臨興區(qū)塊小井眼井鉆頭優(yōu)化設(shè)計

賈 佳，馮 雷，夏忠躍

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引言

致密氣作為非常規(guī)天然氣的重要組成部分越來越受到重視，由于受氣藏及技術(shù)條件的限制，需要進行低成本開發(fā)。中海油積極踐行降本增效的號召，在山西臨興致密氣區(qū)塊逐步開展小井眼鉆井試驗，取得了不錯效果，但是在鉆井過程中，出現(xiàn)了鉆頭泥包和機械鉆速慢的問題。為了進一步提高鉆井作業(yè)效率，對臨興區(qū)塊的地層特性、可鉆性、巖石強度進行了分析研究，在此基礎(chǔ)上，對鉆頭的布齒、后傾角、側(cè)傾角等結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。

1 地層研究

1.1 地層特性

臨興致密氣區(qū)塊地層泥巖、砂泥巖互層，這種地層容易吸水膨脹，極易粘結(jié)于鉆頭切削齒及鉆頭表面，頻繁造成鉆頭泥包現(xiàn)象，嚴重影響機械鉆速［1-3］。

臨興區(qū)塊地層泥巖以黏土礦物為主，組成黏土礦物的基本單元為硅氧四面體和鋁氧八面體，它們各自在平面上進行延伸，形成硅氧四面體片和鋁氧八面體片，然后疊合在一起形成統(tǒng)一的晶層。當泥巖與鉆井液接觸時，在水力壓差和化學勢差的作用下，黏土顆粒表面的負電荷吸水膨脹，發(fā)生水化。形成機理主要有表面水化和滲透水化2種。

1）表面水化

表面水化引起體積膨脹75%以上，分直接水化和間接水化，示意圖如圖1所示。直接水化是H+和OH-離子通過氫鍵吸附水分子；而間接水化是通過陽離子間接吸附水分子。表面水化是1 nm范圍內(nèi)的黏土和水的相互作用，作用的力是層間分子的范德華引力、層面帶負電荷和陽離子之間的靜電引力、水分子與層面的水化能，其中起決定性作用的是水化能［4］。

圖1 直接水化和間接水化示意圖Fig.1 Schematic diagram of direct and indirect hydration

2）滲透水化

滲透水化示意圖如圖2所示。滲透水化可引起體積膨脹8～20倍，井壁坍塌一般都是開始于滲透水化，當黏土層面間的距離超過1 nm后，滲透水化發(fā)揮重要作用。隨著水分子進入黏土晶層間，黏土表面陽離子水化擴散至水中，形成擴散雙電層，層間的斥力逐漸起主導作用而引起黏土層間距擴大，黏土層間吸附有眾多的陽離子，層間的離子濃度遠大于溶液內(nèi)部的濃度，濃度差的存在好比形成了一個滲透膜，在滲透壓力作用下水分子便繼續(xù)進入黏土層間，引起黏土的進一步膨脹［5-6］。

圖2 滲透水化示意圖Fig.2 Schematic diagram of infiltration and hydration

根據(jù)表面水化和滲透水化機理，可以通過調(diào)整鉆井液體系，改變鉆井液中離子濃度，縮小黏土膨脹的層間距來抑制水化膨脹。

1.2 地層可鉆性分析

對臨興區(qū)塊的地層可鉆性進行分析研究［7］，和尚溝組以上地層和上上石盒子組地層為軟到較硬地層，其余地層為較硬到硬地層；第四系黃土層可鉆性較好，可選擇PDC鉆頭或者牙輪鉆頭；劉家溝組以下的地層可鉆性較差，可鉆性級別均大于4；石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組、本溪組地層較硬，可選擇PDC鉆頭。臨興區(qū)塊地層可鉆性級別分析如表1所示。

表1 臨興區(qū)塊地層可鉆性級別分析表Table 1 Analysis of formation drillability level in Linxing block

1.3 地層巖石強度分析

地層巖石強度分析如圖3所示。延長組、紙坊組巖石強度約為40 MPa；從和尚溝組開始，巖石強度逐步增大，至劉家溝組，巖石強度增加到約80 MPa；劉家溝組以下石千峰、上石盒子組強度逐漸降低，多在40～60 MPa之間；石千峰組巖石強度變化比較劇烈；上石盒子組下部到下石盒子組強度逐漸增加，至山西、太原組強度達到極值，為80～100 MPa。上部地層中，劉家溝和石千峰組的抗壓強度偏高且波動范圍較大，鉆進難度較大；下部地層中，從下石盒子組開始，地層的抗壓強度高、波動范圍大，鉆進難度較大；其余地層的鉆進難度不大［8］。

