刀翼式孕鑲金剛石鉆頭設計及在哈山101井的應用

張進雙 張增寶 王學才

引用本文:

刀翼式孕鑲金剛石鉆頭設計及在哈山101井的應用

    作者簡介: 張進雙(1973—),男,河北唐山人,1996年畢業于西北工業大學機械電子專業,2003年獲石油大學(北京)油氣井工程專業博士學位,高級工程師,主要從事超深井鉆井技術研究、風險探井工程設計和現場技術服務工作。E-mail:[email protected]
  • 基金項目:

    國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”之課題“海相碳酸鹽巖超深油氣井關鍵工程技術”(編號:2017ZX05005-005)資助

  • 中圖分類號: TE921+.1

The Design of Blade Type Diamond-Impregnated Bit and It’s Application in Well Hashan 101

  • CLC number: TE921+.1

  • 摘要: 為提高準噶爾盆地哈山區塊火山巖地層機械鉆速、增大單只鉆頭進尺、降低井眼失穩掉塊卡鉆風險,設計了刀翼式孕鑲金剛石鉆頭。在分析地層巖石的力學特性的基礎上,研發了新型胎體合金材料,以提高鉆頭研磨性;鑲嵌孕鑲切削塊,以增強鉆頭破巖能力;優化設計了刀翼式孕鑲金剛石鉆頭的結構和防卡流道,防止鉆頭卡死。研究發現,超細合金材料相互聯結成鍵、牢固燒結,鉆頭胎體力學性能提高30%以上。刀翼式孕鑲金剛石鉆頭配合高速大扭矩螺桿鉆具在哈山101井火山巖地層進行了應用,單只鉆頭進尺增大4倍,機械鉆速提高54.3%。研究結果表明,刀翼式孕鑲金剛石鉆頭可以降低掉塊卡鉆風險,可實現火山巖地層安全高效鉆進。
  • 圖 1  哈山101井火山巖地層牙輪鉆頭出井形貌

    Figure 1.  POOH morphology of roller bit after drilling in the volcanic rock formation of Well Hashan101

    圖 2  哈山101井稠漿攜巖返出掉塊

    Figure 2.  Caving returns carried out by viscous mud of Well Hashan101

    圖 3  刀翼式孕鑲金剛石鉆頭改進前后的結構對比

    Figure 3.  Structural comparison of the blade-type impregnated diamond drill bit before and after improvement

    圖 4  金剛石鉆頭晶體形貌和胎體粉末掃描電鏡圖

    Figure 4.  Crystal morphology of diamond bit and scanning electron micrograph of matrix powder

    表 1  哈山區塊巖石力學試驗結果

    Table 1.  Test results of the mechanical performance of coring rock in Hashan Block

    樣品編號圍壓/
    MPa
    溫度/
    飽和
    狀態
    抗壓強度/
    MPa
    楊氏模量/
    GPa
    hs101-3326-sp0020干燥163.5827.89
    hs101-3326-sp45020干燥158.4426.98
    hs101-3326-cz1020干燥175.6528.97
    hs101-3937-cz1020干燥288.7959.72
    hs101-3326-cz230 20干燥408.8146.54
    hs101-3326-cz360 20干燥530.6055.48
    下載: 導出CSV

    表 2  哈山區塊部分完鉆井的鉆井技術指標

    Table 2.  Drilling technical indicators of some drilled wells in the Hashan Block

    井號井深/m火山巖厚度/m鉆井周期/d機械鉆速/(m·h–1鉆頭總量/只牙輪鉆頭用量/只
    哈山1井2 554.002 008.00105.41.862920
    哈山3井4 139.803 532.80412.31.246252
    哈深2井5 238.265 148.30823.80.73162 142
    下載: 導出CSV

    表 3  刀翼式孕鑲金剛石鉆頭應用技術數據

    Table 3.  Technical data of blade-type impregnated diamond bit

    序號鉆進井段/
    m
    進尺/
    m
    鉆速/
    (m·h–1
    排量/
    (L·s–1
    轉盤轉速/
    (r·min–1
    螺桿轉速/
    (r·min–1
    泵壓/
    MPa
    鉆壓/
    kN
    備注
    13 539.50~3 592.0052.500.543030~5050022.060~70螺桿到壽命后起鉆
    23 592.00~3 639.8947.890.443030~5050022.570~80泵壓升高后起鉆
    33 814.10~3 848.5234.420.423030~5050023.080~100鉆速變慢后起鉆
    下載: 導出CSV
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圖(4)表(3)
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出版歷程
  • 收稿日期:  2018-10-23
  • 錄用日期:  2019-06-21
  • 網絡出版日期:  2019-07-27
  • 刊出日期:  2019-09-01

