空气锤钻头应用研究

刘权萍,武友德,孟英峰,梁 红

(1.四川工程职业技术学院,四川德阳618000;2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都610500) *

空气锤钻头应用研究

刘权萍1,武友德1,孟英峰2,梁 红2

(1.四川工程职业技术学院,四川德阳618000;2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都610500)*

对空气锤钻头在国外的应用进行了调研。在冲击回转钻进中,根据地层条件不同选择不同的端面设计平底钻头能很好地控制井斜,平底钻头的钻速是三牙轮钻头的3～6倍,但平底钻头径向磨损严重,常用三牙轮进行扩眼。为解决钻头径向磨损问题从而发展了增强齿平底钻头,在以陡倾角而著称的Stillwater、Allegheny高原及Arkoma、Permian、Appalachian盆地进行了大量试验,结果证明:与平底钻头相比,钻速快,寿命长,成本低,更耐磨,能更好控制井斜和狗腿严重度,而且井眼更平滑。

钻井空气锤;三牙轮钻头;平底钻头;增强齿平底钻头;研究

空气锤钻进具有转速低、扭矩小、钻压小、控制井斜容易、提高机械钻速、减少钻进时间和成本的特点,在国内外各个领域受到广泛重视和应用[1-5]。空气锤钻头(也叫冲击钻头或平底钻头)以冲击为主、旋转为辅联合作用破岩钻进,既要承受冲击器的高频冲击力,又要承受很大的破岩反力,同时在回转力矩作用下还要承受岩石的剪切反力,牙齿除承受周期性或突发性冲击载荷外,还承受剪切和弯曲作用。目前国内有关空气锤的报道很多,但有关平底钻头的报道却很少见,现仅就国外有关平底钻头应用情况作如下概述。

1 平底钻头与三牙轮钻头的比较分析[6-8]

用于空气钻井的钻头有牙轮钻头和平底钻头2种。1960年前,国外油田用的空气锤(采矿用的)都配用的是三牙轮钻头,但由于高冲击引起钻头体疲劳破坏,改用平底钻头,但效果还是不如工业空气锤,后被取而代之;同样,工业锤所能承受工作压力仅为0.69 MPa,工作效率仍受到限制。据美国Finger报道:有试验确认在低钻压和相同的供气条件下,工业冲击锤的钻井速度比油田空气锤快得多,而且平底钻头与冲击钻具配合使用在所有空气钻井系统中钻速最高,是高钻压下旋转钻进牙轮钻头的2倍,是牙轮钻头与震击钻具配合使用的3～6倍。在Arkoma盆地的试验结果如表1[6],因此平底钻头在冲击钻进中得到了很多的发展。20世纪70年代,引进了1.724 MPa的冲击锤,提高了机械钻速。到20世纪80年代,工作压力达到2.41 MPa,但有人又提出较高的压力可能给平底钻头带来问题。

表1 牙轮钻头和平底钻头钻进参数对比

2 平底钻头[8-10]

目前,平底钻头(如图1)是专门为空气冲击钻井设计的,其底面轮廓4种基本类型如图2[8],每种类型的钻孔直线度、工作效能、可靠性和吹洗孔、端面排粉槽、磨损保护、硬质合金形状和尺寸以及钻头体材料硬度都有所不同。

图1 平底钻头外观

图2 平底钻头端面

2.1 凹面型

凹面型是美国主要的工业用钻头,是市场上使用最多的类型,其底面上有2个气孔,端面中心有1个轻度的圆锥形凹陷,主要针对硬地层设计,由于钻进时凹面轻度成核,能很好地控制井斜,而且钻速较高,清洁能力良好。该型钻头在Arkoma盆地成本降低了49%;在Alberta地区用12 d就钻了2 300 m,钻进速度13.1 m/h,而空气旋转钻进要24 d,泥浆钻井要54 d;在Permian盆地均使用了该型钻头,但由于径向磨损而受到限制。

2.2 深凹面型

深凹面型应用仅次于凹面钻头,也是常用的类型。它有2个空气通道,端面有1个凹进的中心部分,钻进时在钻头底面中心切削出1个小直径的岩心,而使钻头沿固定的轨迹钻进,深凹面钻头的井斜控制效果最好,机械钻速最高,但由于其存在深部内表面的排粉槽,中心凹陷型钻头要比其他形状钻头强度弱一些。该型钻头主要用于中硬均质地层,需要低至中高的空气压力来保持井底携岩和正常钻进。在松软或中等硬度的固结岩层钻进,要求孔斜最小时,该型钻头是最理想的。