圖3 地層巖石強度分析示意圖Fig.3 Schematic diagram of formation rock strength analysis

2 鉆頭優(yōu)化設(shè)計

2.1 優(yōu)化設(shè)計布齒密度

鉆頭切削齒的布置一般是按照“等磨損原則”進行設(shè)計，如圖4所示，鉆頭每個部位切削齒的磨損量盡量做到相等，鉆頭設(shè)計時，越靠邊緣，布齒越密；越靠里側(cè)，布齒越少；布齒過密時，磨損慢，壽命長，但機械鉆速慢；布齒過稀疏時，機械鉆速快，但磨損快，壽命短。

圖4 鉆頭切削齒布置示意圖Fig.4 Layout of bit cutting teeth

為了反映鉆頭旋轉(zhuǎn)一周切削齒吃入地層的能力，引入井底覆蓋系數(shù)［9-10］，用δ表示：

式中：n是切削齒總數(shù)，i=1；l是切削齒半徑中點處對應弦長；L是冠部輪廓線長度。

劉家溝以下地層可鉆性較差，可鉆性級別大于4，按照“直線-圓弧-直線”型冠部形狀進行計算，L為兩段直線長度與圓弧長度之和，L=77 mm，切削齒尺寸為16 mm。計算不同數(shù)量布齒時的井底覆蓋系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 布齒數(shù)量對覆蓋系數(shù)和單齒承壓量的影響Table 2 Influence of number of teeth distribution on coverage coefficient and single tooth bearing capacity

隨著布齒數(shù)量的減少，井底覆蓋系數(shù)逐漸降低，布齒數(shù)量為17時，井底覆蓋系數(shù)值為3.53，單齒承壓量是0.59 t；當數(shù)量降至11時，覆蓋系數(shù)值僅為2.29，單齒承壓量是0.91 t。當布齒密度過大時，單顆齒分擔鉆壓小，攻擊性變小，破巖效率降低；布齒密度過小時，單顆齒分擔鉆壓大，磨損增加。所以在提高破巖效率的同時要兼顧鉆頭磨損，劉家溝以下地層將主切削齒數(shù)量由17個減少至15個［11］。

2.2 優(yōu)化調(diào)整切削齒尺寸

為了找尋切削齒尺寸對不同巖性的影響規(guī)律，利用簡單鉆頭裝置進行了試驗，用鉆頭切削深度的變化來表示鉆頭的破巖效率，分別對可鉆性級別為6和8的巖樣進行了試驗，試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 切削齒直徑對切削效率的影響Fig.5 Influence of cutting tooth diameter on cutting efficiency

現(xiàn)場的實際作業(yè)表明，對于可鉆性級別6以上的巖石，利用16 mm齒鉆頭，攻擊性更強，破巖效率更好。

對二開石千峰以上地層，圖6、圖7為使用19 mm齒和16 mm齒對比試驗的現(xiàn)場鉆速統(tǒng)計效果。使用5刀翼19 mm齒鉆頭平均機械鉆速為14.5 m/h，最高達到22 m/h；使用5刀翼16 mm齒鉆頭平均機械鉆速為12.5 m/h，最高達到18.5 m/h；從提速效果對比看，19 mm齒平均提速15%。后續(xù)井作業(yè)時，二開鉆頭使用5刀翼19 mm齒鉆頭。

圖6 19 mm齒鉆頭機械鉆速統(tǒng)計Fig.6 Statistics of drilling speed of 19 mm tooth machine

圖7 16 mm齒鉆頭機械鉆速統(tǒng)計Fig.7 Statistics of drilling speed of 19 mm tooth machine

對二開石千峰以下地層進行對比試驗，使用5刀翼19 mm齒鉆頭平均機械鉆速7.5 m/h，最高達到10 m/h；使用5刀翼16 mm齒鉆頭平均機械鉆速13 m/h，最高達到21.5 m/h；從提速效果對比看，16 mm齒提速明顯。因此建議石千峰及其以下地層鉆頭使用5刀翼16 mm齒鉆頭。實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 石千峰及其以下地層不同尺寸齒鉆頭轉(zhuǎn)速Fig.8 PDC bit with different sizes in Shiqianfeng Formation and below

