PDC钻头厚层砾岩钻进技术探索与实践
第20卷 第1期2008年2月
中国海上油气
CHIN A OF FSH OR E O IL A ND G A S
V ol.20 N o.1
Feb.2008
第一作者简介:邵明仁,男,高级工程师,1998年毕业于原石油大学(华东)石油工程专业,现为中海石油基地集团监督监理技术分公司钻
完井总监。地址:天津市塘沽区501信箱(邮编:300452)。电话:022-********。
PDC 钻头厚层砾岩钻进技术探索与实践
邵明仁1 张春阳2 陈建兵1 徐荣强1 杨 成2 迟 愚1
(1.中海石油基地集团监督监理技术分公司;2.中海石油(中国)有限公司天津分公司)
摘 要 为了降低海上钻井作业成本、提高作业效率,开发了PDC 钻头厚层砾岩钻进技术。在保持普通PDC 钻头快速切削性能的基础上,通过优选新型高强度PDC 切削齿、改进钻头切削结构提高钻头的整体强度,通过采用后倾角渐变、力平衡设计、加强切削齿保护等方法提高钻头的稳定性,并且在使用中通过优化钻具组合、采用合理的钻井参数和 中低排量 中低转速 中高钻压 的平稳钻进模式预防PDC 钻头在砾岩段的先期破坏,有效延长了钻头在砾岩钻进中的寿命。应用该技术实现了用PDC 钻头在辽东湾一次性钻穿馆陶组和东营组上部疏松地层中垂厚近80m 的砾岩段,有的井钻穿砾岩段后又直接钻下部中硬地层至完钻井深。采用PDC 钻头厚层砾岩钻进技术,可以大量节省海上钻井作业时间,显著降低钻井费用。关键词 砾岩 PDC 钻头 后倾角 力平衡 钻进模式 聚晶金刚石复合片(PDC)钻头自投入使用以来以较高的机械钻速和较长的使用寿命得到了广泛应用。PDC 钻头以剪切破岩为主,主要用来钻软到中硬的均质砂泥岩地层,使用过程中通常采用 低钻压、大排量、高转速 获得高的破岩效率。由于PDC 钻头相对牙轮钻头价格高昂,而且PDC 切削片容易在砾岩钻进中崩齿磨损而失去切削能力,因此极少用PDC 钻头来钻砾岩层段。海洋钻井作业费高昂,但钻头费用所占比例不到全井费用的5%。因此,节省钻井时间、提高作业效率对于降低海上钻井作业成本具有非常重要的意义,同时还能减少钻井液长期浸泡对地层造成的伤害。在渤海辽东湾海域钻井作业中,我们对PDC 钻头用于厚层砾岩钻进技术进行了探索,取得了成功。
1 PDC 钻头用于辽东湾厚层砾岩段
所面临的挑战
辽东湾海域馆陶组属于辫状河流相碎屑沉积岩,分选较差,地层中部至底部碎屑颗粒粗,砾岩发育,常可见粒径较大的砾石(图1),质地极为坚硬。表1列出了辽东湾某油田部分井钻遇砾岩层及砾岩段钻进情况统计结果,其中磨损破坏钻头最严重的
馆陶组底部和东营组顶部砾岩(称为 底砾岩 )段垂直厚度基本稳定在70~80m 。
图1 PD C 钻头带出的馆陶组砾石
表1 辽东湾某油田部分井砾岩层及砾岩段钻进情况统计
井号砾岩顶深(m )砾岩底深(m )垂直厚度(m)砾岩段钻进情况
(上部PDC 钻达井深)A 51292138380 001371m 未穿,下牙轮钻头A 21463156475 001509m 未穿,下牙轮钻头A 221239131166 111362m,钻穿砾岩A 71455155572 901698m,钻穿砾岩A 201600169061 261815m,钻穿砾岩A 141320140066 74PDC 钻穿砾岩至完钻A 91268135172 80PDC 钻穿砾岩至完钻A 15
1221
1294
68 50
PDC 钻穿砾岩至完钻
地层中存在大段砾岩对PDC 钻头的使用提出了严峻的挑战。PDC 复合片的抗研磨性能和抗冲击性能是制约PDC 钻头寿命的一对矛盾。在渤海
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特别是辽东湾钻井作业中,使用普通PDC 钻头钻厚层砾石段,较大的负荷冲击载荷作用常造成PDC 片崩齿,在砂砾的磨蚀下钻头刀翼鼻部和肩部会在短时间内(通常在3m 进尺以内)被破坏,并在肩部磨蚀成环(图2),丧失大部分或全部的切削能力,因此不得不起钻换牙轮钻头,待钻穿砾岩段后再换回PDC 钻头。频繁地起下钻会大大降低钻井时效,从而增加海洋钻井成本。因此,必须针对该地区砾岩层情况研究设计相适应的PDC
钻头及钻进技术。
图2 辽东湾砾石层钻进中PDC 钻头的磨损情况
(右侧图中钻头带有馆陶组砾石)