刀翼式孕鑲金剛石鉆頭設計及在哈山101井的應用

    作者簡介: 張進雙(1973—),男,河北唐山人,1996年畢業于西北工業大學機械電子專業,2003年獲石油大學(北京)油氣井工程專業博士學位,高級工程師,主要從事超深井鉆井技術研究、風險探井工程設計和現場技術服務工作。E-mail:[email protected]
  • 1. 中國石化石油工程技術研究院,北京 100101
  • 2. 中國石化勝利油田分公司油氣勘探管理中心,山東東營 257000
  • 3. 中石化勝利石油工程有限公司塔里木分公司,山東東營 257000
基金項目:  國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”之課題“海相碳酸鹽巖超深油氣井關鍵工程技術”(編號:2017ZX05005-005)資助

摘要: 為提高準噶爾盆地哈山區塊火山巖地層機械鉆速、增大單只鉆頭進尺、降低井眼失穩掉塊卡鉆風險,設計了刀翼式孕鑲金剛石鉆頭。在分析地層巖石的力學特性的基礎上,研發了新型胎體合金材料,以提高鉆頭研磨性;鑲嵌孕鑲切削塊,以增強鉆頭破巖能力;優化設計了刀翼式孕鑲金剛石鉆頭的結構和防卡流道,防止鉆頭卡死。研究發現,超細合金材料相互聯結成鍵、牢固燒結,鉆頭胎體力學性能提高30%以上。刀翼式孕鑲金剛石鉆頭配合高速大扭矩螺桿鉆具在哈山101井火山巖地層進行了應用,單只鉆頭進尺增大4倍,機械鉆速提高54.3%。研究結果表明,刀翼式孕鑲金剛石鉆頭可以降低掉塊卡鉆風險,可實現火山巖地層安全高效鉆進。

English Abstract

  • 準噶爾盆地哈山區塊二疊系—石炭系火成巖發育[1],分布廣、厚度大,巖石硬度高、研磨性強、可鉆性差,鉆井過程中井眼失穩、地層漏失、蹩跳鉆、斷鉆具和卡鉆等井下故障頻發,難以實現安全高效鉆進[2]。國外Smith公司針對強研磨性硬地層鉆井提速技術難題,研發了孕鑲金剛石鉆頭和高速渦輪鉆具,但孕鑲金剛石鉆頭采用長保徑設計,僅適用于井壁穩定地層;高速渦輪鉆具掉塊卡鉆風險高,處理困難。國內前期進行了多種鉆井提速技術探索,哈山3井上部地層采用“PDC鉆頭+扭沖鉆具”和VTK垂直鉆井技術,取得了良好的提速效果,但進入火山巖地層后鉆頭進尺變短、機械鉆速變慢;空氣鉆井技術提速效果良好,但地層出水使其應用受限(哈山201井地層出水量達到了33 m3/h);哈深2井在應用自激振蕩式旋沖工具鉆進火山巖地層時蹩跳鉆嚴重,鉆速不足0.25 m/h[35]。為此,筆者針對哈山區塊火山巖地層特征和鉆井技術難點,對孕鑲金剛石鉆頭的刀翼結構和水力流道進行了優化設計,采用了新型預合金胎體合金材料,優選高品質抗磨天然金剛石晶體,通過大量試驗獲得了鉆頭最佳燒結溫度,設計了刀翼式孕鑲金剛石鉆頭,并與大扭矩高速螺桿鉆具配合在哈山101井進行了應用,機械鉆速和鉆頭進尺大幅提高,實現了火山巖地層提速技術的突破。

