钟山区块煤层气开发定向井用PDC钻头个性化设计与试验

2018-04-25高晓亮王传留田宏杰

中国煤炭 2018年3期

高晓亮王传留田宏杰

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710077)

钟山区块位于贵州省六盘水市钟山区和水城县境内，属于大河边向斜。该区域主力煤层位于上二叠统龙潭组，由碎屑岩夹灰岩构成，为一套海陆交互相含煤沉积。厚度为206～241 m，含煤约为40层，煤层总厚约为35 m，含煤系数为14.5%，其中可采及局部可采煤层16～20层，可采总厚度为17～21 m。主力煤层C409、C407和C406厚度分别为7.85 m、1.55 m和2.9 m，埋深在400～1000 m之间，该区域内可采煤层甲烷(CH4)含量最大为99.80%，平均为69.56%，均为富甲烷煤层。为了探索该区域的煤层气含量并进行预抽采工作，采用从式定向井对该区域重点区域进行钻井工程施工。

1 工程概况

为了开采该区域煤层气，采用从式钻井的方式进行煤层气开发，每一井台设计6～8口井进行钻进，其中一口直井，其余为定向钻井。井身结构采用二开钻井，一开采用直径为311.1 mm 钻头+244.5 mm表层套管；二开采用直径为215.9 mm钻头+139.7 mm生产套管。其中定向井井身结构采用直井-造斜-稳斜三段式剖面，具体井身结构图如图1所示。

根据钻探资料显示，该区域钻井施工穿越地层从上到下依次为第四系坡积土层、三叠系永宁镇组石灰岩及白云岩、飞仙关组粉砂质泥岩及细砂岩等组成，其中该层位含煤5～10层，其中6层全区稳定可采。

2 PDC钻头个性化设计

为了实现钟山区快速优质钻井的需求，针对该区域的煤层气钻头从结构优选、剖面设计、布齿以及保径设计4个方面进行个性化设计。

2.1 钻头结构优选

针对钟山区块拟穿越的地层特性及钻进工艺特点，对钻头结构进行优选。由于此次钻进采用的钻进工艺特点为直井-造斜-稳斜，应该考虑钻头的导向性与稳定性，即在造斜段应具备造斜能力，钻头能根据螺杆马达工具面角的改变进行调整改变。而在稳斜段钻头应具有一定的稳定性。因此，此次钻头采用刮刀型5刀翼结构，保径采用一定的螺旋角度，增大与井壁接触，保证稳定性，另外保径长度选用较短保径，以保证钻头的造斜能力。钻头刀翼结构如图2所示。

2.2 钻头剖面设计

不同的冠部形状具有不同的工作特性,对于地层的适应性也不同。目前常用的PDC钻头剖面形状主要有鱼尾形、浅锥形、短抛物线形以及抛物线形4种。其中，鱼尾形钻头适用于钻进粘性极高的泥页岩层；浅锥形钻头能很好地钻进夹层，且由于此种外形钻头依靠较长的保径和扶正,在快速钻井中能够保持方位和井斜的稳定；短抛物线形钻头最适合于在可能遇到硬夹层的地层中钻进；抛物线形钻头的整个冠部载荷均匀,无明显载荷过渡区，适合于高速井下动力钻进，由于其侧向切削能力强。

鉴于钟山区块煤层气钻井采用从式定向钻井，要求钻头具备能够配合螺杆马达钻进的能力，因此选用抛物线形剖面，为简化抛物线模型，钻头采用直线-圆弧-直线型抛物线冠部形状，该形状一方面使得钻头具有足够的切削齿数量，另一方面使各切削齿均匀磨损，对增大钻头寿命具有积极的影响。钻头剖面结构如图3所示。

图3 钻头剖面结构

2.3 钻头布齿

切削齿排布是确定切削齿在钻头剖面上的位置，主要是切削齿的中心距，由于钻头直径确定，钻头中心齿合保径齿位置可以确定，应该按照切削齿能完全覆盖井底的原则进行排布，一般情况下，钻头外部切削齿由于中心距较大，因此切削面积较大，需要密集的切削齿进行分担，而相对靠近中心的区域分布距离较大。钻头切削齿包络线与布齿如图4所示。

