复合冲击破岩数值模拟研究及现场应用

为了探究复合冲击载荷作用下聚晶金刚石复合片钻头（PDC）的破岩机理，利用ABAQUS有限元软件建立了PDC单切削齿-岩石相互作用的数值模型，模拟研究了常规切削、单轴向冲击、复合冲击下岩石破碎过程，分析了复合冲击破岩机理。结果表明：在复合冲击作用下，轴向载荷分量能够增加切削齿切削深度，同时切向载荷分量的剪切作用使岩石产生大体积破裂。相比于常规钻进，应用复合冲击钻井后机械钻速提高了26.2%。研究成果可为复合冲击钻井技术的现场应用提供理论参考。     

复合冲击钻具的研制及现场试验

为了进一步提高硬地层的机械钻速,同时控制PDC钻头的黏滑振动,将扭力冲击器和旋冲钻具的特点相结合,研制了同时给PDC钻头提供高频单向轴向冲击和往复扭转冲击的复合冲击钻具。通过地面试验验证了复合冲击钻具的可行性并测试了其性能,结果表明,复合冲击钻具能实现轴向冲击和扭转冲击功能,冲击频率、冲击功和压降随排量增大而增大,随喷嘴直径增大而减小。在葡4-32井的现场试验结果表明:使用复合冲击钻具后,与邻井“螺杆+PDC钻头”复合钻井相比,机械钻速提高了60.2%;试验过程中,PDC钻头未出现黏滑振动和崩齿现象。研究结果表明,复合冲击钻具能提高硬地层机械钻速,并能控制PDC钻头的黏滑振动,起到保护PDC钻头的作用。      

非均质地层锥形辅助切削齿PDC钻头设计与试验

为了提高PDC钻头在非均质地层中的机械钻速和延长钻头使用寿命,研制了带有锥形辅助切削齿的PDC钻头。该钻头以PDC齿为主切削元件,锥形齿和PDC齿为副切削元件,开始工作时以PDC切削齿剪切破岩为主,当PDC切削齿吃入地层到一定程度后,锥形齿开始犁削岩石形成裂纹,有助于PDC齿以较小切削力破碎岩石;相邻2个刀翼的后排齿分别布置锥形齿与PDC齿,用于钻头钻进后期的提速提效,既具有常规PDC钻头破岩效率稳定的特点,又具有锥形齿在非均质地层破岩效率高的特点。现场试验表明,与常规PDC钻头相比,锥形辅助切削齿PDC钻头在非均质地层中使用寿命长、机械钻速高。锥形辅助切削齿PDC钻头的成功研制,为钻进非均质地层提供了一种新的高效破岩工具。      

基于预破碎的岩石切削试验及分析

针对混合布齿设计只能依靠工程经验的问题,采用试验与数值模拟相结合的方法研究了锥形齿与PDC齿同轨布齿时,不同锥形齿预破碎深度下PDC齿破岩力和破岩效率的变化规律,并比较了组合切削方式下切削岩石与单个PDC齿切削岩石时的破岩功耗,得到以下结论:锥形齿的预破碎可以有效降低后续PDC齿吃入和切削岩石的难度,减轻PDC齿受冲击的程度,从而延长PDC齿乃至整个钻头的使用寿命,提升钻头的整体性能;PDC齿切削锥形齿预破碎后的岩石时破岩效率有所提高,锥形齿的预破碎深度越深,提升效果越明显;锥形齿与PDC齿组合切削岩石比单个PDC齿切削岩石会增加少量的总能耗。研究结果可为混合布齿PDC钻头布齿设计提供参考。     

新型PDC钻头砾岩破岩技术及应用

油气钻探中,PDC钻头已成为钻进破岩不可或缺的井下工具,但砾岩地层是PDC钻头的破岩禁区,目前绝大部分地区依然选择牙轮钻头进行破岩。鉴于此,设计了新型个性化PDC钻头。新型PDC钻头在微受损的状态下,可替代牙轮钻头钻穿砾岩层。该钻头特征为前排齿采用PX齿设计,复合后排齿采用圆锥齿设计,利用压碎和切削复合破岩方式破碎砾岩、提高机械钻速。新型PDC钻头首次在大港油田现场试验,试验中顺利钻穿30～120 m的砾岩层,实现了多套地层单只钻头"一趟钻"工艺,创下大港油田同套地层最高平均机械钻速和最短钻井周期的新记录。现场试验结果验证了该新型PDC钻头砾岩破岩的可靠性。     

自激式扭力旋冲器的模拟仿真与试验

PDC钻头在深硬地层钻进时所受的黏滑振动是制约其高效利用的技术瓶颈。为了降低深硬地层钻进过程中钻头所承受的黏滑振动,引入了高频自激式扭力旋冲器。通过对旋冲器工作原理的分析,利用有限元软件(ANSYS/LS-DYNA)建立了PDC钻头非线性动力学三维模型。模拟了在有、无旋冲器作用下PDC钻头的磨损状况、运动特性以及岩石的失效情况,并在现场进行了多口井的试验。试验结果表明:旋冲器产生的高频扭转冲击力能有效提高PDC钻头和岩石受力的均匀性,抑制钻头所受的黏滑振动和切削齿的损坏。使用旋冲器能提高钻头的破岩效率,缩短钻井周期,为扭转冲击技术在深硬地层提速提供了重要的技术参考。     

