山前构造砾石层大尺寸钻头优化设计及现场试验

塔里木盆地天山南探区为山前构造,钻井地质环境复杂,3 000 m以浅地层含有大段砾石层,可钻性差。为此,在深入分析砾石层物性特征的基础上,有针对性地设计了适合于砾石层的660.4和444.5 mm牙轮钻头和适合于微砾石层的444.5 mmPDC钻头。设计牙轮钻头时,通过优化钻头齿高、齿长及齿顶宽,调整布齿密度,及采用螺旋式双稳定掌背、滚滑复合轴承、中心喷嘴和中长喷嘴等方式,以增强钻头的攻击性,提高钻进效率和工作的稳定性;设计PDC钻头为7个喷嘴,采用耐磨性和抗冲击性较好的19.0 mm复合片和中低布齿密度、肩部双排齿结构、加强保径,以期在较低钻压下提高钻头的破岩效率。设计的3种钻头在天山南探区库2井一开、二开井段进行了现场试验,结果表明:与邻井实钻数据相比,660.4 mm牙轮钻头钻速和单只钻头进尺分别提高84.62%和445.04%,444.5 mm牙轮钻头和PDC钻头的钻速分别提高46.15%和128.85%。在大北、克深两地区3口井的推广试验结果也表明,660.4 mm牙轮钻头可大幅提高机械钻速、节约钻时。综合分析各试验井数据认为,设计的3种钻头适合于在山前构造探区砾石层钻井,且提速提效明显。      

小尺寸单牙轮钻头在胡侧12-3井中的应用

在 139.7mm套管开窗侧钻井或加深钻井中 ,使用小尺寸单牙轮钻头具有明显的经济效益。主要介绍了小尺寸单牙轮钻头适用地层、结构特点、钻井参数优选及现场应用效果分析 ,对中原油田和其他油田的小井眼钻井具有一定的指导意义     

一种新型能量平衡牙轮钻头

为了提高牙轮钻头的耐磨性和钻井效率，减少钻头切削结构的早期损坏，延长钻头使用寿命，哈里伯顿公司研制了一种新型能量平衡牙轮钻头。     

小尺寸单牙轮钻头系列

江汉石油钻头股份公司成功地开发出新型小尺寸单牙轮钻头系列产品 ,该系列产品为 O形圈密封、滑动轴承、钢球锁紧的镶齿钻头。根据现场使用情况 ,该系列小尺寸单牙轮钻头不但适用于侧钻钻井 ,而且还适用于中深井直井钻井。在钻井过程中 ,单牙轮钻头的工作扭矩比 PDC钻头在相同钻压和地层条件下要低得多 ,可减少小尺寸钻具胀扣问题 ,从而避免井下事故的发生。单牙轮钻头兼有三牙轮钻头和 PDC钻头的优点 ,同时又弥补了二者的不足。它比三牙轮钻头更适于强度和塑性同时都较大的地层 ,同时也能适用于 PDC钻头难于钻进的硬夹层和其他类型的复…     

牙轮钻头工作扭矩的计算机仿真

对牙轮钻头在破岩过程中的受力和运动状态进行分析，建立了牙轮钻头动力学基本方程，研究井底岩与牙轮钻头的相互作用后，建立了钻头结构参数，钻井参数，岩石性质参数与触底齿受力间的近似关系。研制了牙轮工作扭矩的计算机仿真模型和仿真软件，仿真结果与实验数据比较表明了理论研究和仿真模型及软件的正确性和可靠性。     

单牙轮钻头的发展前景研究

分析单牙轮钻头的优越性，解决目前钻业面临的问题，方法研究了单牙轮钻头的侧切削特性，单牙轮钻头和弹塑性地层的相互作用及单牙轮钻头的热应力分布，分析了钻头结构，地层岩石特性及钻井工艺参数等因素对单牙轮钻头性能的影响。     

钻头破岩过程的计算机仿真模型──井底破碎坑的数学模型

根据用三牙轮钻头一个主齿圈和一个特殊齿圈进行破岩实验的结果，对井底大量单次或多次破碎坑的数据作了处理，进而建立了破碎坑尺寸大小与齿面结构参数、钻井参数、岩石性质之间的数学模型，为实现牙轮钻头与岩石工作用过程的计算机仿真提供了有实用价值的参考资料。同时简要介绍了一种测量破碎坑尺寸的新方法－－光测法。     

