Agadem油田新型个性化PDC钻头提速应用研究

2019-05-24侯学军孔祥吉钱锋宋洪奇金锐

重庆科技学院学报（自然科学版） 2019年2期

侯学军孔祥吉钱锋宋洪奇金锐

(1. 重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331； 2. 中国石油天然气勘探开发公司，北京 100034)

Agadem油田是中石油集团在尼日尔勘探开发的一块传统油田，油田油气储量高，发展前景广阔[1]。多年来，钻井公司在该油田做了大量的工作，钻井效率也在不断提高。但该油田Yogou—Donga地层井段长、钻头易泥包、砂岩夹层多、泥岩可钻性差的瓶颈一直困扰着钻井施工[2]。单只钻头进尺和机械钻速都较低，导致施工周期延长，钻井成本大幅度增加；同时，长时间的裸眼钻进也大幅度增加了钻井风险[3]，不利于对钻井安全风险的控制。发展个性化PDC钻头才能有效解决机械钻速低的问题[4]。在此介绍尼日尔油田所用81/2″SP605钢体钻头，油田应用此个性化PDC钻头解决了该套地层钻进难的问题。

1 尼日尔Agadem油田概况

Agadem油田位于非洲尼日尔东南部，撒哈拉沙漠腹地,是中石油集团在尼日尔勘探开发的主力油气藏。该油田二开井段为215.9 mm井段，钻进地层为Yogou — Donga地层，该段地层上部泥岩段易出现泥包，下部泥岩致密机械钻速低、砂砾岩夹层频繁研磨性强，钻井难度较大，钻进速度缓慢，钻井周期长。该油田地质分层钻井技术指标如表1所示[5]。该井段地层的井身结构数据如表2所示。井身结构如图1所示。

表1 Agadem油田地质分层钻井技术指标

表2 井身结构数据

图1 井身结构示意图

2 Yogou — Donga井段钻井难点与需求

目前钻进中的突出问题如下：

(1) 上部Yogou组地层以泥岩、砂岩为主，泥岩极易导致出现钻头泥包现象。一旦形成泥包，就必须将钻头起钻到地面进行清理，非常耗时，使时间成本增加。

社区教育传承与创新非物质文化遗产的活动主体多为各级政府部门、驻社区机构、公共服务机构、企事业单位、社区居民、学校及其他教育机构等，但各部门的责任分工还不够细化明确。尽管一些院校开展了非物质文化遗产的教育工作，设置了相关课程，但仍存在不专业现象。比如艺术院校将原本的设计艺术学专业设置为“传统工艺美术”，将原本的戏曲文学专业设置为“传统戏曲”等，但这些课程所涉及的内容往往学科化有余，传统性传承性不足，而且，非物质遗产的中、高等教育有待健全［7］。此外，企业组织机构及其他社会力量的参与度并不够，也在很大程度上限制了活动的灵活性和影响力，达不到应有的社会效应。

冬林，认识你，我要感谢多年好友张笑天先生。那年，身为吉林省作协主席的张笑天，带了一批拟评上首届吉林省文学奖的文学作品，进京请雷达、李敬泽、白烨，以及笔者再研究一下。我们审读后一致认为胡冬林的《青羊消息》为最佳。第二年全国第一届环境文学评奖终审会上，我发现竟没有《青羊消息》，便向主持评奖的全国人大环境与资源保护委员会主任委员曲格平先生指出，这次评奖漏掉《青羊消息》是很大的遗憾。会上，同任环境文学奖评委的雷达、李敬泽同意我的看法。根据评奖规则，有三位终评委同时提议、推荐，便可列入评议对象。包括王蒙在内的全体终评委看了《青羊消息》，便一致同意该作品荣获首届环境文学奖。

试验测试显示，经过深脱钴技术处理后的复合片，其耐磨指数提高了4～16倍。在实际应用中，钻头的耐磨指数也可提高1倍以上。

(3) Donga组硬砂岩夹层频繁交错，研磨性强，钻头进尺寿命低。

目前最急迫的钻井需求是，优选PDC钻头，实现1只钻头高速完钻整套Yogou — Donga地层的目标。

3 二开井段提速方案

3.1 Yogou— Donga地层特性

根据测井数据，应用专用软件对地层进行了数据分析，地层抗钻特性剖面如图2所示。

称取预处理的红枸杞粉2g(精确到0.0001)，在超声温度为60℃，料液比为1∶50，超声时间为3min的条件下，超声次数分别为1次、2次、3次、4次、5次的条件下提取，过滤，醇沉，定容后按照1.3.2.1的方法测定吸光值，计算多糖的提取率。