特种孕镶块加强PDC钻头的研制与试验

为提高PDC钻头在研磨性硬地层中的机械钻速、延长钻头寿命,研制了特种孕镶块加强PDC钻头.该钻头以PDC切削齿为主切削元件,天然金刚石孕镶块为副切削元件,既具有常规PDC钻头破岩效率较高的特点,又具有孕镶金刚石钻头在研磨性硬地层寿命长的特点.在钻头开始工作时,主要为PDC切削齿"犁切"式破岩,当PDC切削齿磨损到一定程度后,天然金刚石开始磨削岩石,形成"犁沟",有助于 PDC切削齿吃入并切削岩石.该钻头在东北金山气田金古 1-1HF 水平井基底花岗岩硬地层进行了现场试验,平均机械钻速达到4.46 m/h,是同井同地层常规PDC钻头机械钻速的1.5倍,是2口邻井同井段牙轮钻头和常规PDC钻头机械钻速的2倍以上,其使用寿命也达到2口邻井同井段牙轮钻头和常规PDC钻头的2倍以上,取得了良好的现场应用效果.特种孕镶块加强PDC钻头的成功研制,为钻进强研磨性硬地层提供了一种新的高效破岩工具.      

北部湾盆地脊形PDC切削齿钻头提速技术

北部湾盆地古近系涠洲组、流沙港地层岩性差异大,常规PDC钻头难以适应,导致整体机械钻速偏低。针对上述问题,用脊形PDC切削齿替换常规PDC切削齿,并对脊形PDC切削齿进行了物理性能分析,证明脊形PDC切削齿钻头攻击性良好、切削效率高;用钻头软件模拟评价钻头载荷和功率、机械钻速及扭矩。模拟评价及现场应用结果表明:脊形PDC切削齿钻头结合了尖圆齿应力集中的特性,破岩过程中切削齿和岩石的受力均发生变化,切削时接触面积小,更容易吃入地层,切削能耗低;脊形PDC切削齿钻头比相同设计的常规PDC钻头提速24. 8%～52. 0%,且出井钻头磨损少。研究结果可为北部湾盆差异性地层钻头优选及设计提供借鉴。     

新型多重复合切削钻头的研制

为提高钻头在研磨性硬地层中的机械钻速,延长钻头寿命,研制了新型多重复合切削钻头。该钻头采用"PDC复合片+锥形PDC齿+金刚石孕镶块"3级切削结构,以PDC复合片作为1级切削元件、以锥形PDC齿作为2级切削元件,以金刚石孕镶块作为3级切削元件。多重复合切削钻头具有PDC钻头、牙轮钻头和孕镶金刚石钻头的优点,使钻头既具有较高的机械钻速,又能保持较长的寿命。在青海东坪地区基底花岗岩地层的现场试验中,新型多重复合切削钻头进尺137 m,纯钻时间114.9 h,机械钻速1.19 m/h,比同井段HJ537G牙轮钻头进尺提高128.3%,机械钻速提高40%。多重复合切削钻头为强研磨性硬地层钻井提速提供了一种新型高效的破岩工具。     

单齿高频扭转冲击切削的破岩及提速机理

高频扭转冲击钻井作为一种新兴钻井技术,由于其在硬地层钻进中具有显著的提速效果以及能够较好抑制黏滑振动的发生而得到极大关注。但由于对其破岩机理以及提速机理认识不够清楚,使得高频扭转冲击钻井技术在推广应用时尚未发挥其最佳性能。基于有限元法建立了单齿扭转冲击切削岩石的拟三维数值仿真模型,研究了扭转冲击作用下钻齿切削岩石过程中的裂纹扩展、岩屑形成、损伤演化以及破岩比功等问题。研究结果表明:扭转冲击切削作用下岩石相比常规切削更易发生脆性破碎(体积破碎)形成大块岩屑;扭转冲击切削作用下的破岩比功要明显小于常规切削,且岩石单元从损伤萌生到刚度完全退化的时间同样要小于常规切削作用;在软地层中扭转冲击切削几乎没有提速效果。研究结果可为扭转冲击器及钻头设计、钻井参数优选提供依据。     

轴扭复合冲击工具的研制与应用

为提高PDC钻头破岩效率并减小钻具的粘滑振动,研制了一种轴扭复合冲击工具。该工具以自激振荡脉冲射流为能量来源,通过螺旋面结构将轴向冲击力转换为轴扭复合冲击力进行破岩,具有结构简单和轴向、扭向冲击力同步作用的特点。现场应用结果表明:与常规钻具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了95.2%～193.8%,单只钻头进尺增加了46.4%～229.2%;与螺杆钻具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了71.0%;与轴向冲击工具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了66.3%,单只钻头进尺增加了194.0%;与扭向冲击工具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了30.2%～46.8%,单只钻头进尺增加了17.2%～191.8%。研究表明,轴扭复合冲击工具可以提高破岩效率,减小硬地层的粘滑振动,破岩提速效果显著,具有推广应用价值。      

