单牙轮钻头可提高小井眼钻井效率.pdf

冀 瓣 ii；i ；i 躲慕 ⑥ 毛 一 吣 单 牙 轮 钻 头 可 提 高 小 井 目 艮钻 J a me s W ．L a n g f o r d J r 著 } 百 单牙轮钻头 已进化 成 一种 在各 种 地层 都 能进行小井眼钻井 井能降低成本 的有 效工具 。 钻头的工程设 计 由几 家重 要 作业者 ，钻井 承 包商及钻头制造厂家合 作完成 。 由 RBI ⋯ G e a r h r t开 发 的特 种“ 中 心 ” 钻头 ，是为海 洋钻井 计 划 进行海 底科 学取 心 制造的。它 已发展成 为一种 非 常有 效 的油 气 钻井 中钻小井 眼的钻头。 单牙轮在 油 田的发展 第一个单牙轮样 品钻 头是 L D C 6 2 7 ，4 D5 ，它是为 中硬 地层设 计 的。其设 计 目的是 在小钻头上 使用 较少 但较 大 的部 件 ，以提 高 相对于普 通 三 牙 轮 小 钻头 的可 靠 性 与 寿 命 。 这种 钻头 的牙轮类 似于 用在 普通 三牙 轮钻 头 上的牙轮 。与 三牙 轮 钻头相 比 ，此钻 头包 括 两个喷嘴 的水 艰 ，以便 从 近处 把钻 井液 导 向 井底 。此钻 头有一 种 围绕 钻头 中心旋转 的趋 势 因而 ，水眼从 外 向里严 重 磨损 而 钻头 效 率 由于 钻头的偏心旋转而低于 希望 的水平 。 基 于钻井 的特点及第一 只 4 D5钻头磨 损情 况 ，为 Vn i o n P a c i p i c R e s o u r c e s公司设计 井 效 率 丁 E 译 了一只新 的 I AD 4 F，4 C 3 7的 单 牙 轮钻 头。这 只钻 头使 用空 气循 环 ，其 牙 轮形 状不 同于普通 牙 轮形 状 ，它是 一个 全 球 形 牙 轮 ， 喷咀缩 短 以便 让 这个 较 大 的 牙 轮 覆 盖 井 底 。 试验证 明 ，C 3 7要 比样 品 钻 头 的 性 能好 ，但 钻速还 比三 牙轮钻 头所钻的 同类 井低 为 了提 高钻 速在下 一 个样 品钻 头上 进 行 了一些设计 上 的改 进 ，改 进包 括 把最 外 圈 的园顶齿 改 为较长 的延 伸 锐 利锒 嵌 齿 ，牙 轮 上增加 了三条 螺旋 槽 或 以便让 钻 屑通 过 。减 少 了牙轮锥 顶各 圈锒嵌 齿与井 底的接 触 。 经 过 改 进 的 钻 头 就 是 I A DC 5 2 7，4 B 2 7 ，在 得 州 Oz o n a附 近 的 VP R E 进行 了现 场试验 ，钻 头 良好地 连续钻 到 了 C 1 南r k地 层 ，大 约 3 3 0 0暝 。此 后 ，钻速下 降变 得没规 律 。由于 钻 头不 能 维 持 良好 钻 速 ，钻 井 l ， 8 6 8口尺后 起 出 钻 头 ，在最 里 边 两 圈 切削 锒 嵌 齿上磨损 出 大 的平 面 。钻 速是 增 加 了 ，但 由 于锒嵌齿 严重磨损 ，钻速不 能维持 。 为了延长 碳化 钨锒 嵌 齿 的 寿命 ，把 以前 钻头上两 圈严 重 磨损 的锒嵌 齿 换上 更 硬 ，更 耐磨 的锒 嵌 齿 ，钻 头 仍是 4 t 3 2 7 。 锒嵌 齿 冠 的半径 改小 以增 加尖锐 程度 。 钻头在 3 6 小时 内钻 了 l ，9 3 3暝 ，钻头上所用 能量 少于 T 维普资讯 3 7 以前的钻头 。这 种钻头在 C l e a r f o r k地层 也 降 低 了钻 速 ，这 表示 锒 嵌 齿 可 能 又 磨 损 严 重 ， 但 钻头 的磨损级 别是“ l ， ，或更好些 ，这表示 只有轻微磨 损 。钻 速 的变化 是 由于 地层 变 化 而不 是 因为锒嵌 齿 变钝 。钻 头装 在 采油 管 柱 上下 人井 内 ，但 由于扭 矩 限制妨 碍 了钻压 在 这个 层段 的 增加 。未来 的设 计应 改进 锒嵌 齿 磨损 包括在 钻头 里两 圈锒嵌齿 上使 用 高级 金 刚石和 园顶碳 化钨锒嵌齿 以提高耐磨 性。 