    • 哈山區塊位于準噶爾盆地西部隆起哈山山前構造帶前緣沖斷帶,南鄰瑪湖凹陷,北部以達爾布特斷裂為界與和什托洛蓋盆地相接,有利勘探面積約1 000 km2,鄰區發現了百口泉、烏爾禾、風城和夏子街等4個油田,具有較好的油氣地質條件。該地區地表出露石炭系、二疊系和白堊系地層,其余被第四紀地層覆蓋。石炭系地層火山巖發育,厚度達2 000.00 m以上,上部風城組主要為灰色、深灰色泥巖,夾凝灰質砂巖、白云質泥巖,下部佳木河組主要為深灰色、灰色火山角礫巖和深灰色火山巖。隨著井深增加,地層巖石抗壓強度升高,哈山區塊巖石力學試驗結果表明,上部地層巖石單軸抗壓強度158.44~288.79 MPa,硬度1 647~2 307 MPa,深部火山巖地層圍壓60 MPa條件下的抗壓強度達530.6 MPa(見表1),巖石可鉆性級值普遍在10以上。

      樣品編號圍壓/
      MPa
      溫度/
      飽和
      狀態
      抗壓強度/
      MPa
      楊氏模量/
      GPa
      hs101-3326-sp0020干燥163.5827.89
      hs101-3326-sp45020干燥158.4426.98
      hs101-3326-cz1020干燥175.6528.97
      hs101-3937-cz1020干燥288.7959.72
      hs101-3326-cz230 20干燥408.8146.54
      hs101-3326-cz360 20干燥530.6055.48

      表 1  哈山區塊巖石力學試驗結果

      Table 1.  Test results of the mechanical performance of coring rock in Hashan Block

    • 鉆進不同巖性地層時的鉆速差異很大,哈山區塊上部凝灰巖地層可鉆性好、鉆速較快,玄武巖地層次之。該區塊地層巖心力學試驗結果發現,下部地層巖石強度高、可鉆性差,圍壓條件下巖心的抗壓強度甚至高于川東北地區須家河組二段地層,其中火山巖地層巖石硬度高、研磨性強,破巖難度極大,鉆井提速面臨巨大挑戰。

      1)下部地層強度高,PDC鉆頭易崩齒和斷齒;牙輪鉆頭進尺少、機械鉆速低,起下鉆頻繁[6]。哈深2井完鉆井深5 238.26 m,共使用鉆頭162只,平均機械鉆速僅0.73 m/h(見表2)。哈山101井上部井段氣體鉆井發生燃爆后轉換為常規鉆井,平均單只牙輪鉆頭進尺10.72 m,純鉆時間30.86 h,機械鉆速0.35 m/h,掉齒磨損嚴重(見圖1)。

      井號井深/m火山巖厚度/m鉆井周期/d機械鉆速/(m·h–1鉆頭總量/只牙輪鉆頭用量/只
      哈山1井2 554.002 008.00105.41.862920
      哈山3井4 139.803 532.80412.31.246252
      哈深2井5 238.265 148.30823.80.73162 142

      表 2  哈山區塊部分完鉆井的鉆井技術指標

      Table 2.  Drilling technical indicators of some drilled wells in the Hashan Block

      圖  1  哈山101井火山巖地層牙輪鉆頭出井形貌

      Figure 1.  POOH morphology of roller bit after drilling in the volcanic rock formation of Well Hashan101

      2)哈山區塊受地殼運動和造山運動影響,區域構造地應力異常,鉆井過程中易發生井眼失穩、剝落掉塊等井下故障,卡鉆風險高。哈深2井采用“常規孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿鉆具”復合鉆進時發生卡鉆事故,采取多種解卡措施無法解卡,被迫提前完鉆。哈山101井鉆進過程中扭矩波動幅度大,鉆井泵時有憋壓(壓力增幅約1.0 MPa),振動篩始終有掉塊返出(見圖2)。

      圖  2  哈山101井稠漿攜巖返出掉塊

      Figure 2.  Caving returns carried out by viscous mud of Well Hashan101

    • 孕鑲金剛石鉆頭是一種自銳性鉆頭,以微剪切和研磨聯合作用方式破碎巖石,用于鉆進致密難鉆地層和強研磨性軟硬交錯地層,是強研磨性、高抗壓強度和高溫地層提速的有效工具。不同火山巖地層巖性和物理力學性質差別大,鉆頭結構、地層巖性變化、巖石特性直接影響鉆頭的使用壽命和鉆進速度[78],通過優化鉆頭結構、胎體性能、燒結工藝和水力流場,可以提高孕鑲金剛石鉆頭的性能[9]。針對常規孕鑲金剛石鉆頭易發生阻卡、中心易磨損及本體強度不足等問題,在總結前期現場應用經驗的基礎上,根據哈山區塊火山巖地層特征,進行了特種孕鑲金剛石鉆頭結構和水力流道防卡優化設計,研發了新型胎體合金材料和切削齒,在此基礎上設計了刀翼式孕鑲金剛石鉆頭。