胜利油田东营北带砂砾岩体PDC钻头个性化设计与应用

针对胜利油田东营北带丰深1与盐227区块沙四下砂砾岩体地层岩石研磨性强、可钻性差、机械钻速低、钻头寿命短的技术难题,开展了旋流PDC钻头个性化设计与应用研究。通过室内实验,优选出了适合该地层特点的PDC切削齿类型;通过电脑模拟,优化了钻头的冠部轮廓、切削结构和切削齿后倾角设计;研制出旋转射流喷嘴,设计并试制了水力与机械联合破岩的新型PDC钻头。在丰深1-平1井的砂砾岩体地层中进行了钻井试验,与其他类型PDC钻头相比,机械钻速提高了46.8%,单只钻头进尺提高了69.6%;与牙轮钻头相比,机械钻速提高了48.1%,单只钻头进尺提高了156.5%。在盐227井工厂砂砾岩体井段推广应用也取得了明显的提速效果,机械钻速提高26%,平均单只钻头进尺提高102 m。研究成果对PDC钻头个性化设计具有一定的借鉴意义,对硬的强研磨性地层钻井提速具有推广应用价值。     

复合冲击条件下PDC钻头破岩效率试验研究

为分析纵向冲击与扭转冲击复合条件下PDC钻头的破岩效果,以及不同钻进条件和冲击参数对破岩效果的影响规律,设计了一种具有纵向和扭转冲击功能的旋扭复合冲击发生装置,利用粉砂岩、石灰岩和花岗岩3种岩性的岩样开展了PDC钻头常规破岩和复合冲击破岩试验,研究了复合冲击条件下钻压、转速、冲击力和冲击扭矩等参数对PDC钻头钻进速度的影响规律。试验结果表明:钻压和转速是影响破岩效率的主控因素;相较于常规PDC破岩,复合冲击钻井方式产生的岩屑粒径更大,破岩效率更高;冲击力和冲击扭矩越大,破岩效率越高,复合冲击方式在硬地层钻进中的钻速最高可提高50%。研究PDC钻头在复合冲击条件下不同钻井参数对破岩效率的影响规律,为复合冲击工具设计和性能参数优化提供了理论依据。      

复合钻井技术在川东北地区的应用

复合钻井作为海相地层提高钻井速度的有效手段之一，已在川东北地区逐步推广应用，但从前期应用来看，在各区块应用的总体效果参差不齐，尤其是在提速的同时，井身质量不能得到有效保障。针对以上难题，为保证井身质量，提出了一套从井眼尺寸相匹配的螺杆选型、典型的复合钻井钻具组合优化，以及复合钻井的技术方案。试验表明：所提出的复合钻井技术方案在提高机械钻速的同时，能有效地控制井身轨迹，具有较高的实用价值和推广应用价值。建议在钻井工程设计中推广应用复合钻井技术，将PDC钻头、螺杆钻具和MWD的费用列入钻井成本。在上部陆相地层（侏罗系上沙溪庙组-三叠系须家河组底）开展与之相适应的PDC钻头或高性能的三牙轮钻头进行复合钻井试验，探索出具体的经济适用井段，进一步挖掘复合钻井技术在川东北地区的钻井潜力。     

南海文昌区块深部地层旋转切削齿PDC钻头提速技术

针对南海西部海域文昌区块深部地层常规固定齿PDC钻头磨损严重、机械钻速较低的问题,研究了旋转切削齿PDC钻头提速技术。分析了文昌区块深部地层的钻井难点,基于地层和钻头磨损特征分析结果,用旋转切削齿代替常规PDC钻头肩部高磨蚀区的固定切削齿,并优化布齿,形成了适用于文昌区块深部地层的旋转切削齿PDC钻头,并在文昌区块3口探井进行了应用,结果表明,该钻头提速效果明显、单只钻头进尺长且出井钻头磨损评价良好。研究认为,旋转切削齿PDC钻头兼具攻击性和耐磨性,可有效提高南海西部海域文昌区块深部地层的机械钻速,建议在该区块和类似强研磨性地层推广应用。      

塔河油田液动射流冲击器+PDC钻头提速技术

为了进一步提高塔河油田深部硬地层的机械钻速,基于旋冲钻井技术理论与实践经验,开展了液动射流冲击器+PDC钻头提速技术研究与实践,探索液动射流冲击器与PDC钻头配合使用提高深部地层机械钻速的技术可行性。首先根据塔河油田深部硬地层的特点及与冲击器配合的要求,优选了PDC钻头;接着利用液动冲击器性能测试系统,测试了液动冲击器各结构参数对其性能的影响;最后根据测试结果及所优选PDC钻头的抗冲击性能,确定了液动射流冲击器的结构及性能参数。液动射流冲击器与PDC钻头配合在 S116-3 井、TP324井和TP328X井的奥陶系地层进行了应用,机械钻速与同井上下井段及邻井相同井段相比,提高了32%~45%。这表明液动射流冲击器与PDC钻头配合使用,可以提高塔河油田深部地层的钻速。