新型PDC钻头在阿根廷钻井中的性能优化.pdf

30 嗽锻 删‘ ⑦ 国外钻井技术 第十二卷1 9 9 7 年 第 s期 0 一 弓 Z 新 型 PDC 钻 头 在 阿 根 钻 井 中 的 性 能 优 化 A． B． s s o n 等著 概 述 在阿根 廷西 北部使 用 P DC钻头 没有 或 功， 这里的岩性呈现出两部分特征， 第一部分 主要 由交替 的砂页岩及伴 随着点状的夹层砾 石组成 第二部分由厚页岩和薄层的胶结砂岩 并伴随交替的石灰岩组成。尽管 P D C钻头在 上部岩层钻进正常 ， 但遇到致密的砂岩和石灰 岩时就过早的失效了 牙轮钻头性能通常在 6 ～ 7 m／ “ h之间， 并且进尺约为 3 6 0 m。钻第二部 分 的地层大 约需 5 ～6个牙轮钻头 ， 费 时 2 2 0 小时。 I 八新一 代 P D C钻 头后， 钻速提高 3 倍 ， 并且进尺增加 5倍 。 本篇论 文描述 了这种使用方法 ， 并且介绍 了服务公司与作业者之间 良好合作关系的重 要性 ； 良好 的通讯水平 的有效性 ； 以及对相互 技 术 了解 的 重要 性 ； 同样 对 双 方 使 用 最新 P D C钻 头技 术的 明确任 务快速 共识 的重要 性 其 中 P DC钻头的技术包括 能够保证人造金刚石切削齿的质量。 根据 3 一D软件布置切削齿 ， 并且加 应 用 。 使用 C F D码来达到最优清洗与冷却钻 头 。 控制振动减少刃齿的迥旋等不足。 首次实验中每井减少成本在 2 0 万美元左 右。 使用良好的技术和优化参数后减少 的费用 在 3 5万美元 上 。 D B 廷 ．． 、 』 地层评价 V 李金松译 韦忠 良校 地质评价 的结果 应该 归功于地质部门与 钻井队的团结和富有成效的工作 。 对可能遇到 的不同地层 的岩性 p 』 及特征都做 了系统 的分 析与讨论。 建立了一个 同预期相 同的精确地层 视图 。 首先应根据各种井的相似深 度来评 佶所 遇到的地层， 由此得到一系列地层视图 ， 这对 于优化钻井来说是一个乐观的关键性 因素 钻 头的选择就比较容易而且更有利于钻 井 同时 评估主要的测井仪器如声波测井仪器 、 放射线 测井仪等 ， 并使用它们 在不 同的岩性 段探测 P D C钻头或牙轮钻头是否适用。 上部地层 从 3 5 0 m处的 7 管鞋到 1 2 0 0 m 之间 主要 由大粒砾岩和石灰岩组成并夹杂着 页岩。在大多数的 6 英寸井段 ， 声波测井的 传播速度超过 了 7 0 ff s e c ／ f t 这些数字 暗示着 使用 P D C钻头有潜在 的合理性 。仅有极少数 的情况呈现出在 5 0到 5 5 ff s e e ／ { t的速度有可 能有较大的振动 。 在地 层的评 估 中显 示极少有 隧石 、 黄铁 矿 、 石英 岩所组成的地层 。 这些因素暗示着使用 P D C钻头在该地 区 有 良好的适用性 。可 预测 ， P D C钻头可 在 整个井段中钻进 ， 为 了达 到这个性 能未来 的 P D C钻头应具备 p 』下特征 1 使用特殊的切削齿来提高钻头寿命 ； 2 采用最新的减振技术来保证钻头的稳 定性 ； 维普资讯 菖再生 占 井技术 3 1 3 使用新型的水力方式来避免在研磨性 地层中出现重复切削现象 。 对每类磨损钻头 ， 把以前操作者的钻头记 录和钻头公司的给定数据都放在一起评估 ， 并 交互检查 第一 口井用标准的牙轮钻头钻成。 