2.3 后傾角優(yōu)化設(shè)計

后傾角是切削齒切削面和地層平面法線之間的夾角［12-13］，如圖9中α所示，是PDC鉆頭的重要設(shè)計參數(shù)。Hibbs研究提出切削齒后傾角的范圍為10°～20°，隨著對鉆頭研究的增多，人們逐漸認識到后傾角并非越大越好，反而后傾角減小時，切削效率增加，鉆速加快。

圖9 鉆頭后傾角示意圖Fig.9 Schematic diagram of bit caster angle

當鉆頭進行切削作業(yè)時，切削齒作用力Fc可以被分解為垂直于巖石的力F1和平行于切削齒工作面的力F2，如圖10所示。F1主要起到破碎巖石的作用［14］，F(xiàn)1=Fc×cosα，可以看出，隨著后傾角α的增大，F(xiàn)1逐漸減小，切削的深度變淺，切削效果減弱；隨著后傾角α的減小，F(xiàn)1則逐漸增大，切削深度增加，切削效果增強。

圖10 不同后傾角下鉆頭切削深度示意圖Fig.10 Schematic diagram of cutting depth of bit at different casters

利用試驗模擬后傾角大小對巖樣破巖效率的影響規(guī)律，分別選擇可鉆性級別為6和8的巖石進行試驗。試驗結(jié)果顯示，后傾角角度對切削深度的影響呈現(xiàn)一定的規(guī)律，在同一鉆壓和后傾角下，可鉆性級別越大，切削深度越深；在同一鉆壓和可鉆性性級別下，切削深度先隨著切削角度增加逐漸加深，增加至15°時，切削深度達到最大值，角度繼續(xù)增加，切削深度反而呈現(xiàn)下降趨勢；在不同鉆壓條件下，均在15°時，切削深度達到最深狀態(tài)。同時，隨著鉆壓的增加，切削深度也逐漸增加。示意圖如圖11、圖12所示。

圖11 后傾角對可鉆性級別為6巖石切削效率的影響Fig.11 Effect of caster angle on rock cutting efficiency with drillability level of 6

圖12 后傾角對可鉆性級別為8巖石切削效率的影響Fig.12 Effect of caster angle on rock cutting efficiency with drillability level of 8

根據(jù)試驗結(jié)果，鉆頭后傾角設(shè)計為15°時，切削深度達到了最優(yōu)值，后傾角小于或者大于15°時，均未到最好的切削效率?，F(xiàn)場前期使用的鉆頭后傾角為20°，當鉆壓為8 t時，切削深度為0.8 mm，與后傾角為10°時的切削深度基本一樣；而將后傾角調(diào)整至15°時，切削深度可以達到0.96 mm，切削深度增加了20%。為了進一步提高切削效率，將鉆頭后傾角調(diào)整為約15°。

2.4 側(cè)傾角優(yōu)化設(shè)計

側(cè)傾角β也是鉆頭設(shè)計的一個基本參數(shù)，如圖13所示。側(cè)傾角可以對巖屑產(chǎn)生側(cè)向推力，將巖屑推向鉆頭外側(cè)，防止鉆頭泥包［15-16］。對直線形刀翼結(jié)構(gòu)鉆頭，側(cè)傾角對鉆頭破巖效率影響不大，β一般取為零；但是對于螺旋形刀翼結(jié)構(gòu)的鉆頭，側(cè)傾角的存在可以配合后傾角降低切齒后部硬質(zhì)合金支撐部分與環(huán)槽內(nèi)巖石的摩擦。當鉆頭正常作業(yè)時，切削齒在切削槽中旋轉(zhuǎn)，其切削刃集中在復合片前部，導致其后部的支撐部分會與地層產(chǎn)生摩擦磨損，影響機械鉆速，而側(cè)傾角設(shè)計可以及時排除切削齒齒前巖屑，提高破巖效果。切削齒的摩擦磨損現(xiàn)象如圖14所示。

