PDC钻头钻井提速关键影响因素研究.pdf
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1、doi:10.11911/syztjs.2023022引用格式:高德利,刘维,万绪新,等.PDC 钻头钻井提速关键影响因素研究 J.石油钻探技术,2023,51(4):20-34.GAODeli,LIUWei,WANXuxin,etal.StudyonkeyfactorsinfluencingtheROPimprovementofPDCbitsJ.PetroleumDrillingTechniques,2023,51(4):20-34.PDC 钻头钻井提速关键影响因素研究高德利1,刘维1,万绪新2,郭勇3(1.石油工程教育部重点实验室(中国石油大学(北京),北京102249;2.中石化胜利石油
2、工程有限公司,山东东营257000;3.中国石油新疆油田分公司工程技术研究院,新疆克拉玛依834000)摘要:为了在钻井工程中发挥出 PDC 钻头的最大功效,通过理论分析、室内试验、案例分析、现场试验等,探讨了高钻压、高转速等钻井参数强化对 PDC 钻头钻速和磨损的影响规律,同时分析了 PDC 钻头的磨损机理与过早失效主因。研究结果表明:1)钻压是影响 PDC 钻头机械钻速的直接和首选因素,当钻头处于高效破岩状态时,无论钻遇一般地层还是硬岩地层,钻压与机械钻速均应呈线性关系;钻遇均质硬岩地层时,建议将 200kN 以上高钻压纳入 PDC 钻头的常规应用参数;2)提高转速可实现钻井提速,虽然高转
3、速会加剧 PDC 钻头的磨损,但目前切削齿的质量足以满足 PDC 钻头在高转速(400500r/min)下长时间钻进多数地层的需求;3)布齿密度对钻头机械钻速有影响,但并非直接因素,只要“吃得进去,切得下来,排得及时”三者建立动态平衡,即便是高布齿密度 PDC 钻头也可以实现优快钻进;4)PDC 钻头破岩效率越高,钻头磨损会越小,如提高钻压,会增大切削齿吃入深度、减少钻头磨损;5)动态冲击和低效破岩是造成 PDC 切削齿和钻头过早失效的主因,实现 PDC 钻头高效钻进的核心是提高破岩效率与抑制钻头振动。该研究结果对 PDC 钻头合理使用与钻井提速技术创新具有参考意义。关键词:PDC 钻头;钻井
4、提速;钻井参数;硬岩提速;钻头失效;切削齿磨损机理中图分类号:TE21文献标志码:A文章编号:10010890(2023)04002015Study on Key Factors Influencing the ROP Improvement of PDC BitsGAO Deli1,LIU Wei1,WAN Xuxin2,GUO Yong3(1.MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing,102249,China;2.SinopecShengli Oilf
5、ield Service Corporation,Dongying,Shandong,257000,China;3.Engineering Technology Research Institute,PetroChina Xinjiang Oilfield Company,Karamay,Xinjiang,834000,China)Abstract:For the maximization of the efficacy of the polycrystalline diamond compact(PDC)bits in drillingengineering,comprehensive re
6、search,including theoretical analysis,laboratory test,case study,and on-site trials,wasconductedtoinvestigatehowahighweight-on-bit(WOB),ahighrotaryspeed,andotheroptimizeddrillingparametersworkontherateofpenetration(ROP)andthewearofaPDCbit.Furthermore,thewearmechanismofthePDCbitandtheprimarycauseofth
7、eprematurefailureofthebitwereanalyzed.Theresultsindicatedthat:1)TheROPofthePDCbitwasdirectlyandprimarilyaffectedbytheWOB.Whenthebitwasinanefficientrock-breakingstate,theWOBwasinvariablyinalinearrelationshipwiththeROPwhethertheformationencounteredwasaconventionaloneorahardrockformation.AddingahighWOB
8、over200kNintothenormalpressurizationrangeofthePDCbitwasrecommendediftheformationencounteredwasahomogeneoushardrockformation.2)ROPimprovementcouldbeachievedbyenhancingtherotaryspeed.AlthoughthewearofthePDCbitcouldbeaggravatedbyahighrotaryspeed,therequirementonaPDCbittopenetratemostformationsforalongt
