水力旋冲钻井工具破岩影响因素模拟及应用

2020-05-29肖新磊

石油矿场机械 2020年3期

肖新磊

(中石化胜利石油工程有限公司西南分公司，山东东营 257000)

“PDC钻头+单弯螺杆马达+MWD随钻测量系统”仍是目前国内应用最广泛的导向钻井技术。随着井深的增加，深部地层非均质严重、岩石硬度高、研磨性强、可钻性差、摩阻拖压等，这些因素严重制约着深部硬地层的钻井提速，研究适合于深层定向水平井的钻井提速技术成为国内钻井领域的热点之一。近年来，国内根据NOV公司技术研制的冲击螺杆马达[1-4]，对于提高钻速具有积极作用，但主要用于直井，在定向水平井中的应用相对较少；常规水力振荡器只用于减摩降阻[5-10]，不能驱动钻头破岩且压降较高。其安装位置距离钻头较远，影响了振荡冲击[11-16]辅助钻头破岩的效果。因此，这两种工具不能完全满足定向水平井导向钻井工艺和提速的技术要求。

针对上述问题，研制了一种新型定向井水力旋冲钻井破岩工具，既能直接驱动钻头旋转破岩，又能在钻头上施加脉动冲击载荷，在提高机械钻速的同时，还完全满足井眼轨迹控制(既能滑动钻进，又能复合钻进)精度的要求，为国内定向井钻井提速提供了一种新型钻井技术。

本文建立了标准PDC钻头模型和岩石模型，分析了冲击频率、钻压、钻头转速等钻井参数对破岩效率的影响规律，为改进旋冲钻井工具提供依据。通过现场试验，测试新型水力旋冲钻井工具的性能和可靠性。

1 有限元模型

1.1 假设

为便于计算分析钻头动态破岩的过程，采用现场标准PDC钻头模型和岩石参数的同时，对模型进行相关假设：

1) 岩石材料各向同性，岩石中不存在原生裂纹，岩石中的流体对岩石破坏不产生影响。

2) 钻头材料为钢体。

3) 不考虑钻头磨损。

4) 岩屑迅速脱离井底，不存在重复切削。

1.2 实体模型建立

以ø215.9 mm PDC钻头为模型，如图1所示。为接近实际工况，岩石模型为10 m×10 m×3 m长方体。

1.3 有限元模型网格划分

钻头表面采用三角形网格，局部结构进行网格细化，如图2所示。为更好的模拟破岩过程，岩石采用四面体网格(如图3)。为保证计算精度，钻进区域需进行网格细化(如图4)，网格总数135万。

a 钻头侧面

b 钻头底面

图2 钻头网格示意

2 钻井参数影响破岩效率数值模拟分析

水力旋冲破岩工具的冲击频率、冲击力、钻压、转速是影响破岩效率的直接因素，也是可调的参数，分析这些参数影响破岩效率的规律，能够为工具的优化及现场施工提供指导。

图3 岩石网格示意

图4 整体网格示意

2.1 冲击频率

冲击频率是影响冲击辅助破岩的主要参数之一。当冲击频率发生改变时，水力旋冲工具的破岩效率也不尽相同。保持其他参数不变，分析冲击频率的影响规律，研究最佳工作频率的范围。

图5是单次冲击时井底岩石三维应力场的分布状态，冲击频率不同时，井底岩石三维应力场的瞬态分布也不同，通过参考点应力变化的分析，就能够分析出冲击频率影响岩石应力变化的规律，进而分析影响破岩效率的规律。

图6是破岩深度随冲击频率的变化规律，可知，单位时间内的破岩深度随冲击频率的增加呈现波浪式变化规律，存在2个频率波峰值，即17.5 Hz和35 Hz。分析原因，当冲击频率较低时，随着钻头旋转，岩石表面冲击破碎坑较少，相邻破碎坑的间距较大，不利于岩石内部微裂纹的产生和扩展，形成的损伤区范围小，岩屑脱离井底速度较慢，因此破岩效率较低；随着冲击频率的增加，岩石表面形成的冲击破碎坑增加，相邻破碎坑间距变小，破碎坑周边的微裂纹能够快速扩展，当微裂纹连通时，岩屑脱离井底，从而提高了破岩效率；当冲击频率再增加时，岩石表面相邻破碎坑由于相互距离更小而发生重合，即重复冲击破碎，不利于岩屑脱离井底，破碎效率会有所降低。