    • 前期針對高研磨性砂礫巖地層鉆井提速難題,綜合考慮鉆頭壽命、鉆井效率及配套使用高速螺桿鉆具,增大了鉆頭保徑長度,以提高其工作穩定性;鉆頭設計為雙錐形15刀翼結構,切削齒在井底平衡均布,以增大巖石接觸面積( 見圖3(a))。

      圖  3  刀翼式孕鑲金剛石鉆頭改進前后的結構對比

      Figure 3.  Structural comparison of the blade-type impregnated diamond drill bit before and after improvement

      為了能夠適應哈山區塊火山巖地層抗壓強度高、膠結致密、井壁易剝落掉塊的特點,并滿足提高機械鉆速、延長鉆頭使用壽命和防卡的要求,對刀翼式孕鑲金剛石鉆頭進行了以下改進:1)刀翼數量減少為9個(見圖3(b)),刀翼間寬度設計超過2.5 cm;2)進一步強化保徑部分的防卡設計,優化水力流道,將2個刀翼合并為1個,形成寬刀翼排屑槽(有3個比較大的水路從井底連通到外保徑),配合斜傾角彎流道設計,掉落巖塊落入排泄槽可受到向上的推力,從而防止鉆頭被卡死;3)鉆頭保徑部位布設倒劃眼切削齒,使鉆頭在劃眼作業時具有一定的切削能力。

    • 胎體預合金超細粉末材料要求能牢固地燒結,不同材料微觀表面上的原子要相互作用成鍵,成鍵能力越強,燒結越牢固。浸漬合金的選擇遵循以下原則:1)結構對應原則,即合金表面上原子分布有一定對應關系,各有2個或3個未成對電子;2)共價成鍵原理,不同合金未成對電子互相配對形成結構穩定的共價鍵;3)低熔點原則,即在燒結過程中熔融態的浸漬合金保留有序結構,與金剛石晶面充分接觸并實現化學冶金結合,同時所選擇的浸漬合金在燒結時對金剛石的浸蝕作用盡量小。

      通過多次鉆頭燒結試驗,獲得了新型預合金胎體材料的最佳燒結溫度,此時金剛石與胎體粉末不發生化學反應,胎體中的金剛石石墨化程度小,依然呈黃亮色(見圖4(a)),鉆進時金剛石顆粒能夠保持良好的切削性能。由預合金粉末掃描電鏡圖(見圖4(b))可以看出,粉末顆粒中包孕了預合金粉末的多種金屬材料,胎體中各元素分布均勻、合金化程度高,未出現粉末元素機械混合偏析現象,胎體的力學性能得到了很大改善,強度提高30%~50%。

      圖  4  金剛石鉆頭晶體形貌和胎體粉末掃描電鏡圖

      Figure 4.  Crystal morphology of diamond bit and scanning electron micrograph of matrix powder

    • 為了提高刀翼式孕鑲金剛石鉆頭的綜合性能,對其進行了整體設計。針對哈山區塊火山巖的強研磨特性,增大了金剛石顆粒含量和工作層厚度,以提高鉆頭進尺、延長使用壽命。胎體上二次鑲焊切削齒,設計為“表鑲層+孕鑲層”,表層為天然金剛石顆粒,內層為胎體中添加高品級人造金剛石單晶的孕鑲層。表層天然金剛石消耗完后,孕鑲層胎體可繼續工作,增大鉆頭進尺。鉆頭中心線速度比較低、耐磨性差,利用復合片耐磨性高、抗沖擊韌性好的特點,在鉆頭中心部位進行非干涉式偏心布齒,增強鉆頭中心部位的抗磨性,從而實現鉆頭工作面整體均勻磨損。