2 PDC 钻头厚层砾岩钻进技术研究
2 1 钻头设计
首先通过对地震、录井和测井数据进行计算分析,得到不同深度下岩石物性参数,建立典型井岩性剖面;然后比照厂商按照邻井资料提供的钻头冠型、布齿(尺寸、形状、密度和角度)、PDC 复合片强度、水力设计、保径齿与(或)保径面设计结果以及所推荐的钻头性能参数,结合在渤海地区的钻井经验进行分井段钻头预选型(类似方法已广泛用于其他油田[1]);最后参照邻井井眼清洗及轨迹控制要求,结合本区域类似钻头的钻进参数及出井后的IADC (国际钻井承包商协会)磨损定级,对预选出的钻头进行优化设计和分段定型,并针对本区块制定出钻头使用策略和注意事项。
渤海地区优快钻井通常要求一个井段用一只钻头钻到底。也就是说,所设计的钻头在辽东湾地区既要钻浅部的疏松地层(须穿过砾岩等硬地层),又要尽量满足下部中硬地层钻进,因此对钻头性能的设计要求很高。
对于浅部疏松地层,PDC 钻头设计通常采用中长拋物线冠形,主要使用16~19mm 大切削齿,兼顾造斜及稳斜钻进要求,同时考虑钻头冠部、规径齿、规径长度对于移位趋向和导向性等钻头特性对
定向井轨迹控制的影响[2,3]。在本次钻头设计中,水力方面要满足快速钻进大排量的要求,并应用计算机水力辅助设计软件进行流场模拟和优化,以满足高钻速下润滑冷却钻头切削齿,确保井底岩屑及时排出,降低高速钻进所产生的大量固相钻井液高速射流对钻头本体和井壁的冲蚀程度。
理论和试验研究表明[4 7],由于井下复杂的受力情况,钻进过程中PDC 钻头运动状态非常复杂,钻头在随钻具旋转之外还会发生涡动与回旋。钻头涡动使得切削齿运动方向与其切削工作面不断变化,进而使切削齿受到交变载荷和冲击载荷,而回旋运动则导致切削齿在与钻进方向垂直的方向受到高频率大负荷的冲击载荷。因此,这两种运动的共同作用将会对钻头产生严重的损坏,尤其是在含有砾岩的地层中钻进。所以,对于存在大段砾岩的地层,在进行PDC 钻头设计时除了要考虑上述因素外,还要
在切削结构和稳定特性方面作专门设计,即:首先考虑力平衡原则,以保证各个PDC 复合片切削时产生的侧向力向量之合最小(当钻头上径向合力不为零时,尽可能将该合力指向专门设计的保径接触面,因为该保径接触面对井壁不产生切削);其次通过环形布齿在井底切削出稳定环,以改善钻头稳定性。
2 2 关键技术
(1)选用高强度性能的切削齿。通过选用分层配比粗、细晶聚晶金刚石晶粒的PDC(聚晶金刚石片),提高PDC 复合片的金刚石含量,增强PDC 钻头切削齿在砾岩地层中的耐研磨性;通过新型非平面铸合技术,改善切削齿PDC 片与碳化钨硬质合金柱之间的应力分布,降低残余应力,提高切削齿的抗冲击性能,采用非平面结合形式还可以增加PDC 片的厚度,有利于提高切削齿的耐研磨性;对PDC 片加工微小倒角预防切削齿在冲击载荷下先期破坏。
(2)高强度切削结构设计。整体上采用6~7刀翼螺旋布局、中长抛物线高密度混合布齿。为保证PDC 钻头在上部疏松地层中的高速切削性能,主切削齿主要选用 16~19mm 高强度、耐冲击、有适当倒角的特殊PDC 复合片,次级切削结构多采用 13m m 齿并优化主次切削齿出露高度,在易发生崩齿或磨损的刀翼肩部采用防碰节(抗冲击块)等来保护主要切削结构。此外,在刀翼肩部利用双级齿加强切削结构,即在主切削齿下方或后排增加次级
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切削齿,提高抗冲击抗磨损能力,以保证在主切削齿被破坏的情况下继续保持切削能力,至少确保主切削齿磨损后次级切削齿能钻穿馆陶底砾岩。双级布齿钻头钻穿馆陶组底砾岩的磨损情况见图3
。
图3 双级布齿钻头钻穿馆陶组底砾岩的磨损情况
(3)稳定性设计。在螺旋刀翼布局上通过有限元动态分析优化各个切削齿布置,满足钻头工作状态下切削齿受力矢量和接近零。尤其是,通过主切削齿采用变化的后倾角,协调主切削齿和后排加强齿的位置和露齿高度,调整主切削齿旁通角度同时调整后排齿的角度,增强前后齿的相互保护作用及切削齿的抗冲击能力,实现力平衡增强PDC 钻头稳定性。另外还充分考虑了钻头排屑和井底钻井液流场的影响,以确保钻头在井底钻进工作状态下受力均衡,达到复杂受力下的拟稳定状态,实现平稳钻进。
2 3 钻具组合及钻井参数优化