实验 室试 验 理解单牙轮 钻 头操 作特性 的 下一 步是 让 钻头在 实验 室条 件 下进行 试 验。 为此 ，制 造 了包 括 上 述 各 种 钻 头 改 进 之 处 的4 D 4 U配 ，l A D l 7钻 头。钻 头 试 验 地 点 是 Tu l s a的 A r f l o e o试 验 室 。试 验 的 目的 是 在 钻 C a t o o sa页 岩与 C a r t b a e石灰岩 时定 出作 为 钻压 与转数 函数 的钻速 定量关系。 在 C a r t h a g e石灰岩里 ，4 1 3 4 L R G钻头 的钻速 对钻 压 的反 应要 比对转 数 强 ，这 对于 一 般三 牙轮 钻 头也 是 对 的。4 钻 头 试验 的 转数 与钻 压 分 别 是 6 0 r p m～ 1 5 0 r p m 和 1 0 0 0 磅 ～1 6 0 o 0磅 ，如 图 1所 示 。图 2表 示 在 钻 C a t o o s a页 岩 时作 为钻 压 1 2 0 r p m 恒 定 函 数的钻速 反 应。这 个 试验 结 果 指 出 把 1 5 0 0 0 磅钻压作 为 “ 临界值 ” ，定为 可以接受钻逮 的 钻 压 。 钻建，英尺／ 小时 图 1 4 N 4 L R G钻 头 在 C a r t h a g e 石 灰岩 中钻 速 与转速 、钻压 的关 系 Ar n c x x 实验 室 试验 结 果说 明，单 牙轮 钻 头对 C a t o o sa 页岩及 C a r t h a g e石 灰 岩所 施 加 的钻压厦 应 良好 。一 个合 理 的钻压 可 以得 到 可取的钻速 。在阿拉 斯加 的 普拉 得 霍湾 ，英 国石 油 公 司 在 重 钻 井 内使 用 了 几 只 3 B 3 L RG，I ADC 5 3 7钻头 。钻 井 报告 表 明，钻 头对 操作反 应极好 并 且具 有 良好钻 速 但 钻 头下 井时问 不够长 ，无 法评估 轴 承与 切削结 构的有效寿命 。 取得 的钻 井效率 1 9 8 8年 6月 在阿 曼 靠 近 F a h u d的 Na t h L i me处 的 一 1 2 1 水 平 井 上 ，阿 曼 石 油 开 发 P 亡 l O公 司 使 用 一 只 3 B 1 5 L R GS P， I A D 3 7钻 头 ，钻头 钻 了引 鞋 及 有尾 管 浮 箍 设 备的 1 6 5哏 5 0 m水 泥 ，然后 转 向水平 ， 钻 井 1 0 8 0眠 3 3 0 m ，平 均 钻 速 6 0眠／ i i , 时 ， 1 8 m／ I 1 , 时 ，钻 头起 出后 还很“ 新” ， 可以再用 ，滑 动钻 井 时 ，平 均 钻压 9 0 0 0磅 ， 旋转钻 井 时平 均 钻压 4 5 0 0磅 。转盘 转 数 2 O 至 6 0 r p m，井 下马达 3 6 5 r p m，磨损级别 是 O ／ O N0， A／ E／ I 小 C厂r D。 } DO公 司评 价 钻 头没 有妨碍 小井 眼 马 达 ，与邻近井 相 比 ，还 改进 了操 作 ，提 高 了 钻 速。 邻 近 井 的P DC 钻 头 在1 0 8 0 哏 3 3 0 m井段使小井 眼马达发 生 了 1 0 0 0次 以 上故 障。在阿曼 另一 只 3 B1 5 LR GS P钻 头 下入 了一 口类 似 的水平 井 ，此 钻 头又 重 新使 用了两次。报 告说 ，钻 头仍 然 很新 ，还 可 以 下井 。P 亡 l O公 司将 继续 与 R BI ～Ge a r h a r t合 作 以便进 一步开发用于小井 眼的单牙轮钻 头。 前面大多 数单牙 轮钻 头 都是 用 在 中 一硬 地层 的。在 加 拿 大 ，一 只 4 B 5 F L RGS P． I A DC 6 3 7钻 头钻 了一 段硬 磨蚀 性砂 岩 。