分析磨 损钻头， 虽然没有发现齿折断 的现象 ， 但典型的磨损方式证实地层的坚硬是显著的。 已经取得的数据也证明了这点。 于是一些人尝 试着使用 P D C钻头 ， 但是失败了。 钻这种地层应该不成问题 ， 只要参量控制 的好， 在钻遇石灰岩时也会成功。 切 削齿技术 P D C钻头在 7 o年代中期开始进入市场。 标准的切削齿在最初用平的金刚石面 ， 但当这 些齿磨损时 ， 由于金刚石面与硬质合金面的接 触面是平的 ， 在硬质合金与金刚石层的热量释 放时 ， 使切削齿发生热力学损坏， 并且进一步 引起了硬质合金相对于金刚石的高磨速。 这导 致 了金刚石层缺少硬质合金的支撑而容易折 断。 新型金刚石的发展减少了这种磨损 。 这种 新齿被称为爪式切削齿， 金刚石含量也相对标 准齿大大增加了。 进一步提高切削齿技术的方法是增加金 刚石的厚度 ， 以减轻硬质合金的磨损， 但是这 是不可能的 ， 因为厚的金刚石层在烧结的过程 中由于高温高压的存在会导致内应力的增加 。 因此又发展了一种切削齿， 它的爪周围用 一 串金 刚石环绕 ， 避免在金剐石层 出现高应 力。 这种方法不仅使切削齿的刃部有了高的金 刚石含量， 而且延缓了硬质合金层的磨损。 为 了证实这种改进的效果 ， 在巴黎做了一 个实验 ， 在一个稳定的实验机上研磨一个高耐 磨性的多晶体岩石。 本次实验没有采用冷却措 施 ， 为的是加速磨损过程与减少磨损时间。图 1 显示出了平的与爪式的切削齿的磨损结果 。 我们 已监测 了相对于进尺而磨损掉 了的 金刚石的数量。 切削速度在 2米／ 秒的范围内。 实验中的比能一直在记录着， 目的是为了监测 实验 中岩石的非均匀性 。 在不同转速下的切削 深度也在不断的记录着。 从而可以看 出， 在本次实验条件下 ， 标准 齿与串爪式齿的性能相差两倍 。 油 田实验也证 实了实验室实验的正确性 。 这就是为什么这种 齿形能够应用于实际中的原因。 E 壬 g 歪 曲 J一 2 3 a。 L o 口 ， 口 口 贰 钻 摊 千 米 图 1 平的、 串爪式切 削齿 1一平齿 { z 一瓜式齿 ； 3 ～ 串爪式齿 钻头设计 1 ． 钻头选择 在实际应用中特别设计 的钻头有 一个窄 的内锥体 ， 并且剖面是短抛物线型， 钻头有 1 5 个直径为 1 5毫米的切剖齿 ， 分布在 5 个筏螺 线状的刀翼上。 P D C的覆盖 量从 4 7 到 1 0 0 变 动， 平 均值为 7 7 。 钻头的性能用 3 D软件模拟 。 在 2 5 k P a抗 压强度的石灰岩 中， 在钻压为 4 0吨的情况下， 钻速为每小时 3 0英尺 ， 钻进过程早稳 。 不稳定 的力小于钻压的 5 ％。 P D C钻头切削过的岩石 面， 从中心 向外 呈现出一个光滑的抛物面。 在切削力作用下或 者在每转中岩石被切削下来的时候 ， 发现没有 尖峰状的突起 。 2 ． 振动 为了减步横向振动， 刃翼与保径块都已做 成螺线状 ， 并对保径块装上了保护层 。 在 3 D动力模拟软件中， 已使用了旋转方 式， 结果显示 良好 的稳定性 。在 旋转 频率为 1 0 I - l z在 2 5 k P a 抗压强度的石灰岩中， 偏移量 为 3 mm， 不平衡的力不超过钻压的 2 0 。 维普资讯 3 2 国外钻井技术 第十二卷1 9 9 7 年 第 5 期 为了将来的应用 ， 将 在钻头结构上加以改 进 ， 以提 高钻头的稳定性 。 3 ．