长期以来,PDC 钻头使用中强调 低钻压 高转速 ,这种做法对软到中软地层或直井防斜打直是适用的。但是,随着钻遇地层岩性物性的变化,PDC 钻头的使用参数应当作适当调整。L.A.Sinor 等人[7]
通过钻进试验认为,对于同等条件下在中硬到硬地层中钻进的PDC 钻头而言, 低钻压 高转速 对钻头造成的损坏比 高钻压 低转速 更严重,这与前文所述 高速旋转钻头由于涡动和回旋产生交变冲击载荷导致钻头切削齿损坏 的理论分析结果是一致的。
在辽东湾的钻井实践中,通过复合钻进钻柱动
态力学分析进行了底部钻具组合优化,分析了钻头和钻具振动规律及影响因素,并进行了参数敏感性分析。实践证明,在新钻头下钻到达井底之前提前开泵冲洗,采取低钻压低转速起动磨合钻头,并在钻水泥塞和套管附件过程中控制参数,可以防止崩齿等钻头先期损坏的情况发生。
合理选用钻井参数是使用PDC 钻头钻砾岩段现场控制的关键。在PDC 钻头接近砾岩层段前50~100m 时,需要提前降低排量和顶驱转速至正常钻进的70%~80%,使用中等钻压(50kN 左右),以减少井底钻头的震动和所承受的冲击载荷;在后续的砾岩段钻进期间要注意尽量保持转速、排量和钻压恒定,尽可能使PDC 钻头在相对稳定的状态下进行切削;在长时间无明显进尺的情况下再逐级平稳增大钻压。另外,钻进期间要随时观察岩屑岩性、切削形状、金属屑含量等变化趋势,对照典型岩性剖面和邻井的录井、测井资料判断当前的钻头状况。
总之,保持中低排量、中低转速、中高钻压的钻井参数组合,并以平稳钻进模式充分保护PDC 钻头,是确保顺利钻穿砾岩段现场参数控制的关键所在。
3 应用效果
辽东湾某油田用PDC 钻头在早期钻探A 5、A 3W 、A 2、1d 井时,钻遇砾岩段所采用的钻进参数为:钻压50~80kN,顶驱转速75r /min(井下马达转速约120r/min),排量63L/s 。这几口井均没有达到用一只PDC 钻头钻穿整个砾岩段的目标,而且A 5井在用第二只PDC 钻头继续钻砾岩过程中出现过早损坏,A 3W 、A 2、1d 井虽然在第一只钻头磨损后及时起钻换牙轮钻头,但是砾石对牙轮钻头仍然造成了严重崩齿损坏。在该油田后来20多口井的钻井作业中,通过对PDC 钻头设计及钻进技术的进一步优化,采取参考邻井砾岩分布规律、在进入连续砾岩段前60~100m 即开始控制钻进参数保护钻头和在砾岩段采用 中低排量 中低转速 中高钻压 平稳钻进模式等措施保证PDC 钻头切削结构的均匀磨损,延长了钻头使用寿命,除A 1、A 4井外,其他井都是用一只PDC 钻头顺利钻穿了馆陶底和东营组上段的砾石层。值得一提的是,该油田有5口井采用上述措施成功钻穿砾岩段后,仍保持36~58m/h 的机械钻速继续钻进至完钻,建井周期平均缩
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短了约10%。
4 结论
(1)对普通PDC钻头进行优化设计,可以提高钻头的综合性能,延长钻头在砾石层中的使用寿命。
(2)合理的钻进参数和平稳钻进模式是使用PDC钻头成功钻穿辽东湾厚层砾岩段的必要保障。
(3)建议加强PDC钻头拟稳态切削状态下脉动载荷对PDC复合片磨损寿命影响的理论研究。
参考文献
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IADC/SPE39306,1998.
收稿日期:2007 09 18
(编辑:孙丰成)
C ustomize PDC bit to drill through
long conglomerate interval
Shao Mingren1 Zhang Chunyang2 Chen Jianbing1
Xu Rongqiang1 Yang Cheng2 Chi Yu1
(1 CN OOC Oil Base Sup er vision&T echnology Co.,
T ianj in,300452; 2 T ianj in Br anch of
CN OO C Ltd.,T ianj in,300452)