图5 单次冲击时井底岩石应力分布

图6 破岩深度随冲击频率的变化规律

2.2 钻压

钻压是现场操作人员能够实时控制的参数之一，优选钻压参数能够最大限度地发挥冲击辅助破岩的能力，获得更大钻井提速效果。

从图7中能够直观看出，钻压越大钻头破岩深度越大。结合图8可知，单位时间内的破岩深度随钻压的增大而增加，当钻压增大到一定程度后破岩深度变化逐渐平缓。分析原因在于，当冲击力和冲击频率保持不变时，增大钻压能使钻头切削齿进入岩石的深度增加，能够进一步增大破碎坑的面积，即增大了岩石损伤范围，因此岩石破碎效率增大；随着钻压的不断增加，井底岩石会发生塑性变形，反而不利于岩石裂纹的扩展，破岩效率变化平缓。因此，实钻过程中应合理施加钻压，钻压过大反而不利于提高钻速。

图7 不同钻压时的破岩深度与岩石应力状态

图8 破岩深度随钻压的变化规律

2.3 钻头转速

钻头转速是钻井工程师能够实时控制的工程参数，也是影响钻头单位时间内钻头破岩量的关键参数，分析转速的影响规律，对于冲击破岩时最优转速范围的优选具有重要指导意义。

从图9中能够直观看出，转速越快钻头破岩深度越大。

图9 不同转速时的破岩深度与岩石应力状态

结合图10可知，破岩深度随转速的变化呈线性关系，转速越快，单位时间内钻头破碎岩石的体积量越大，钻进效率也就越高，在实际操作中，应根据设备的工况条件优选合理的转速范围。

2.4 冲击力

冲击力是冲击辅助破岩时的关键参数，分析冲击力影响破岩效率的规律，对于冲击工具的优化设计及现场施工参数的优选有重要帮助。

由图11可以看出，当钻压、转速、冲击频率固定不变时，破岩深度随冲击力的变化趋势比较平缓，因此在冲击工具设计时，可优先考虑工具材料、使用寿命等因素，提高冲击工具的安全可靠性。

图10 破岩深度随转速的变化规律

图11 破岩深度随冲击力的变化规律

3 实例分析

根据数值模拟的结果，结合现场定向井的施工工艺、井下测控仪器、设备情况、操作方式等，研制了适用于ø215.9 mm井眼的水力旋冲钻井工具，开展了2口井的实钻试验。

3.1 S2-x105井

S2-x105井是1口常规定向井，设计井深1 849 m，井斜27°，井眼轨道设计投影图如图12所示。

图12 S2-x105井井眼轨道设计投影图

为了测试水力旋冲工具的提速效果，二开时下入该钻具进行钻进。井段351～1 336 m(直井段+造斜段)，层位是明化镇、沙一，钻压20～40 kN，钻头转速60～65 r/min，钻井液排量25～30 L/s，泵压9～11 MPa。与邻井的机械钻速对比如图13所示，平均机械钻速30.78 m/h，较邻井提高11.3%～78.33%。钻进过程中钻压、泵压、工具面等参数稳定，直井段防斜打直效果好，定向段钻进效率高且对MWD无干扰。钻头无损坏，井口无憋跳(临井憋跳频繁)。井斜与井眼扩大率符合要求。

图13 S2-x105井水力旋冲工具提速对比

3.2 T61-x203井

T61-x203井是1口双靶点的三维定向井，设计井深2 336 m，井斜41.99°，井眼轨道设计投影图如图14所示。

a 垂直投影图

b 水平投影图

为测试水力旋冲工具的三维井眼轨迹控制能力和钻井提速效果，二开时下入该工具实施钻进。使用井段303～1 437 m(直井段+造斜段+扭方位段)，层位为馆陶、沙二，钻压20～40 kN，钻头转速60～65 r/min，钻井液排量25～30 L/s，泵压10～12 MPa。与邻井的机械钻速对比如图15所示，平均机械钻速35.44 m/h，较邻井提高26.2%～151%(高于临井牙轮钻速)。现场试验过程中，MWD信号正常，定向工具面稳定，钻头无损坏现象，井眼轨迹符合设计要求。