9、imeatahighrotaryspeed(400500r/min)couldbereadilymetbythequalityofthecurrentlyavailablePDCcutter.3)TheROPofthebitwasalsoaffectedbycutterdensity,butnotinadirectmanner.Aslongasadynamicbalanceamong收稿日期:2022-12-05;改回日期:2023-02-01。作者简介:高德利(1958),男,山东禹城人,1982 年毕业于华东石油学院钻井工程专业,1984 年获西南石油学院石油矿场机械专业硕士学位,1990
10、 年获石油大学油气田开发工程专业博士学位,教授,中国科学院院士,长期从事复杂油气井工程领域的科学研究与实践。系本刊编委。E-mail:。通信作者:刘维,。基金项目:国家自然科学基金重点项目“复杂结构井工厂立体设计建设基础研究”(编号:52234002)、国家自然科学基金创新研究群体项目“复杂油气井钻井与完井基础研究”(编号:51821092)、中国石油大学(北京)科研启动基金项目“高效钻头的研究”(编号:ZX20190065)联合资助。第51卷第4期石油钻探技术Vol.51No.42023年7月PETROLEUMDRILLINGTECHNIQUESJul.,2023“capabilitiest
11、obiteintotheformation,cuttherock,andevacuatethecuttingsintime”wasreached,theoptimizedfastdrillingcouldbeachievedevenbyaPDCbitwithahighcutterdensity.4)ThewearofthePDCbitwaslesssevereunderthehigherrock-breakingefficiencyofthebit.TheWOBcouldbeenhancedtoimprovetheROPandreducebitwear.5)Dynamicimpactandin
12、efficientrock-breakingwereconsideredtheprimarycausesoftheprematurefailureofthePDCcutterandbit.ThekeyforthePDCbittoachieveefficientpenetrationwasimprovingrock-breakingefficiencyandrestrainingbitvibration.TheaboveresultscouldbeusedasareferencefortheproperutilizationofPDCbitsandtheinnovationofROPimprov
13、ementtechnologies.Key words:PDCbit;ROPimprovement;drillingparameters;ROPimprovementforhardrockformation;bitfailure;wearmechanismofPDCcutter一只钻头的进尺和机械钻速对于井队和钻头厂家都很重要,但令人不解的是我国钻头厂家对于钻头目标地层和应用参数的相关规定甚少,如何使用钻头主要取决于现场技术人员或操作人员。尽管现场人员拥有深厚的技术积累和丰富的实践经验,但某一时期的先进技术和实践经验难免具有“滞后性”。很多时候,PDC 钻头的应用参数(钻压、转速、排量和泵压等
14、)和底部钻具组合基本上相对固定,每趟钻只是“遵照规范”在框架内简单调整钻井参数,随机试用不同厂家的钻头和工具,对于 PDC钻头钻井提速背后的基本理论与关键因素缺乏深入研究。与之相比,国外钻井工程中 PDC钻头的应用参数范围更加宽泛灵活,高钻压(200kN)、高转速(300r/min)等钻井参数强化已成为常规设计控制内容,PDC 钻头在国外难钻地层的成功应用也常常突破国内经验认知,值得我们深思与借鉴。笔者团队围绕国际钻井提速技术最新进展,通过理论分析、室内试验、案例分析、现场试验等,深入分析了钻压、转速、钻头设计等钻井提速关键因素及其影响规律,探讨了钻井参数强化与 PDC 钻头磨损的内在联系,阐
15、释了造成 PDC 钻头过早失效的主因,澄清了因机理认识不清而引起的 PDC 钻头的常见使用误区,以期为 PDC 钻头合理使用与钻井提速技术创新提供有益参考。1影响 PDC 钻头钻井提速的直接因素PDC 钻头旋转破岩可简单分为吃入地层和旋转切削岩石 2 个独立过程1。钻头处于高效破岩状态时,施加的钻压应与 PDC 钻头吃入地层的深度呈线性关系,钻压越高,钻头吃入地层越深,当扭矩充足时即可破碎相应吃入深度的岩石210。因此,钻压(吃入深度)和转速是影响钻头机械钻速的最直接因素,三者符合以下线性关系:v=60dr(1)v式中:为机械钻速,m/h;d 为钻头旋转一周的吃入深度,m/r;r 为钻头转速,
16、r/min。虽然式(1)是对钻压、转速和机械钻速三者关系的定性描述,其计算结果也与实际机械钻速相差较大(由于脆性破坏转变为延性破坏等原因,钻进时钻头在井底压力下的破岩效率可能只有常压环境下的 30%40%),但无论是在常压环境下还是在井底压力环境下,PDC钻头处于高效破岩状态时的机械钻速均应与钻压保持线性关系210,如图 1 所示。机械钻速钻压O高转速、地层可钻性好、齿/钻头攻击性强低转速、地层可钻性差、齿/钻头攻击性弱图 1 钻头高效破岩时钻压与机械钻速的关系示意Fig.1 Relationship between WOB and ROP during effi-cient rock-bre