Abstract:A new PDC Bit has been developed to improv e offshor e operation efficiency and reduce cost during drilling co ng lomeratic for mations.On basis o f keeping the fast cutting perform ance of comm on PDC bit,this new PDC bit has been str engthened integr ally by using new ly developed high impact and abrasive resistant PDC cutters and designing heavy duty cutting str ucture.T he stabil ity o f the PDC bit has been impr oved by applying new methods such as incremental back rake ang le, force balance desig n and im pact dampening tech nolog y.The BH A design is o ptimized,com bining w ith r ational drilling param eters and steady drilling m odes of mo derate flow rate and RPM but m edi um high WOB,to prev ent the PDC bit from pre matur e dam ag e and improve the bit life during drilling long cong lom eratic interval.This PDC bit w as applied to dr ill through cong lom eratic intervals up to80meters in Guantao and Upper Dong ying Formations in one PDC bit run,and some even continued drilling through underly ing m edially im pacted Do ng ying form ation till T D.Application of this techno logy can obviously reduce offshore dr ill ing time and cost.
Key words:co ng lomerate;PDC bit;back rake an gle;fo rce balance;drilling m ode
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70!.According to the evaluation,w hen the con centratio ns of surfactant and po lymer are1200 mg/L and1500mg/L respectively,the fo rmed system w ill have an o il w ater inter facial tension up to0 00217m N/m and a viscosity up to16 8 mPa?s,and can be applicable to oil reservoirs w ith 70!tem peratur e and5000 15000mg/L salinity due to its certain heat and salt resistances.The re sult o f physical analogue exper im ents has indicated that oil r ecovery ratio w ill increase32 17%by in jecting CTCODSA after w ater flooding.
Key words:the com posite tw o component o il dis placement system w ithout alkali;surfactant;poly mer;interfacial tension;viscosity