二次冲压成型钢齿牙轮钻头在复杂地层中的应用

段六拨油田Ф215．9mm井段需要钻穿明化镇组、馆陶组、东营组、沙河街组及孔店组地层，其中馆陶组地层因富含研磨性很强的砾石，对PDC钻头和普通钢齿牙轮钻头的破坏性很大，只能应用镶齿牙轮钻头钻进。该油田通常采取用1～2只普通钢齿牙轮钻头钻穿明化镇地层，然后用1只镶齿牙轮钻头钻穿馆陶组地层的措施，导致应用钻头数量较多、起下钻时间及钻井周期较长。为此，该油田在Nan203 Dir井试验应用了Ф215．9mm TuffCutter^TM新型钢齿钻头TC11，成功地实现了用一只牙轮钻头钻穿明化镇组及馆陶组地层，达到了减少钻头使用数量、缩短起下钻时间及钻井周期、降低钻井成本的目标。     

钻头破岩过程的计算机仿真模型

根据用三牙轮钻头一个主齿圈和一个特殊齿圈进行破岩实验的结果，对井底大量单次或多次破碎坑的数据作了处理，进而建立了破碎坑尺寸大小与齿面结构参数，钻井参数，岩石性质之间的数学，实现牙轮钻头与岩石互作用过程的计算机仿真提供了有实用阶值的参考资料，同时简要介绍了一种测量破碎坑尺寸的新方法－光测法。     

砾石层异型齿PDC钻头的设计及现场试验

塔里木盆地库车山前盐上砾石层发育，砾石含量高、粒径大、抗压强度高，地层可钻性差，钻速慢，井下复杂多。为此，文章针对山前盐上大段砾石层进行了地层砾石层特征和钻头失效模式分析，并在此基础上进行了PDC钻头的异型齿结构设计、优化布齿及冠部形状等设计，形成抗冲击、强攻击性的异型齿PDC钻头设计方案，从而提高了PDC钻头的抗冲击、抗涡动及破岩效率，有效扩大钻头在砾石层中的适用范围。钻头在山前高含砾地层进行了现场试验，取得了优异的应用效果，单只钻头平均进尺达到530 m,平均机械钻速达到4.28 m/h,同比邻井在该地层钻井效果最好的10只PDC钻头的单只钻头进尺提高了42%,平均机械钻速提高了52%,成功解决了塔里木盆地库车山前盐上砾石层钻井的低机械钻速及短进尺的问题。     

新型PDC钻头的防斜打快效果及评价

大庆油田海拉尔地区的地层倾角大、岩屑录井荧光级别低,亟待解决满足岩屑录井要求的防斜打直问题。为了能够在获得足够大的岩屑颗粒和提高机械钻速的基础上达到防斜打直的目的,制定了采用大切削齿B425型PDC钻头配以小钟摆钻具组合的现场试验方案。试验表明:B425钻头与牙轮钻头所破碎的岩屑颗粒基本相当,能够满足地质岩屑录井的要求;与牙轮钻头相比,B425钻头显著地提高了机械钻速,降低了钻头费用,减少了起下钻次数;单只B425的进尺可达1000m以上,相当于2~3只牙轮钻头的进尺;采用PDC钻头配以小钟摆钻具组合,可以较好地解决防斜打直问题。此外,针对试验中遇到的问题,通过改进井身结构和调整钻井参数,形成了一套适合于海拉尔地区的防斜打快技术。     

凸脊型非平面齿PDC钻头的研制与现场试验

常规PDC钻头在钻进塔里木油田库车山前巨厚砾石层时存在破岩效率低、机械钻速慢和钻井周期长等问题,分析认为,砾石对常规PDC钻头的平面齿产生较大冲击力导致切削齿崩齿或严重磨损是钻速低的主要原因。为此,设计了一种凸脊型非平面齿,并研制了配套PDC钻头,将钻头破岩方式由常规PDC钻头的面切削转变为线压裂和面挤压,大大提高了钻头破岩效率。室内试验表明,凸脊型非平面齿具有良好的抗冲击性能与抗研磨性能,抗冲击性能是平面齿的10倍以上。2只凸脊型非平面齿PDC钻头在库车山前地区博孜区块某井砾石层井段进行了现场试验,创造了机械钻速最高、单只钻头进尺最长的区块纪录,与邻井常规PDC钻头相比,进尺提高1.5倍以上,平均机械钻速提高64%以上,提速效果明显。研究与试验表明,凸脊型非平面齿PDC钻头能够较好地满足库车山前巨厚砾石层高效钻进的要求,可为库车山前深层天然气的高效勘探开发提供了技术支持。      