钻 头 在 l 6 小 时内钻 了 1 0 5叹 3 2 m 。此钻 头与 两 只 I AD 3 7三牙轮钻头钻 了同样 深度 的硬 磨蚀性砂岩 。 由于 井 下工 具损 坏 而起 出单 牙 轮钻 头。显然 ，单牙轮 砂 不仅 可 以代 替 两 只 三牙轮钻头而且可 以代替 P DC钻 头在小 井眼 的应 用 相 比之 下 ，它 的使 用 特性优 异 ，成 本 较 低 。这 可 以 由 P D O 在 阿 曼 用 的 3 1 3 1 5 L R GS P 钻 头 及 在 加 拿 大 用 的4 1 3 5 7 I ． R GS P钻头试验证 明。 维普资讯 3 8 国 外钻 井技术 第l 4 卷 2 o 0 0 年隶i 嘲 1 5 一{ 1 坩 箍， 小 时加 n 6 3 图 2钻头 4 D4 L RG，钻 速在 1 2 0 r p m 转 速 下与 钻压 变 化的关 系 为 了建立钻 速 与扭矩 对 钻 压的关 系 ，在 实 验 室 里 试 验 了 一 只 6 B 1 5 L RGS P，I AD。 4 3 7钻头 与一 只 4 ” B 2 U ，I AD5 1 7钻 头 。试 验 的 地 层 是 抗 压 强 度 为1 2 0 0 0 至 1 5 0 0 0 p s i 的 B e d f o r d石 灰 岩 。选 择 此 地 层 原 因是不论 那 只钻 头有 了 “ 泥 包”倾 向 ，地层 都会粘 附在牙轮表面并可 能降低钻速。 这些钻 头 转速 为 1 7 0 r p m，泥 浆 为 9磅／ 加仑的的胶凝水基 泥浆 ，塑性粘 度 1 5 ，屈服 点 8 。在 6 ．N 钻头上使用 的流量 为 2 5 0加 仑／ 分 ，在 4 钻头上使用 1 4 7加仑 份 排量。井 底 压 力 维 持 在 1 0 0 0 口 s i 以 上 注意到在岩 石平 整 的表 面 上 ，两 只单 牙 轮钻头很难 启 动。推测 是井 底表 面必 须 符合 单 牙轮 的切削 结构或 者是 在钻 头有效 钻井前 就形成“ 泥包 ” 。为 了试 图使 钻头钻 出起始 的 井底形状 ，钻 压 与转数 两者 都 必须 改 变 ，以 使找到 一 最佳 组合 可 以钻 出所 需 井 底形 状。 钻 出井底形状后 ，增加 钻压 ，转速维 持不变。 不同钻压下 的扭矩 与钻速都记 录下来 。 两次 钻头对钻 速 与扭矩 的反 应 有 明显不 同。6 B 1 5 U S I P钻 头 在 1 5 4 5 0磅 钻 压 ， 1 6 6 6暇磅 扭 矩 时 的 钻 速 5 1暇／ ／ J 、 时 图 4 。在 Ar n o o D公 司协助下 ，从 实验室 试验 中 取得了重要信息，邵改进了单牙轮钻头在软 地层的切 削结 构设计 。单牙 轮钻 头设 计 标准 的许多 改进 ，包括 使切 削结 构能 更有效 地 钻 出井底形状 。在 任何一 种新 设 计里 ，为 了更 有效 地切 削地层 要 添加 指 向井底 的 喷咀并且 应当提高 钻 速。这些 设计变 更会 改进 钻 头 的 清洗能力与钻速。 } 一 饰 尊 ， 一 一 7一 14o050 [ ／／ j 垂 c ／ 瓣l 图 3 6 B1 5 L R ； S P钻 头 在不 同钻 压 时 的钻 速 与扭 矩 图 4 4 g 1 3 3 L R G 在不 同磅 钻压 与 扭矩 下 获得 的钻 速 总结及 未来方 向 在钻平衡 与天 平衡井 时在石 灰 岩 与硬 砂 岩地 层内 已获 得 较好 的特 性 。但 单 牙轮 钻 头 的开发 远未完 成 。每一次 的应 用 与实 验 室试 验都增加 了有关 的知 识 。这 些知 识 可用 来改 进钻 头设 计 与操 作参数 。通 过这 种不 断 改进 使褥 单 牙轮 钻头在 降低 钻井 成本方 面 获得 成 功 。由于 P D o 与 Amo c o公 司 的 合作 ，帮 助 试验钻头并对一些基 本改进提供信 息 ，因此 ． 