低水马力和高钻井效率的PDC钻头.pdf

引 言 根 据 钻 井 记 录 美 国落 山矶 地 区 ， 自 I 9 9 2年 1月 以来在科 罗拉多州 We l d县 已经 完成了 4 0 2 3口井， 这里是科罗拉多 中西部丹 佛一朱利斯堡盆地天然气远景区的中心地带 。 一 般的丹一朱盆地井是致密砂岩产气 ， 经济上 勉强合算。 这些井一般先用清水钻到 N i o b r a r a 岩层的顶酃， 然后用淡水和凝胶聚合物泥浆钻 完井深 。这些井钻入 C o d e l l 层 1 2 O ～1 5 0 { t 完 井 ， 平均垂或井探 7 5 0 0 { t 。 圈 1 4个喷畴的 M3 2 3钻头 钻这些井的钻机能力为 8 0 0 0 9 0 0 0 f t 。 大 陈晓 梅译 夏 月柬摘校 多数钻机配有独立驱动的 5 0 0马力大功率泵 ， 传递到钻头的流量达 3 3 0 3 5 0 g p m。 直到最近 丹 一朱盆地 井上仍 使用 5 缸套 ， 最大许用 泵压为 1 6 0 0 p s i 。 在这一地 区使用的大多数 P D C钻头用低 速 大扭矩泥浆马达 转子／ 定子一7 8 驱动 ， 平均钻头转速 1 8 0 r p m。在 M3 2 3多水眼 P D C 钻头投入使用 前 ， 泥浆马达的高转速进一步 加剧了钻头泥包 ， 严重影响了该地 区的钻井速 度 。另外 ， 不断的钻头泥包 限制了泥浆马达优 势的充分发挥 由于该盆地的井处在经挤边际条 件 一 ． 可 采储量仅 为当量原油 2 ， 5 0 0 0 4 0 ， 0 0 0桶 ， 故 对现行气价非常敏感 。因此减少钻井费 ． 特 别是每英尺钻井成本是非常重要的。 由于钻机 泵压的限制， 早期井的机械钻速和每英尺钻井 成本不是最优的。 为避免把大量资金用于增加 泵的尺寸 ， 重点转为改进钻头 更好地利用已 有 的水马力 。 为此， 承包商和钻头厂联合进 行了钻头开 发， 主要 目标是降低 N i o b r a r a ／ c o d e l l 井的每尺 成本 。 因为构成钻井成本的主要因素是钻机使 用费和钻头成本 ， 故联合 开发 ， 力求 最低的 钻头成本获得最高的机械钻速 。 结果开发 出 I AD C M3 2 3 7 ％ 多水眼 P D C 钻头， 后又推出 6 同类钻头 。 Z爱 ／ 维普资讯 3 0 国外钻井技术 第十二卷1 9 9 7年 第 1 期 图 2 5个 喷嘴的 M3 2 3钻头 水道 图 3 多水 眼 M3 2 3 钻头的流动模式 开发计划 众所周知， 水 力在 P D C钻头的有效 作业 中发挥重要作用 水力不合理， 则钻头泥包 、 井 底淤泥和过早的钻头磨损都会严重影响钻井 进程 。因此， 适当控制钻头水力因素对于提高 机械钻速降低钻井成本具有重要意义。 在多水眼 P D C钻头开发计划初期 ， 确定 了用早期的钻头 钻 C o d e | l ／ Ni o b h r a r a井 ， 是 由 于不 良的钻头清洗阻碍 了机械 钻速的提高 进 一 步分析显示钻头清洗作用与流量密切相关 ， 而不能将大部分有效功率直接用于井底。 因此 研究集 中于流量方面 。 增加缸套尺寸 英寸 来增加 流量在一 定程度上降低了钻头泥包， 但有救地消除钻头 泥包 ， 关键在于全面优化钻井过程 。 开始开 设计的钻头安装 了 4或 5个水 眼， 钻头 性能亦依次提高 ； 因此可以肯定在这 种情况下喷嘴的位置和分布对泥包趋势和钻 头的综合性 能具有 巨大影响 。 