    • 哈山101井上部井段采用氣體鉆井技術,鉆速較高[10],但三開?215.9 mm井段鉆至井深2 977.65 m時發生燃爆,形成了大肚子井眼,于是轉換為轉盤鉆井方式,單只牙輪鉆頭進尺10.72 m,機械鉆速僅為0.35 m/h,鉆井過程中掉塊較多,蹩跳鉆頻繁。為提高該井火山巖地層鉆井效率,應用了“刀翼式孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿鉆具”的提速技術,單只鉆頭進尺和機械鉆速大幅度提高。

    • 鉆具組合為:?215.9 mm刀翼式孕鑲金剛石鉆頭+隨鉆打撈杯+?172.0 mm高速螺桿鉆具+單流閥+減振器+?158.8 mm鉆鋌×17根+隨鉆上下震擊器+?158.8 mm鉆鋌×2根+?127.0 mm加重鉆桿×14根+?127.0 mm鉆桿。

      鉆井參數為:鉆壓60~80 kN,排量30 L/s,轉盤轉速30~50 r/min,泵壓22 MPa,高速螺桿鉆具輸出轉速500 r/min。

    • 上部井段采取的防掉塊卡鉆技術措施為:1)采用加長高速螺桿鉆具,提高工作扭矩,以防憋停;2)鉆具組合中加入減振器防止跳鉆,去掉穩定器,盡可能降低卡鉆風險;3)鉆具組合中加入隨鉆上下震擊器,提高處理井下復雜情況的能力;4)提高鉆井液的抑制防塌封堵性能,采用強觸變鉆井液(塑性黏度大于35 mPa·s),間斷泵入稠漿塞清洗攜巖。

    • 鉆具組合下鉆至井深3 415.00 m(距井底120.00 m)時遇阻嚴重,鉆壓10~30 kN劃眼,用時3 h僅下鉆10.00 m。分析認為,上部井段鉆頭磨損嚴重,井徑縮小0.9 mm左右,于是增大鉆壓劃眼,以不超過螺桿額定工作泵壓為限,6 h后下鉆至井底。

      劃眼到井底后采用遞增鉆壓造型,鉆井參數為:鉆壓20~40 kN,轉盤轉速30 r/min,排量 30 L/s,立壓21 MPa;造型后正常鉆進時的鉆井參數為:鉆壓60~80 kN,轉盤轉速30~50 r/min,排量 30 L/s,立壓22 MPa。

      鉆至井深3 592.00 m后起鉆,高速螺桿鉆具工作時間120 h,起出的鉆頭冠部磨損2~3 mm、保徑無磨損縮徑,出井新度評價80%。單只孕鑲金剛石鉆頭進尺相當于5只牙輪鉆頭,機械鉆速提高54.3%,行程鉆速提高115.0%,為此下部井段繼續應用該技術鉆進,應用效果見表3

      序號鉆進井段/
      m
      進尺/
      m
      鉆速/
      (m·h–1
      排量/
      (L·s–1
      轉盤轉速/
      (r·min–1
      螺桿轉速/
      (r·min–1
      泵壓/
      MPa
      鉆壓/
      kN
      備注
      13 539.50~3 592.0052.500.543030~5050022.060~70螺桿到壽命后起鉆
      23 592.00~3 639.8947.890.443030~5050022.570~80泵壓升高后起鉆
      33 814.10~3 848.5234.420.423030~5050023.080~100鉆速變慢后起鉆

      表 3  刀翼式孕鑲金剛石鉆頭應用技術數據

      Table 3.  Technical data of blade-type impregnated diamond bit

    • 1)哈山區塊火山巖地層巖性致密、強度高、硬度大,可鉆性差,常規鉆井方式鉆速慢、鉆頭進尺少,“刀翼式孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿鉆具”提速技術應用獲得成功,成為鉆井提速的有效手段。

      2)通過改進孕鑲金剛石鉆頭胎體材料的耐磨性,增大了單只鉆頭進尺,延長了鉆頭使用壽命;采用刀翼式結構,提高了鉆頭的防卡能力。

      3)哈山區塊火山巖地層穩定性差,應輔以簡化鉆具組合、穩定鉆頭工況和提高鉆井液防塌抑制性等配套安全鉆井技術措施,最大限度地減少井下復雜情況,降低鉆井風險。

      4)預合金鉆頭胎體材料的耐磨性得到了檢驗,但如何提高孕鑲層金剛石出刃速度、增強刀翼式孕鑲金剛石鉆頭在各種工況下的穩定性,需要進行進一步研究。

參考文獻 (10)

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