水力措施 在 3 D 软件 中 ， 数 字模 拟 已经使用 C F D 编码解决 了整个状态 的稳定性 及交替变化 的 Ns方程 这是一个层流和紊流结合的 一e 模型 。 ． 整个三维 图形均来 自 C A D系统 ， 目的是 进行流场分布的分析 ， 获得 最优的位置 点， 以 消除不必要 的二次破碎及岩石完全没有破碎 的情况 。 模拟参数 为排量 1 2 0 0升／ 分， 喷嘴直径为 常规钻头的三倍 ， 整个流 场面 积为 0 ． 3 5米 。 边界条件 为出口水道 的压力恒定。 即没有压力 梯度的变化 。 三维图展示了流体完全环绕钻头， 没有重 复循环 的现象 。 在 每个水道的相 互交织部分有 良好 的速 度分布 ， 仅在中心有极小的重复的循环 这是 由于泵对喷嘴底部产生了影响， 但水道之间没 有大的交叉。 为了在短时间内评佶清除微粒的效果， 在 钻头的面部放入了模拟的微粒。 三维图的俯视图展示了从三个喷嘴中流 出的流 体 良好 的分 布状态 ， 但有三个优选方 位 。下一代钻头一个水道将仅有一个喷嘴 现在钻 头已经建立了分散的喷嘴， 解决了 以前的冲蚀 问题 。 现场运行结果 1 ．钻井参数 钻井测试 已在每个主要地层的钻井中执 行 了。 这使得参数的优化成为可能。 为了这个 目的 ， 钻头公司的代表亲 自在现绣 获得第一 手的资料。 操作者与钻头公司在滴试结束后立 即解决在实际中可能出现的实际问题。 这更加 有助 于钻头的改进 2 ． 流动速率与总流动面积 。。 在 6 ． 1 2 5英寸 的井段的流量为 1 0 0 t 升／ 分 的范围内。流动面积为 0 4 ～0 ． 6英寸 。 3 ．硬石灰岩与软 石灰岩／ 硬石灰岩与硬 石灰岩／ 软硬交错的地层 非均质 的岩层 易破坏 P D C钻头 ， 在 大多 数时间里， 早期的对切削齿结构的破坏是 由于 在软 硬交错 的界 面或硬软 交错 的界面引起 的 振动造成的 两年前 ， P D C钻头已作 了重大的 改进， 克服了这个缺点 。 P DC钻头现在更不容 易在钻此类地层时损坏了 。 这主要是在钻头结 构上采用了减搌技术。除此之外 ， 选择了更合 适的钻井参数来减少振动的可能。 具体使用如 下 当遇到夹层时， 转速减到 6 o 转／ 分左右， 钻 压在大约 1 o分钟内降下来 ， 然后再缓慢增加 至正常。当扭矩 与钻速没 有显示 出地层改变 时， 这些参数要保持恒定。当钻头将要进入下 一 层而离开上一层时， 钻压要尽可能的减少， 离开后， 所有的参数都 应回到在钻井测试中所 制订的最优参数上 4 ． 结果 大约有 2 o个 P DC钻头在油 田应用效果 良好 。 有几个钻头甚至在不同的井中可以重复 使用。这得出了一十显著的结论 每个钻头平 均钻井 t 4 0 0 m， 二个钻头钻井超过 2 0 0 0 m； 平 均钻速接近 2 0 m／ h ， 在上部地层达到 5 0 m／ h ． 但在下部硬地层减到 1 5 m／ h 大多数钻头在 井段结束或者在取心点处被取出 每英尺成本显著的减少， 相比于以前的井 减少到 5 o ～8 O美元／ 米 所有实验的钻头全部成功 。 _ 结 论 良好的合作关系不仅发展了新一代钻头 的设计 ， 而且提高了钻进过程 ， 使 R O P与钻头 寿命增加。 特殊的合作关系允许尽可能 的在切削齿 上使用新技术 。 在现在钻头设计 中盼水力参数 设计是难 以在常规操作下得以完善的 总体表现远远超过了预期的结果。 总的钻 井时间 巨大 的减少 ， 节约成本每井 3 5万美元 译 自 S PE 3 5 3 维普资讯