用安装了 4或 5 个水眼的钻头钻井表明 ， 瞬时机械钻速令人惊喜， 但 由于不断的钻头泥 包 ， 高的钻井速度不能持久 。要想保持高的瞬 时机械钻速 ， 必须消除钻头泥包 。同时， 5个喷 嘴的钻头 比4个喷嘴的钻头泥色差、 钻井效率 高 ， 可以肯定 ， 如果使射流作用在整个钻头 底 面会更有效， 钻井效率会进一步提高 传统上常将水力的最大作用 面冲洗钻头 运动的前部井底 。对于牙轮钻头 ， 将高 的水力 冲 向切 削结构 会 加速 齿的 磨损 但 对 眙体 P D C钻头不存在这样的问题 。 近期对牙轮钻头在页岩层的研究证实 在 低 比水马力情况 下将喷嘴靠近底部安放， 将射 流作 用限制在较 小的区域， 确实 有损钻 头性 能 。引入多水艰设计前 ， 丹一朱盆地用于钻头 的 比水马力约为 1 ． 3 HS I 马力／ 英寸 ， 可 以 肯定直接冲洗井嚆不能消除钻头泥包 。 因此多 水眼 P D C钻头开发过程集中于选择喷嘴位置 使流体直接冲洗钻头齿 。 M3 2 3多水眼设计 多水眼钻头有 5 个刀片， 用 3 ／ 4 硬 质台金 作边齿 ， 防止过早碎裂 这些钻头齿的特点是 延长了边倒角增强 了金刚石层抗冲蚀的能力。 这种特殊的结构使钻头在整个行程中齿更锋 维普资讯 国外钻井技术 3 l 9 4 1 厂] i { l } 口 0 0． 7 机檀钻建 丑 圈圈 2 进 尺 ■■ 3 总进尺 图 4 4 喷嘴 1 、 s 喷嚏 2 和多水眼 3 钻头的性能比较 M3 2 3 4 _ _ 曩嚼 ， ． ． 。 _l_ ．八 ＼ II ． ． ， ⋯ _ V 。 ． 图 5 比功与时阿的关 系 利， 平均机械钻速更高 另外 ， 多水眼钻头齿的HS I降低到 0 ． 4 HS I 。4和 5喷嘴钻头 在1 ． 3 后倾角从 中心的 2 0 。 逐渐 增加 ， 5 个 1 ／ 2 径H S I时的平均机械钻速为 9 8 ． 1 f t ／ h ， 而 M3 2 3 齿的后颂角达到 3 0 。 多水眼钻 头在 0 ． 4 HS I 比水马力下的平均机 图 1 、 2是 7 I AD C M3 2 3多 水眼设计械钻速为 i 0 0 ． 7 f t ／ h 。 水力结构与同样尺寸类型 4 和 5喷嘴钻头的 具有凹槽的胎体 图 3 由于提供 了大 的 比较 。 中心喷嘴起到主流作用。 通过多水眼的排屑槽也优化了钻头清洗 。 这样也增加 了{ 氐 压 流体直接冲洗各个齿 。过流面积几乎加倍 ， 从面积 ， 因而有利于岩屑从钻头表面移出 。 0 7 5平方英寸增加到 1 ． 2平方英寸 ， 减小 了 钻头的压力降 因此允许较高的流量 。 钻头部 位仅用 5 的有救泵压， 在钻头面上便产生了 更好 的流体分布和流向， 消除了整体的钻头泥 包 。 M3 2 3 多水眼设计将有效比水马力从1 ． 2 钻井结果 图 4是 M3 2 3多水眼钻头的综合性能 井 3 与早期两种相应 4和 5喷嘴钻头 井 1 、 2 的比较 高的钻井效率 低钻压和低比功 使钻 头寿命显著增加。 钻头寿命的惊人提高起困于 一 [ 二 U ～ _ 一 I 维普资讯 3 2 国外莹 占 井挠术 第十二卷1 9 9 7 年第 1 期 硬 质合金边齿和 较低钻压 从 1 8 0 0 0 1 b f 降 到 8 0 o 0 lb f g 以及更均匀钻头齿磨损 一l胄多水 、 眼钻头进尺 1 0 3 0 2 9 f t 后 ， 钻头没有破裂齿 ， 且 磨 损 甚微 。