滑动钻井与旋转钻井相结合是复合钻井技术的一大优点。滑动钻井定向纠斜与旋转方式钻井有效地减少了起下钻次数,提高了机械钻速,缩短了钻井周期,是一种高效的可控钻井方式。近年来,世界各国普遍利用井下动力钻具-转盘或顶驱复合钻井技术来提高钻井速度,但井下动力钻具容易发生转速降低或制动现象,达不到复合钻井的预期效果。ad区块查干组地层非均质性强,可钻性波动幅度大,地层软硬极为悬殊,并交替出现,对pdc钻头的工作极为不利,笔者针对该区块地层特点,研制了复合钻井用个性化pdc钻头。
1 ad区块查干组岩石可钻性分析
a d区块查干组地层厚度在3 5~397.85m,砂岩主要为凝灰质不等粒砂岩、凝灰质含砾不等粒砂岩、凝灰质砂砾岩、凝灰质中砂质细砂岩、凝灰质含泥不等粒砂岩和薄层不含凝灰质的砂砾岩。砂岩一般为细粒到中粒,分选中等,颗粒排列中等到紧密。孔隙发育较差,大小颗粒杂乱分布。利用实钻岩心对该层岩石可钻性级值进行了室内试验,如表1所示。
由表1可知,该层位岩石非均质性极强,可钻性波动幅度大,岩石可钻性级值最小值为3.08,最大值为6.84,地层软硬极为悬殊,并交替出现,对pdc钻头的工作极为不利。对该层位采用了复合钻井技术,由于该技术高转速,多工况的技术要求,以及该区块复杂的地层特点,造成现有pdc钻头适应较差,机械钻速低,因此开展了该层位复合钻井用pdc钻头个性化设计。
2 复合钻井技术对pdc钻头要求
复合钻井技术具有高转速特征,钻头的工作转速一般会高于170 r/min。由于没有活动部件,高转速对pdc钻头造成的影响较小。但复合钻井时钻头工作转速是常规转盘钻井的3~4倍,切削齿和钻头保径所承受的冲击载荷增大、磨损程度加剧,应优选抗冲击性能较好的金刚石复合片,并加强钻头保径的耐磨性,保证钻头使用寿命。
复合钻井技术具有多工况特征。用于复合钻进的pdc钻头,在滑动钻井时要具有较低扭矩的特性,满足摆放工具的需要,在旋转钻井时对地层又要具有较好的吃入性,提高破岩效率和机械钻速。应综合考虑钻头设计参数,满足增斜、稳斜、扭方位等不同工况和快速钻进的需要。
3 新型pdc钻头结构优化设计3.1 钻头冠部形状设计
pdc钻头冠部形状决定着pdc钻头的布齿面,将影响钻头的稳定性、井底清洗、钻头磨损及钻头各部位的载荷分布。pdc钻头冠部剖面形状有四种基本类型,即平底型、浅锥型、中锥型和长锥型,其中平底型和浅锥型,由于内锥较浅,起不到稳定钻头的作用,钻头工作时很容易产生横向振动,造成切削齿的冲击损坏,尤其钻遇硬夹层时,常常因冠顶齿和外部齿的先期磨损而导致钻头失效,钻头中心附近的切削齿得不到最有效的利用,从而对钻头寿命造成严重的影响。中锥型冠部剖面形状具有一定深度的内锥和较大的布齿面积,外部区域可布置较多的切削齿;一定深度的内锥可起到稳定钻头的作用,减少钻头的横向振动,延长钻头工作寿命。中锥型冠部剖面具有较强钻进硬夹层的能力,钻遇硬夹层时,钻压的分配更集中于钻头冠顶部位,使冠顶切削齿更容易吃入较硬的地层。长锥型冠部剖面形状通常为近抛物线形,在四种剖面形状中布齿面积最大,钻头外部可布置较多的切削齿,主要适用于高转速钻头的设计。
针对ad区块查干组地层软硬交错,夹层多的特点,采用中锥型剖面形状,外部剖面形状为短抛物线形,这种剖面设计同时兼顾了复合钻进pdc钻头对造斜性能的要求。
3.2 切削齿的选择与切削结构设计
3.2.1 双重保护切削结构设计
复合钻进用钻头需要完成造斜、稳斜、扭方位等多个工况,对pdc钻头的综合性能要求较高。合理的设计吃入深度控制机构,能够既有效地控制滑动钻进时的钻头扭矩、减少工具面波动,又不会明显降低复合钻进时的机械钻速。综合考虑ad区块查干组地层情况和复合钻井特点,最终采用双重保护切削结构,如图1所示。这种结构不仅可以获得稳定的钻头工作扭矩,对提高钻头寿命也起到重要的作用:在钻头钻遇硬地层或砾岩层时,辅助切削齿分担冠部切削齿的钻压,减小冠部切削齿的损坏几率,同时参与切削岩层,增加钻头的使用寿命。在进入软地层时,这种双重切削结构可以减缓钻压的突然改变,减小钻头的震动,从而保护切削齿不受损坏。
3.2.2 切削齿形状和尺寸选择
ad区块查干组含有软硬互层和砾岩层,由于砾石相对地层较硬,引起切削砾石的切削齿承受较大钻压和扭矩,同时在相对较软地层中钻进的钻头的机械钻速较快,因此在与较硬砾石接触时容易导致切削齿崩断、碎等事故的发生[5]。为消除应力集中,减小切削齿崩裂失效的可能性,采用了预倒角结构,如图2所示,锥度为10°,锥面长度为2mm。通过预倒角结构,提高切削齿抵抗轴向和切向冲击载荷能力。