开发单牙轮钻 头应 用于小 井 眼的工作 将继续 与小直径三 牙 轮钻头 及 固定 齿 的钻 头 相 比 ，单 牙轮钻头 在小井 眼方 面有 下列 潜 在优 点 1 ． 在 制造上采用 了与制造 较 大直 径止推 轴承 马达用钻 头 的已成熟 的同样技术 。 2． 与同尺寸三 牙轮钻 头相 比，单 牙轮 钻 头的牙轮较大 ，轴承也大 。 下转第 6 2页 维普资讯 国外 钻井 技术 第 】 4 卷2 O 0 0年 第 1期 曲线 ，两条直 线 斜 率分 别 为 ml 1 2 0 p s i ／ c y d e ，m2 4 5 5 p s i ／ c y c l e 。关 井钻 杆压力 截距 为 3 3 0 O ff，即 P ． 一P h 3 3 0 p s i ，静 水 压 力 P h 0 ． 0 5 21 0 ． 48 4 0 04 5 4 2 p s i ，为平 衡地 层 ， 实际钻井液密度应为 P 1 5． 9 p p g0 0 5 2 1 1 4 1 1 一 ． 一⋯ ⋯⋯ 3 3 ～ 、 ． 、 ’＼ l 砉 圈时间 图 7关井 钻 扦压 力与 绘图 时 问曲线 实例 4 地层流体 当量流量 为 { _ 8 IO 0 0 B ／ D1 8 ／ 6 O ⋯⋯⋯ 3 4 因此 ，地层 的水平产 能系数为 盟2 1 9 ．5 8 0 0 0 1． 0／ 1 2 0 1 4 ， 6 3 3 md 一 ／ c O⋯⋯ 3 5 垂直导水率 单位地层厚 度 约 为 旦一 1 Q Q t g - ／ 一0． 0 4 。 L ” l 一 2 ． 51 0 一mdf t ／ ⋯⋯ 3 6 分 析在 图 7中 ，第 二条直 线的数 据 点 发生漂移 在压 力恢 复的后期 ，是 由于浮力 效应使较轻 的钻井液运移引起 的 ，换句话说 ， 在地面记录 的压 力 有误 ，如果 将最 后记 录的 关井钻杆 压力作 为 稳定压 力 ，就会 导致 当量 钻井液密度 过高。对储层压力 如果估计过高 ， 在压井过程 中就 会 导致严 重 后果 。发现 溢 流 为盐水 ，用 1 1 ． 1 p p g的压井液将溢 流循 环出 ， 该值与计算 的钻井液密度相符 。 结 论 本 文提供 的方法 可 以准 确 计算 出稳 定 关 井钻杆压 力 、地层 孔 隙压 力 、以及 为达 到 理 想的压力平衡 过平衡 的钻 井液密度 。 若在 压力恢 复 时 收集 到 足够 的数 据 ，就 可 以确定溢 流地 层 的导水 性和 可能 的定 向渗 透率 ，该估计 值有很 大的实 际应 用价值 。 压力恢复分 析方 法 类似 于 井 内液 面恒 速 下降试验 。关 井前 发 生 的变 流量 由有效 当 量 流量和 自喷时 间代替 ，为此 ，根据 一 系 列计算模拟确定 出两个系数 R和 s 。 本文还用 实例说 明 了计 算步 骤 ，现 场 实 例分析也证 实了所推荐方法 的应用价值 。 译 自 { S P E D r i l l i n g＆ C o m p le t io 1 9 9 8 ． 1 2 上接第 3 8页 3 ． 单 牙轮 钻 头 的 牙轮 ／ 密封 寿命 只有 三 牙轮头的牙轮／ 密封寿命 的一 半 ；延长其密封 与轴承寿命是预期 目标 4 ．使用更大更坚 固的锒嵌 齿能使 单牙 轮 钻头在 施加 较高 钻压 的较 硬地 层里延 长使用 寿命。 、 5．由于单牙 轮钻 头的钻 井扭 矩要 比固定 齿钻头小 的多 ，因 此 ，可延 长 小井 眼 马达 寿 命 ，可改进操作 性能 近期 的 目标 是 鉴别 单 牙轮 钻 头的有 效 作 业范围 ，并确 定 比其他 代 用 马达更 具优 点 的 最大钻头 尺寸 。长期 的 目标 ，是生 产一 种 能 在各种地层都 可以降低钻井成 本的钻头。 译 自P e t r o l e u n e n g ．No 2 1 9 9 9 【 l 譬 d 出喜 啦 水 维普资讯