高磨区块PDC钻头个性化设计技术研究与应用_耿付恒.pdf
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1、设备管理与维修2023 5(下)0引言高磨区块位于四川安岳气田,构造位置为四川盆地乐山龙女寺古隆起,主体构造 805 平方公里。该区块气藏具有“两大、两高”的特点,即储量规模大、含气面积大,气井产量高、气藏压力高,是中石油重点勘探开发区块。针对该区块雷口坡嘉陵江段地层钻进难点,通过地层可钻性分析,对 PDC 钻头在冠部轮廓、切削结构、吃入角度、吃深控制及防卡结构等方面进行个性化设计,实现钻井提速目的。1高磨区块目标地层可钻性分析高磨地区雷口坡嘉陵江组岩性主要以云岩、灰岩、白云岩及石膏互层,通过对采集的测井数据进行分析,采用声波密度解释模式绘制高磨区块雷口坡嘉陵江段目标地层岩石可钻性剖面,获得目
2、标地层的抗压强度、压入硬度、可钻性极值、内摩擦角等关键岩石力学参数1-2。由图 1 可知,目标地层抗压强度均值 153157 MPa,压入硬度均值 25002600 MPa,可钻性极值为 6.086.24,属于中硬地层。推荐使用五刀翼、16 mm PDC 钻头。2PDC 钻头个性化设计技术根据高磨地区雷口坡嘉陵江组地层可钻性分析结果,为PDC 钻头选型提供了理论支撑,优秀的 PDC 钻头应具备高钻速、长寿命、低粘滑、强稳定的特点,针对这个目标从以下 6 个方面进行个性化设计。2.1冠型设计根据高磨区块雷口坡嘉陵江组地层特性及钻井需求,采用中锥双圆弧剖面冠型设计(图 2)。冠部轮廓为直线圆弧圆弧
3、直线结构,其中内锥角为 70。该冠型设计可以提高钻头稳定性,减小钻头在钻进过程中产生的横向振动,从而提高钻进效率。平滑过渡的外锥形状可消除集中点载荷,提高钻头的抗冲击和穿硬夹层能力。2.2布齿设计采用 16 mm 切削齿、五刀翼非螺旋布齿方式,冠顶至钻头中心轴布齿间距加大,降低布齿密度,强化攻击性,加深加宽芯部齿井底切削产生的脊高有利于提高钻头稳定(图 3)。在磨损严重的肩部位置适当减小布齿间距(最小齿间距3 mm),以提高肩部布齿密度。2.3切削齿工作角度优化切削齿在空间位置由定位半径、定位高度、圆摘要:常规 PDC 钻头在四川高磨区块雷口坡嘉陵江组钻进过程中,经常由于井壁缩径及软硬夹层原因
4、,易导致钻头缩径卡钻、憋跳、粘滞现象,影响机械钻速及钻井周期。经技术调研综合分析,针对上述地层特性对 PDC 钻头进行个性化设计,经高石 128 井现场应用,个性化设计的 PDC 钻头单只一趟钻进尺 751.64 m,平均机械钻速 10.87 m/h,机速提升 80%,为高磨地区雷口坡嘉陵江组钻井提速提供技术支持。关键词:高磨区块;PDC 钻头;个性化设计;可钻性;流场中图分类号:TE21文献标识码:BDOI:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.05D.50高磨区块 PDC 钻头个性化设计技术研究与应用耿付恒1,田东彬1,李辉2,戴昆3(1.渤海石油装备(天津)中成机
5、械制造有限公司,天津300280;2.渤海钻探工程有限公司井下技术服务分公司,天津300280;3.中国石油集团川庆钻探川庆页岩气项目经理部,四川成都610051)图 1目标地层可钻性剖面图 2冠型剖面设计115设备管理与维修2023 5(下)周角、后倾角、侧倾角、法向角(装配角)来确定,同等钻井参数条件切削齿后倾角在不同岩性中破岩效率影响较大,软地层一般采用 1020后倾角设计,中硬地层一般采用 2025后倾角设计。针对高磨区块地层特点,钻头采用芯部切削齿后倾角优化为1112,鼻肩部优化为 1219,外锥优化为 1925,提高钻攻击性的同时,增强外锥部的抗冲击性能。优化前后排齿高度差,控制切
6、削深度,降低钻头定向过程中的反扭矩,减小工具面波动,提高定向效果及机械钻速。通过专业的 PDC 钻头设计软件进行合力调整计算,将钻头不平衡度控制在 0.5%以内,减小钻头横向位移(图 4)。2.4防卡结构设计针对该层位地层石膏污染、地层失水容易导致井壁掉块、缩颈,在钻头接头与冠部连接处堆积,形成卡钻风险。钻头采用加强保径+防卡结构设计(图 5)。2.5一体式结构设计常规钻头一般采用分体式结构设计,为了提升钻头的定向造斜能力,采用一体式结构设计,使钻头整体长度缩短了 50 mm(图6),从而提高定向效率,以达到提高钻头整体机械钻速的目的。2.6水力结构设计基于 CFD 技术,对个性化设计 PDC
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