图4 钻头切削齿包络线与布齿

2.4 切削齿安装角度

切削齿安装于PDC钻头体上，应当选择合适的切削角。在钻进参数一定时，钻头的切入能力随着切削角的增大而减小，但是过小的切削角容易导致切削齿过早损坏，因此应根据地层情况优选切削角度。通过分析钟山区块地层及钻进工艺条件，并综合考虑钻头的机械钻速、稳定性和使用寿命，得出该地层PDC钻头应采用较小的切削齿后倾角(16°～20°)，从内锥到外锥，后倾角逐渐由小变大。使破碎的岩石快速排出井底，防止重复破碎，根据经验选择该地层PDC钻头切削齿的侧转角应控制在5°～8°。

3 现场试验

3.1 设备与钻进工艺

采用的钻机为TSJ3000/445型钻机，钻具为ø127 mm钻杆和ø172 mm螺杆马达，马达弯头角度为1.5°～1.76°，配备F800泥浆泵。采用的工艺方法为定向钻进和回转钻进混合的钻进方法，直井及稳斜段采用复合钻进，即采用马达加转盘回转的方式，造斜段采用螺杆马达进行定向钻进。采用的钻进工艺参数：钻压为2～3 t，转速转盘为50 r/min+螺杆转速，泵量为20～30 L/min。

3.2 试验结果与分析

试制的PDC钻头在钟1-1-X4井及钟1-8-6井进行钻进，试验过程中钻头具有良好的导向性，能够跟随螺杆钻具方位及倾角调整而调整，侧切能力强，能够满足定向钻进需求。具体试验数据见表1。

表1 试验结果数据表

由表1可见，钻进深度合计达1361.3 m，在钟1-8-6井效率达到10.87 m/h，钻头切削齿几乎无磨损，可以继续使用。钻进1361.3 m后的钻头如图5所示。

图5 钻进1361.3 m后的钻头

但是在钟1-1-X4井的钻进中，钻头钻进效率相对较低，在钻进至610 m后，由于进尺缓慢进行更换钻头，通过地层资料显示，该钻头在400～800段，钻进岩层为中生界三叠系下统飞仙关组，岩性主要为灰色和灰绿色粉砂岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩、浅灰—灰色灰岩及泥灰岩、灰色隐晶—细晶灰岩，岩石硬度相对较硬，机械钻速仅为8.15 m/h。为了增大钻头机械钻速，对钻头结构进行优化设计。

4 钻头改进与试验

4.1 钻头结构改进设计

研究表明钻头机械钻速与钻头剖面形状、切削齿大小、切削角度大小等具有较大关系，本次优化设计针对钻头这几个方面进行优化。

(1)剖面形状。钻井实践证明，钻头冠部轮廓形状对钻头破岩效率及切削齿的磨损影响较大。利用室内实验及有限元对不同冠部形状的 PDC钻头进行受力分析，结果都表明钻头冠部轮廓长度影响其钻速。为了提高钻进效率，对新钻头的剖面形状进行了改进，即降低钻头外锥长度，增大内锥角。

(2)切削齿大小与切削角度。根据现场应用经验，对于较软到中硬地层，选用直径较大的PDC切削齿，采用低密度或中密度布齿的钻头；对于中硬到坚硬地层，选用直径较小的PDC切削齿，采用中密度或高密度布齿的钻头。目前，现场应用较多的切削齿直径尺寸主要有13 mm、16 mm和19 mm这3种规格。随着切削齿直径的增大，适应地层从坚硬到较软。由于之前的钻头采用直径为19 mm的切削齿钻进效率不理想，为了改善钻进效率，新钻头采用直径为16 mm的切削齿，并适当增加布齿数量。切削角的大小决定了PDC切削齿切削地层的能力，大切削角增大了钻头切削齿的抗冲击及抗研磨能力，但是降低了钻头切削地层的能力，因此，将新钻头的切削角适当调小，即由原来的15°～20°调整至13°～18°，以期提高坚硬地层段机械钻速。

4.2 钻进试验

采用新设计的数据对钻头进行了建模并加工试制，为了缩短加工周期，本次采用钢体式钻头，改进后的PDC钻头如图6所示。

从图6可以看出，试验后的改进型PDC钻头切削齿几乎无磨损，可以继续使用。

采用改进后的钻头在原钻井进行钻进试验，井号为钟1-8-X8井，设计井深为1095 m，其中一开采用空气浅孔锤钻进至129.5 m，二开采用改进的PDC钻头，本次钻进试验机械钻速为18.62 m/h，相对于之前试验钻头的10.67 m/h提高了71%。机械钻速的提高大大缩短了钻井工期，满足了煤层气开发定向钻井的需要。使用后的改进型PDC钻头如图7所示。