2.3 平面型

平面型最适合用于破碎非常坚硬的岩层和溶洞性地层,在井斜要求不是很高的条件下也可用于松软地层,但对钻孔直线度要求高及钻覆盖岩层时不适用该型钻头。该型钻头要求非常高的空气压力,其端面平整而连续,通常没有排粉槽,是所有钻头中最坚固耐用的一种。如果增加端面排粉槽虽然可以提高井底清岩效果和钻速,但强度会随之减少,所以钻速和钻孔的直线度不如凹面型钻头。该型钻头能够有效地控制井斜,具有较高的钻速,能够防止钻头本体磨损,在大多数情况下提高碳化钨的硬度就可以提高钻速和耐用性。但因平面钻头牙齿的耐磨性优于钻头本体,当钻头本体开始磨损时,钻头牙齿开始暴露,增加了牙齿破坏和碎裂。

2.4 凸面型

凸面型又称双斜面钻头,是为非常坚硬和研磨性非常强的岩层而开发的最新的端面设计,转速为30～50 r/min。该型钻头由于具有突出的工作面顶冠而得名,具有3个空气通道,通过钻头排出的空气最多,清岩效果和冷却效果都比较好。但由于被气流携带的岩屑穿过钻头端面,钻头体和硬质合金边齿容易被磨掉。因此,在2个独立的棱周上布置有2排硬质合金边齿,内排齿协助外排齿防止过多的磨损。为进一步增加抗磨性,钻头上的硬质合金球齿通常选用较大的直径。钻头端面上的碳化钨合金齿都是弹形的,保径齿为锥形或球形。

可以看出,要达到最佳的钻进条件和要求要根据不同地质条件选配最佳的端面设计。平底钻头虽然有许多优点,但经常遇到严重的径向磨损。在Arkoma盆地,平底钻头的成本为98.43美元/m(30美元/英尺),钻«444.5 mm的表层井眼时,钻速增倍,同时由于小钻压对控制井斜很有利,在该区钻生产井段时通常要用2只平底钻头,然后用«200.0 mm三牙轮钻头扩眼。最近在川东七里白101井选用进口平底钻头,1只进尺就达1 200 m,但磨损严重,井径缩小,然后只能用三牙轮扩眼。平底钻头通常受牙齿磨损、破损及疲劳破坏而影响其寿命的限制,尤其是径向磨损,钻研磨性地层(石英含量高)时特别明显。

3 增强齿金刚石平底钻头[10-13]

20世纪70～80年代大力发展了增强齿金刚石技术(PDC和金刚石钻头)(如图3)。近年来,金刚石加强齿已应用到平底钻头,在钻头本体中嵌入碳化钨,表面为聚晶金刚石复合片(PDC),齿顶部有1层聚晶金刚石,接着有2层金刚石/硬质合金合成的过渡层,这是冲击钻头技术的一大进步。与标准碳化钨镶齿平底钻头相比,增强齿平底钻头耐磨性增强,钻速更高,寿命更长,能更好地传递能量,反弹应力降低,减少了扭矩和钻铤磨损、疲劳破坏应力,消除了高成本的井底钻具组合,减少了“狗腿”严重度,能够钻出更平滑的井眼,钻井成本较低,主要解决了钻头径向磨损问题,但不能消除径向磨损。

图3 冲击钻头的发展历程

1987年,在美国Stillwater、Utah附近进行了现场试验,几个«76.2 mm PDC加强齿冲击钻头在研磨性砂岩钻了2 133.6 m(7 000英尺),仍有不可忽视的本体磨损,但该区所用的碳化钨平底钻头能持续91.44 m(300英尺),寿命延长了23倍。同时,美国Smith Tool公司也对加强型平底钻头进行了试验,结果表明:即使进尺是普通冲击钻头的3倍也没有磨损,而且成本从＄55.77美元/m(17美元/英尺)下降到＄32.81美元/m(10美元/英尺),成本下降了49%,相当于使用了3只常规三牙轮钻头。

