刃面逐漸地楔入巖石，兩側(cè)的巖石被破壞。斧形齒“棱”的存在使得其前方巖石的內(nèi)部形成了一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)，斧形齒能夠以更小的切向力侵入巖石。而且在斧刃侵入巖石的過程中會(huì)對(duì)巖石產(chǎn)生預(yù)破壞，使得巖石的強(qiáng)度降低,兩側(cè)的斧刃面在吃入巖石時(shí)受力更小。而常規(guī)齒切削巖石的過程中，齒刃處的巖石受力最大，最先發(fā)生破壞,之后齒前方的巖石在力的作用下才發(fā)生破壞。相比于斧形齒,常規(guī)齒破巖時(shí)，齒的整個(gè)齒面均與巖石接觸,接觸面積更大，則吃入巖石需要提供的切向力也更大。而且常規(guī)齒破巖時(shí),齒刃處的巖石最先破壞，處于其切削區(qū)域的巖石的強(qiáng)度要大于斧形齒切削區(qū)域的巖石的強(qiáng)度，因此常規(guī)齒受切向力比斧形齒大。

依據(jù)前人的研究成果[14-17],常規(guī)齒破巖時(shí),巖石主要在剪應(yīng)力的作用下發(fā)生破壞；而斧形齒破巖時(shí)，其破巖方式為犁削破巖，拉應(yīng)力在巖石的破壞過程中起主導(dǎo)作用。一般情況下，巖石的抗拉強(qiáng)度小于其抗剪強(qiáng)度，因此，斧形齒破巖時(shí)受到的切向力小于常規(guī)齒。

3.2 斧形齒結(jié)構(gòu)優(yōu)選

在切削巖石的過程中，斧形齒的后傾角、斧刃角以及直徑直接影響其破巖效率，研究其對(duì)斧形齒破巖的影響規(guī)律對(duì)于指導(dǎo)鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要意義。利用有限元顯示動(dòng)力學(xué)軟件ABAQUS建立了三維斧形齒切削巖石的有限元模型，研究了后傾角、斧刃角以及齒的直徑對(duì)斧形齒破巖效率的影響規(guī)律，對(duì)斧形齒的后傾角、斧刃角以及齒的直徑進(jìn)行了優(yōu)選。

3.2.1 幾何模型的建立、網(wǎng)格劃分與裝配

(1)斧形齒。斧形齒的幾何模型分為硬質(zhì)合金和聚晶金剛石層。硬質(zhì)合金為一圓柱體，其高度設(shè)置為8 mm，直徑有13 mm、16 mm和19 mm三種；聚晶金剛石層的厚度均為5 mm，其斧刃角有110°、120°、130°和140°四種，共12個(gè)斧形齒模型。

網(wǎng)格劃分：選擇C3D8R單元對(duì)斧形齒進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

(2)巖石。建立的巖石模型長(zhǎng)為60 mm，寬為60 mm，高為25 mm。

網(wǎng)格劃分：采用8節(jié)點(diǎn)6面體線性縮減積分單元(C3D8R)對(duì)巖石進(jìn)行網(wǎng)格劃分。巖石模型如圖8(a)所示。在模型裝配中，設(shè)置斧形齒的切削深度為2 mm，如圖8(b)所示。

圖8 巖石的網(wǎng)格模型和裝配模型

3.2.2 材料參數(shù)的設(shè)置

斧形齒：切削齒的材料參數(shù)分為兩部分。一部分是頂部的聚晶金剛石層，一部分為硬質(zhì)合金，兩種材料的具體參數(shù)設(shè)置見表4。巖石選用硅質(zhì)白云巖的參數(shù)作為數(shù)值模型中巖石的材料參數(shù)，巖石的破壞準(zhǔn)則選擇Drucker-Prager準(zhǔn)則，巖石的損傷判據(jù)為等效塑性位移μpl。斧形齒與巖石的材料參數(shù)如表4所示。

表4 斧形齒與巖石的材料參數(shù)

3.2.3 數(shù)值模擬方案

保持巖樣切削速度為1 000 mm/s，切削深度為2 mm。通過改變斧形PDC齒的后傾角5°、10°、15°、20°、25°，斧刃角110°、120°、130°，直徑13 mm、16 mm、19 mm，測(cè)定切削齒的切向力以及軸向力。

3.2.4 數(shù)值模擬結(jié)果

在數(shù)值模擬結(jié)果的分析中，選用切向力和軸向力2個(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)斧形齒的破巖效率，以此研究不同的因素對(duì)斧形齒破巖效率的影響規(guī)律。斧形齒破巖數(shù)值模擬結(jié)果見表5。

表5 斧形齒破巖數(shù)值模擬結(jié)果

由表5可知,斧形齒受到的切向力隨后傾角的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在后傾角為15°時(shí)，斧形齒受到的切向力最?。桓锡X受到的軸向力隨后傾角的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在15°后傾角時(shí)斧形齒受到的軸向力最小。隨著斧刃角的增加，切削齒受到切向力與軸向力不斷增大。這表示隨著斧刃角的增大，斧形齒的攻擊性逐漸地降低，其破巖效率也不斷地下降。相同條件下，隨之切削齒直徑的增加，切向力和軸向力不斷增加。在進(jìn)行鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇斧刃角110°、直徑13mm的斧形齒，布齒時(shí)其后傾角設(shè)置為15°。

4 結(jié)論

(1)硅質(zhì)白云巖是一種非均質(zhì)性極強(qiáng)的硬巖石，可鉆性級(jí)值可達(dá)6.8。

(2)在相同切削條件下,斧形齒切削巖石的過程中吃入巖石深度更大。斧形PDC齒切削巖石的過程中受到的切向力最小,其次為三棱齒,常規(guī)齒受到的切向力最大。在切向力的標(biāo)準(zhǔn)值上,常規(guī)PDC齒受到的力是斧形PDC齒的2.6倍,三棱齒受到的力是斧形齒的1.7倍。在切向力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)上,斧形齒在切削巖石的過程中受到的切向力波動(dòng)范圍最小,發(fā)生粘滑振動(dòng)的概率更低。

(3)當(dāng)斧形齒以15°后傾角切削巖石時(shí)受到的切向力、軸向力最小，斧刃角為110°的斧形齒的攻擊性最強(qiáng)、破巖效率最高。在相同切削深度、后傾角與斧刃角的條件下，直徑為13 mm的斧形齒受到的切向力與軸向力最小。在進(jìn)行鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇斧刃角110°、直徑13 mm的斧形齒，布齒時(shí)其后傾角設(shè)置為15°。