通 过 维 修， 钻 头 的 总进尺 达 到 比 功 在旋转钻井中 ， 比功定义为钻进给定井段 岩石需用的能 。用公式表达为 E WOB／ AB l 2 0 r , NT／ AjJ OP 式中 E 比功 ， p s i ； WOB钻压， l b f ／ f t ； A 井眼面积 ， i n ； Ⅳ 转速 ， r ／ mi ； 、 丁钻头扭矩 ， l b f f t ； R O P机械钻速 ， f t ／ h 。 图 5显示 M3 2 3 P D C钻 头的每一次 改进 平均 比功依次降低 。 最小平均比功是多水服设 计。比功降低换算成实际用功减l， j 、 使钻头齿 磨损减慢。在增加钻头寿命的同时 降低比功 增加马达寿命和降低燃料成本。 经济影响 随着 P D C钻 头的不断改进 ， 丹 一朱 盆地 井的每英尺成本稳定降低 在 M3 2 3的第一次 设计和多水眼设计之间， 平均每英尺成本已降 低 1 1 。 与I ADCM3 3 2 P D C钻头相 比， M3 2 3 多水眼钻头的每英尺成本下降更为显著， 达到 2 O 。原来 7 天钻完的井现在只需 4 ． 5天。 结 论 I AD C M3 2 3多水眼钻头使钻 井效率和经 济效益显著提高。 M3 2 3多水暇钻头开发计划 使人们对 P D C钻头 水力有了更深入的理解 。 在一些低水力能量和不 良的钻头清洗限涮机 械钻速的地方 ， 可将水流从井底移到钻头表面 消除钻头泥包。 配合新的水力结构开发 的硬质 台金边齿极大地增加了钻头进尺 。 译 自I ADC S P E 3 5 1 0 9 上接 封 口 防喷器撞{ ； I 蕾钱装反尽管看来似乎很 不可能， 但却曾发生过几次防喷器控制管线装 反。显然， 这必然是在组装这管线后没有进行 防喷器组的压力或功能试验 也许有人认为在 该处试压是不必要的 ， 但至少应该进行功能试 验 。 在钻杆敞开下关翅环空如果在发 生溢 流时钻杆是敞开的情况下关闭环空， 经由钻杆 外溢 的流体能造成难于或不可能接上安全阀。 应该在关闭防喷器之前接上安全阀并打开。 这 进而强调 以上讨论的为了迅速关 闭而装上安 全阀。 其它错误引起井喷的几 种情况列举于 下。这些都明显地没遵循 良好的做法 ， 因此不 必作补充注释。 1 钻秆闸板尺寸不对 2 注水泥返过防喷器组 3 过油管对套管射孔时由防溅盒接出的 管线上没有装阀 4 钻井液不返出和井内液面下降情况下 继 续 起钻 5 钻井液不返出情况下继续钻浅气层 联邦的要求是广泛进行井控培训 ， 而州的 要求却是最低限度。 虽然许 多石油公司和钻井 承包商都建立了内部的学校或把人员送往大 学、 泥浆公 司或非公开经营的学校 ， 但仍有一 些未曾受过井控培训的钻 井监督在作业。因 此 ， J州的要求应该加强 。 欠平衡钻井的普遍实践把井控推 向新 的 领域 ， 有意违反一般的井控原理来钻产量更高 的井。 这井不意味着这种钻井应该停 止。 在系 统的井控方法发 展起来以前 ， 长久以来钻了好 几千 口常规的井。然而 ， 在欠平衡条件下钻 井 要求对设备和过程具有更高水平 的知识 ， 而现 在只是从经验中认识 。据作者所知， 没有学校 也没有井控模拟装置是为了教授欠平衡钻 井 的。也许今后应该增设 。 译 自 Wo r l d0 i 1 1 9 9 6年 l O月号 维普资讯