圖13 鉆頭側(cè)傾角示意圖Fig.13 Schematic diagram of bit side angle

圖14 切削齒的摩擦磨損現(xiàn)象Fig.14 Friction and wear of cutting teeth

側(cè)傾角β的計算公式為：

其中

式中：Δd是影響切削的復合片切削部分；l是切削齒齒長；Ri是切削齒中心距；ri是切削齒半徑。

可以看出，側(cè)傾角和切削齒的半徑、齒長、切削齒中心距均有關(guān)系，為了保證鉆頭的切削效果，需要合理設(shè)計側(cè)傾角［17］。

文獻［18-19］對側(cè)傾角對切削力的變化進行了試驗模擬，如圖15所示。結(jié)果顯示，隨著側(cè)傾角的增大，切削力先下降然后再增加，側(cè)傾角為5°時，切削力約為200 N；當側(cè)傾角增加至約10°時，切削力增加至接近300 N；側(cè)傾角繼續(xù)增加時，切削力則開始下降。為了保持高強度的切削力，側(cè)傾角需要控制在10°以內(nèi)。

圖15 側(cè)傾角對切削力的影響Fig.15 Influence of side angle on cutting force

3 現(xiàn)場應用

改進后的鉆頭應用于現(xiàn)場，結(jié)果表明，鉆頭泥包得到明顯緩解，同時機械鉆速明顯提高，工期大為縮短，提效效果顯著。

1）鉆頭泥包大大緩解

鉆頭優(yōu)化前，在石千峰組、石盒子組的泥包現(xiàn)象時有發(fā)生，鉆頭改進后，破巖效率提高，同時可以有效清潔井底，巖屑可以及時返出，不會形成厚泥餅。截止目前，已經(jīng)完鉆20多口小井眼井，未發(fā)生明顯的鉆頭泥包情況。前期發(fā)生過鉆頭泥包的井場，新加井后，鉆頭泥包均得到了有效控制。

2）機械鉆速明顯加快

改進后，機械鉆速明顯加快，早期1D井作業(yè)時，機械鉆速5.4 m/h，改進后，2D，3D，4D井平均機械鉆速15.3 m/h，提高了2倍，提效效果明顯。

表3 改進前后機械鉆速和鉆頭磨損評價對比表Table 3 Comparison of mechanical ROP and bit wear evaluation before and after improvement

3）鉆井工期大為縮短

定向井優(yōu)化后，使用小井眼進行鉆井作業(yè)，平均2 000 m鉆井工期縮短至18天以內(nèi)（如圖16所示），與改進前工期相比，鉆井周期縮短10%以上。

圖16 鉆頭改進后現(xiàn)場工期Fig.16 Comparison of site construction period after bit improvement

4 結(jié)論

對臨興區(qū)塊地層特性、可鉆性、巖石強度進行了分析研究，在此基礎(chǔ)上對鉆頭的布齒密度、后傾角、側(cè)傾角等結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，得出以下結(jié)論：

1）臨興致密氣區(qū)塊地層泥巖、砂泥巖互層，地層容易吸水膨脹，產(chǎn)生鉆頭泥包現(xiàn)象，根據(jù)表面水化和滲透水化機理，可通過調(diào)整鉆井液體系，改變鉆井液中離子濃度，縮小黏土膨脹的層間距等抑制水化膨脹。

2）第四系黃土層可鉆性較好，可選擇PDC鉆頭或者牙輪鉆頭；劉家溝組以下的地層可鉆性較差，可鉆性級別均大于4，可選擇PDC鉆頭。

3）上部地層中的劉家溝和石千峰組的抗壓強度偏高且波動范圍較大，鉆進難度較大；下部地層中，從下石盒子組開始，地層的抗壓強度高、波動范圍大，鉆進難度較大。

4)對鉆頭進行優(yōu)化調(diào)整設(shè)計。鉆頭主切削齒數(shù)量由17個減少至15個，后傾角由20°調(diào)整至15°左右，側(cè)傾角調(diào)整至10°以內(nèi)，水眼采用可調(diào)式水眼，對于石千峰以上地層選用19 mm齒鉆頭鉆進，對于石千峰以下地層選用16 mm齒鉆頭鉆進。

5)現(xiàn)場應用表明，鉆頭泥包得到明顯緩解，鉆井機械鉆速明顯提高。