1988年,在Arkoma和Appalachian盆地的试验也表明:加强齿冲击钻头的钻进时间是标准碳化钨纤维冲击钻头的24倍,同时还对22只增强齿冲击钻头和标准冲击钻头进行了比较试验,钻同井段时,增强齿的钻速比标准的快45%,虽然增强齿钻头比标准冲击钻头的成本高1.5～3.0倍,但增强齿的进尺远远比它大,最终总成本比标准平底钻头低33%,比三牙轮钻头低51%,同时还证明了冲击钻头在该区钻硬质页岩和砂岩及有高的45°倾角的地层时,基本上不产生井斜。

以陡倾角而著称的Appalachian、Arkoma和Permian盆地由于井斜、钻速低和成本高等难题一直无法解决,1989年采用增强齿平底钻头成功地解决了该区难题,增强齿平底的钻速是三牙轮的2～4倍,是平底钻头的1.3～3.0倍,而且井斜也有不同程度的降低。同年,在Allegheny高原所属复杂地层,易产生井斜,有井斜时用钟摆、高转速吊打时不仅钻速降低而且成本高,而且工具不能正确控制井眼轨迹,大大地增加了成本。

在20世纪70年代后期,为了控制井斜,试用了不同的空气锤和钻头组合:小钻压的空气锤和钟摆钻具组合钻直井很有效,但由于其钻头寿命低而增加了成本,平底钻头由于其不具有保径作用而受到限制,由此采用了增强齿平底钻头,大大降低了钻井成本。试验结果表明:钻表层井眼时增强齿和碳化钨平底钻头钻速比碳化钨三牙轮高128%,增强齿钻头钻速又比碳化钨平底钻头高 53%,成本低25%,比三牙轮钻头成本低22%;如果进尺小,要求低钻速是不采用增强齿钻进,它的成本比牙轮钻头的高50%～100%;钻生产井眼时增强齿和碳化钨平底钻头钻速比碳化钨三牙轮高61%,增强齿钻头又比碳化钨平底钻头高83%,成本低24%,比三牙轮钻头成本低53%。而且在该区用冲击钻头基本上没有产生井斜,如果用牙轮钻头井斜在整个井段成为一个难题,狗腿严重度比冲击钻头高62%,冲击钻井时间比牙轮钻进时间少28%。

虽然增强齿平底钻头具有保径作用,寿命长,钻速高,又能控制井斜,但也不能一味地选择它,要根据不同的地层选用不同的钻头类型,节约钻井成本。例如钻表层井眼,井浅一般选用碳化钨平底钻头(成本相对比增强型低),如果是研磨性地层则选用增强齿钻头。

4 结语

空气锤钻头从三牙轮钻头发展到平底钻头,再发展到增强齿平底钻头,解决了径向磨损问题,大大地提高了钻头寿命,提高了机械钻速,降低了钻井成本,更能有效地控制井斜和减小狗腿严重度。据目前的发展形势来看,空气锤钻进将在石油钻探中不断兴起,其钻头的选配最终影响到钻进成本和钻进效率,由此平底钻头在国内具有广阔的发展空间。

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Application of Air H ammer Bit

LIU Quan-ping1,WU You-de1,MENG Ying-feng2,LIANG Hong2
(1.Sichuan Engineering Technical College,Deyang618000,China;2.State Key L aboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Ex ploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China)

The investigation of a large number of materials about air hammer bit abroad was carried on:according to different strata to choose different face design hammer bit can control well deflection easier in percussion and rotary drilling,the flat-bottom bit ROP is three-to-six times of Tricone bit,but it has serious wear on the bit face,and need ream with Tri-cone bit,thus developing the diamond-enhanced hammer bit in order to solve the gauge wear problems,and a large number of tests were carried on about it in Stillwater,Allegheny plateau,Arkoma,Permian,Appalachian basin,the result is proved:it has higher ROP,longer life,lower costs,wear-resisting,control well deflection and dogleg severity,and has smooth well compared with flat-bottom bit.

drilling air hammer;tri-cone bit;flat-bottomed bit;diamond-enhanced hammer bit;research

1001-3482(2010)12-0060-04

TE921.1

A

2010-06-29

中石油集团公司“气体钻井技术相关基础研究”项目(03A20204)

刘权萍(1979-),女,四川资中人,硕士研究生,主要从事欠平衡钻井装备研究,E-mail:liuquanping655@sohu. com。