在理论分析的基础上,基于Matlab 2015a 仿真软件,使用Matlab语言对序列的复杂性、PN序列检验和随机性等方面进行分析验证,这里的PN序列检验指的是对序列的平衡性、游程特性和相关性进行检验。

图2 地层抗钻特性剖面图

针对Agadem油田Yogou组地层泥岩易出现泥包现象[7]的特点，研究人员开发出一款复合多种防泥包技术的PDC钻头[8]。针对强研磨性砂岩夹层，可选用最新一代金刚石表面深脱钴技术处理的PDC复合片。针对Donga组泥岩致密可钻性差的特点，可采用多空间攻击性切削角度。综合以上钻头选型方案，推荐采用SP605钢体PDC钻头。

添加疏水材料后，涂层表面即形成一层低表面能层，其性能指标如表5所示。通常，接触角越大，疏水性能就越好。实验测试结果表明，该涂层与水基、油基泥浆之间不具黏附性，在涂层表面无泥浆残留。

2 700 — 3 500 m井段属于Donga地层。随着井深增加，地层抗压强度和压入硬度逐渐升高，至后半段明显表现出频繁的硬夹层特性。同时，地层研磨性指数为3，地层可钻性级值从3级增加至5.5级。该段地层可钻性较差，钻头机械钻速受到限制。下部井段指标波动剧烈，地层表现出较强的硬夹层特性，软硬交错的夹层特性较为明显。地层研磨性曲线随可钻性曲线的波动而出现大幅波动。由此可以推断，大量研磨性强的硬砂岩夹层存在于该地层中，而频繁出现的高研磨性硬砂岩夹层会降低PDC钻头的使用寿命[6]。

3.2 个性化PDC钻头选型方案

从地层的抗钻特性剖面图来看，1 319 — 2 700 m井段属于Yogou和Donga地层，Yogou和Donga地层的抗压强度较低，压入硬度也较低。

㉑赵海乐:《是国际造法还是国家间契约——“竞争中立”国际规则形成之惑》，《安徽大学学报》(哲学社会科学版)2015年第1期。

钻头选型的目标是，保证一趟钻就能完钻Yogou— Donga组地层，并使平均机速提高50%以上。

3.3 个性化PDC钻头技术方案

3.3.1 双疏水防泥包涂层技术

在复合片制作过程中，将不同粒度的金刚石微粉与粘接合金混合后，置于高温高压的压机中合成复合片，作为催化剂的Co会残留在金刚石的C — C键之间。通过复合片耐磨性测试发现，复合片在切削岩石时会产生一定热量，使得复合片整体生热，特别是切削角部分急剧生热。金属Co的热膨胀系数大约是金刚石膨胀系数的14倍[9]Co原子急剧膨胀，使得金刚石C — C结合键开裂，从而加快了复合片的损坏速度。同时，复合片处于600 ℃中低温环境下，Co反向催化金刚石，使金刚石发生碳化反应，从而加剧复合片的损坏程度。应用脱钴技术[10]，可使Co分解析出，以达到脱除Co的目的，从而提高复合片的热稳定性，强化钻头的耐磨性。

陶瓷粉体改性树脂后涂层剪切强度得到有效提高，不同陶瓷添加量下的涂层剪切强度如表3所示。市面上树脂油漆的剪切强度一般不会超过8 MPa。剪切强度越高，涂层与基体结合的效果越好。

表3 不同陶瓷添加量下的涂层剪切强度

郑成川带黑旗会所属闯进安和庄大门没在意刀手、剑士、铁卫随后出现并掩上大门，因为这样的情况他们见得太多，但最后都是被他们斩尽杀绝。他向萧飞羽投去一瞥阴森地道：“约莫九天前有人潜入安和庄，是安和庄找的助力对吗？你又是这些人之首。”

表4 2种转速下树脂与G15钢对磨的摩擦系数

1 319 — 2 700 m井段平均研磨性指数为4.5。该地层可钻性级值约为2级，具有较好的岩石可钻性，PDC钻头适用于该地层。通过合理的PDC钻头设计，可获得较高的机械钻速和进尺。

用俞正声先生的话说就是党员干部要用这样的要求来要求自己：要在政治方面有坚定的思想，业务上要有精通的技术，精神方面则要求振奋，在作风方面则要做到素质过硬。从基层做起，抓好统战方面的培训和教育等工作，从而让统战部门的干部能够对基层统战工作做到了解和熟悉，并能切实施行基层方面的统战工作。与此同时，各级干部还要以积极的态度来引导统战部门人员进行培养和教育引导等方面的工作，紧抓我国社会主义理想和信念等方面的教育活动，让各干部做好施教工作，在工作中去探索关于信教群众的引导和教育工作，让宗教发挥出更多的正能量，从而使新形势下的统战工作更为完善、和谐。