适用于砾石夹层钻进的PDC钻头

PDC钻头在砾石夹层中钻进时钻头不平稳、PDC复合片崩裂、磨损消耗快、机械钻速低,针对这些问题,采取了两方面的措施:一是创造条件使PDC钻头工作平稳,即减少或分散PDC钻头所承受的冲击载荷;二是减少钻头上PDC复合片在工作中的崩裂与磨损。具体的设计方案是:通过优化设计PDC钻头结构,主要采取外抛内锥带辅助切削齿的形式结构;研制与选取PDC复合片,主要采用双向多条直槽非平面结合方式,提高了复合片质量,使其热稳定性为750℃,耐磨性为2.9×105,抗冲击性大于600 J。按此方案设计与生产了3只钻头,分别在3口中井试用,直接钻穿砾石夹层馆陶组地层井段,相比之下,研制的新型PDC钻头,钻井效率提高26%,较大幅度地提高了钻井速度,突破了砾石夹层钻进不能使用PDC钻头的禁区,具有推广价值。     

综合考虑成本和钻速的PDC钻头钻进参数优化设计

传统的钻进参数优化模型不适用于PDC钻头。针对传统模型的不足,在牙轮钻头钻进参数优化理论的基础上,引入钻井成本和钻速权重系数,结合PDC钻头钻速方程、磨损方程和钻速随累积进尺的变化规律等基本方程,建立了钻井成本和钻速双目标约束下的PDC钻头钻进参数优化模型。该模型可根据降低成本或提速的具体目标设置钻井成本系数和钻速系数,在同时考虑成本和钻速的条件下对钻进参数进行优化设计。川西新场地区实钻资料的计算结果显示,经过参数优化后PDC钻头的单位进尺成本降低,同时钻速提高,这表明该模型可以用于双目标下PDC钻头钻进参数的优化设计。      

深井大直径井段的钻井问题研究

随着我国深井数量的增加,深井上部大直径井段钻井速度慢的问题日益突出。在系统分析了大直径井段中普遍存在的钻井问题的基础上,指出当前深井大直径钻井技术的根本问题,是钻具、钻头、钻井装备与大直径井眼的工艺要求不相适应。在软地层中主要表现为:沿程水力损失很大,水功率利用率极低,导致井底比水功率很低,井底和钻头清洗不良,影响机械钻速。在硬地层和砾石层中主要表现为:钻压不足,导致机械破岩能量明显不足,同时大尺寸钻头齿面结构设计不合理,破岩效率低。文中提出了解决深井大直径钻井问题的具体措施,对提高深井钻井速度具有一定的指导意义。     

高陡构造破碎井眼稳定技术难点及对策

乌龙1井是在云南楚雄盆地北部次坳陷盐丰凹陷乌龙口背斜高部位布置的第一口重点区域探井,该井主要地质特点表现为地层古老,地层倾角大,岩石较为破碎,井眼极易失稳。通过优化井身结构、钻井参数以及搞好钻井液性能和维护等方面的工作,确保了该井井眼稳定,并取得了良好效果,对该地区施工具有一定的借鉴作用。     

高陡构造克深206井钻井提速配套技术

克深206井是库车坳陷克拉苏构造带克深区带克深1-2号构造的一口五开生产评价直井,该井面临着上部地层倾角大易井斜、吉迪克组含砾地层机械钻速低、古近系库姆格列木群盐膏层段易卡钻、白垩系巴什基奇克组机械钻速低、压力窗口窄、井壁不稳、易卡易漏等钻井技术难题。针对上述难点,应用了PDC优选技术、垂直钻井技术、穿盐膏层钻井液体系优选等钻井提速配套技术。通过应用钻井提速配套技术,克深206井钻井速度实现了大幅度的提高,钻井周期250 d11h,较区块平均周期相比缩短47.5%。克深206井钻井提速配套技术为今后克深1-2构造钻井施工作业提供了宝贵的经验。     

PDC钻头内镶式二级齿新技术

PDC钻头不适宜钻硬地层,尤其是高强度、高研磨性的砾石层,因为在极其恶劣的工作条件下,PDC齿的冲击破损严重,热磨损及磨料磨损往往同时存在,齿的磨损速度快,钻头的工作寿命急剧缩短.研究了一种新的PDC钻头技术--内镶式二级齿技术,可以使PDC钻头在极限应用条件下的持续破岩能力显著增强.内镶式二级齿是在常规的切削结构基础上增加的后备PDC切削结构,二级齿位于主切削齿的上方,除金刚石表面外,齿的其他部分全部隐藏在胎体内部,为负出露切削齿.主切削齿和二级齿相组合,构成了可连续接替切削岩石的复合切削结构.在主切削齿的切削破岩能力丧失或接近丧失时,二级齿开始工作,显著增加了钻头的工作寿命.新技术应用于渤海LD油田钻底砾岩,提高了钻井时效,降低了钻井成本.     

φ444．5mm牙轮钻头的改型设计

分析了塔北地区上部井段硬塑性地层机械钻速低的原因。针对该地层岩石硬度随井深增加而增加的特点，提出了φ４４４．５ｍｍ牙轮钻头的改型方案，可供设计新型牙轮钻头时参考。