表5 涂层与不同液体的接触角和滚动角

3.3.2 新型台阶式结构防泥包设计技术

新型台阶式结构防泥包设计的关键技术是，在每个刀翼从排屑槽底部至距离钻头顶部PDC齿一定距离的内陷部分，使PDC齿及包络PDC齿本体与内陷凹槽形成台阶，构成阶梯式结构。凹槽部分刀面与钻头垂直方向可保持一定夹角以利于岩屑排出。新型台阶式结构防泥包设计如图3所示。由于钻头刀翼前刀面内陷形成台阶，泥浆从齿面流经排屑槽，在台阶部分形成涡流，从而加剧水流脉动，使排屑槽冲刷效果更好，更易带走岩屑。

无论盐岩是否存在泥质夹层，卤水饱和状态下的盐岩强度均低于天然盐岩，说明饱和卤水状态下盐岩被软化，但夹层的存在影响卤水的软化效果(图6)，对比图6a和图6b,图6a两条线之间的间距明显大于图6b，说明含泥质夹层的盐岩在饱和卤水的条件下被软化的效果更高，计算其软化系数得到不含泥质夹层盐岩的软化系数在0.59～0.7；含泥质夹层的盐岩软化系数0.38～0.67。

图3 新型台阶式结构防泥包设计示意图

3.3.3 复合片深脱钴技术

选用抗性品种；轮作倒茬，合理施肥浇水；施用充分腐熟优质有机肥，避免使用未腐熟粪肥，以免把虫源带入田间；优化农田生态条件，铲除地头、沟边杂草，降低蚜虫越冬基数。

本选型方案将多种先进的防泥包技术复合在一只钻头上，力争实现最强防泥包功效。双疏水防泥包钻头，是指在表面增加一层双疏水涂层的PDC钻头。涂层材料是以树脂为基体，陶瓷粉体、减磨材料、疏水材料为改性填料。表面添加双疏水涂层的钻头，具有剪切强度高、耐磨性能强、防泥包疏水性能好等特点。

(2) Donga组地层泥岩中以钙质胶结为主，不易钻进，该地层机械钻速较低。

在树脂中添加减磨填料，可以使其更好地发挥研磨性。通过表4所示200、400 r/min转速下树脂与G15钢对磨的摩擦系数可知，当减磨填料添加量达到20%以上时，转速对涂层的摩擦系数没有影响。同时，涂层摩擦系数越低，其耐磨效果越好，在钻井中对泥沙的耐冲蚀效果也越好。

经过金刚石表面深脱钴技术处理过的复合片，其金刚石脱钴层更加耐磨，其磨损后结构如图4所示。切屑齿产生磨损后，脱钴层耐磨性加强，磨损程度变弱，因此会形成一个突出的唇边在刃口处，使刃口保持锋利。于是，机械钻速不会受切屑齿磨损的影响，从而使钻头始终能够保持稳定的高钻速。

图4 深脱钴复合片磨损后结构示意图

3.3.4 强攻击性高速PDC钢体钻头设计

钻头设计中，采用5刀翼+中等冠部的中低密度布齿方式。较低的布齿密度使得切削齿的比压更高，吃入地层的能力更强，有利于提高机械钻速。同时，采用了更深的排屑槽设计。采用深排屑槽，保持宽敞的排屑空间，可使岩屑排放更及时，能有效地防止形成泥包，避免岩屑重复切削。

3.3.5 泥浆方案

Yogou组泥岩极易发生水化反应，从而加大泥浆黏度，甚至形成钻头泥包[11]。采用低黏度泥浆是Yogou组防止形成钻头泥包的重要措施。在施工中，要求严密监控泥浆黏度，防止形成钻头泥包。

4 钻头提速应用情况

在Yogou — Donga地层开发应用中，个性化81/2″SP605钢体PDC钻头的总体应用效果良好。其具体使用指标如表6所示。

表6 81/2″SP605钢体PDC钻头使用效果

实际应用中，3只川石钻头总体指标表现良好，未形成钻头泥包，钻头机速高，进尺寿命长。在Agadi-7井施工中，81/2″SP605在上部定向段定向钻进，其工具面稳定，定向时机速高(7.5 m/h)，总体定向效率远高于牙轮钻头。在Agadi-9井施工中，81/2″SP605在下部地层创出11.51 m/h的高机械钻速指标。

通过上述数据对比可以看出，川石个性化PDC钻头的成功应用，使Agadem油田机械钻速低的问题得到了突破性解决，平均机械钻速在全井段大幅度提高，钻井周期大大缩短。

从图5所示Agadi-9井施工进度图可以看出，二开实际钻进时间比计划时间缩短了11 d，创下Agadem油田同井型、同套地层的二开井段钻井周期最短的新纪录。