17、aking of the bit通过室内全尺寸钻头破岩试验装置,笔者团队对式(1)进行了简单验证。选取可钻性较好的石灰岩(单轴抗压强度 89MPa)和可钻性差的花岗岩(单轴抗压强度 204MPa)作为钻进岩样,采用相同的215.9mmPDC 钻头设计(4 刀翼、16.0mm 切削齿),分别装配平面圆形齿(基准)、异形齿 1 和异形齿 2。试验过程中以钻压为参变量,提供充足排量的清水以清洁井底。试验结果如图 2 所示,无论钻遇可钻性较好的石灰岩或可钻性差的花岗岩,还是采用不同齿形的切削齿,PDC 钻头的机械钻速与钻压之间都符合线性关系;而且在相同钻压下,地层可钻性越好,切削齿和钻头的攻击性越强,
18、则钻头的机械钻速就会越快。当钻速较慢时,提高钻压是钻井工程中常用的提速措施之一,但很多时候并不会收到预期的提速第51卷第4期高德利等.PDC 钻头钻井提速关键影响因素研究21效果,即钻压与机械钻速之间出现非线性响应。现场技术人员通常将之归因于钻头失效或地层因素,但很多时候 PDC 钻头的出井状况比较好。实际上,钻压与机械钻速的非线性响应往往是由于钻井“异常”因素210,不能单纯归因于难钻地层固有属性或钻头过早失效。钻头破岩效率低或者钻头过早失效只是钻井“异常”因素产生的结果。钻井“异常”因素包括:1)直接影响钻头表现的因素,例如钻头的轴向、扭转、横向等振动(涡动、粘滑、跳钻等),井底清洁不佳,
19、切削齿泥包或钻头泥包,地层非均质性,破岩方式与地层岩性不匹配等,如图 3 所示;2)影响钻井能量输入的非钻头因素,例如地质结构复杂限制了井下动力钻具的使用,井下管柱屈曲效应,顶驱和工具的抗扭极限低,井斜角大需轻压吊打,MWD 等工具信号采集,长水平段存在携岩、托压等问题。机械钻速钻压涡动井底泥包钻头泥包地层不均质粘滑PDC 钻头高效钻进图 3 “异常”因素作用时钻压与机械钻速的关系示意Fig.3 Relationship between WOB and ROP under influ-ences of“abnormal”factors美国学者推荐通过试钻法确定并消除这些“异常”因素510。例如
20、,首先提高钻压直至钻压与机械钻速出现非线性响应,然后通过分析机械比能(mechanicalspecificenergy,简称 MSE)等钻井数据,确定钻井“异常”原因,然后消除“异常”使钻压与机械钻速重回线性关系;然后再提高钻压,以此往复。在此过程中,MSE 起着至关重要的作用,尤其是井下 MSE 能够很好地表征钻头破岩效率,可用来实时评判钻头在井底是否高效破岩钻进。2004年埃克森美孚公司首先将 MSE 应用于钻井现场,辅助井队人员实时监测钻井工况,获得了较好的提速效果,从而得到广泛应用312。2高钻压对 PDC 钻头钻速和磨损的影响20202021 年,美国能源部“地热能前沿观测研究计划(
21、FORGE)”在犹他州先后完成 3 口干热岩勘探井(16A(78)-32 井、56-32 井和 78B-32 井),通过采用 200kN 以上高钻压和异形齿 PDC 钻头,实现了高温花岗岩地层(单轴抗压强度 207276MPa)的优快钻进。最后一口井(78B-32 井)更是采用了 295kN 的高钻压(最高用到 308kN),在高温花岗岩地层实现最大进尺 643m,最高机械钻速29m/h,大幅领先于世界其他地区的干热岩钻进指标813。FORGE 钻井数据表明,高钻压(200kN)下 PDC 钻头在花岗岩地层的机械钻速与施加的钻压仍然保持线性关系,并且钻头涡动在高钻压下也得到了有效抑制,此时 P
22、DC 钻头钻遇花岗岩变成了纯磨损问题。另外,在顶驱、井下动力钻具、加粗钻杆的配合下,高钻压并未引发 PDC 钻头的憋钻、粘滑等问题。FORGE 项目中,308kN 的最高钻压取自 PDC 钻头的最大安全承载,如果钻头承载进一步增大,则钻压还会随之提高。与之相比,我国钻井工程采用的钻压范围相对保守:PDC 钻头在陆上油田钻进一般地层的推荐钻压是 4080kN,钻速很快或吊打纠斜时钻压往往只有 1020kN,采用钻井参数强化时钻压可提高90807060504030201005101520钻压/kN2530354045机械钻速/(mh1)花岗岩平面圆齿石灰岩平面圆齿y=2.06x5.71R2=0.9
23、3y=1.16x12.03R2=0.96(a)岩性的影响45403530252015105015102025钻压/kN3035机械钻速/(mh1)花岗岩平面圆齿y=1.76x14.30R2=1.00y=1.37x11.48R2=0.97y=1.16x12.03R2=0.96(b)齿形的影响花岗岩异形齿 1花岗岩异形齿 2图 2 岩性和齿形对钻压与机械钻速之间关系曲线的影响Fig.2 Effects of lithology and cutter shape on relationship curve between WOB and ROP22石油钻探技术2023年7月至 80120kN;钻速较
24、慢时,如钻遇硬岩地层,也偶尔尝试 120150kN 高钻压,但不是常规操作,PDC 钻头施加 150kN 以上钻压的案例鲜有报道。PDC 钻头在海上油田的作业参数相对激进,在上部地层大尺寸井眼会使用 160180kN 的高钻压,随着井深增大,钻压会逐步降低。不得不承认,美国采用 200kN 以上高钻压与我国钻井技术人员长期坚持的“低钻压、高转速”PDC 钻头使用原则相违背。针对高钻压的一个主要质疑是,低钻压能保护钻头,而提高钻压会加速 PDC 钻头的磨损,缩短其使用寿命。为了探究钻压与 PDC 钻头磨损的真实关系,笔者团队开展了以下相关研究。从摩擦学角度分析,PDC 切削齿和钻头的磨损与其所受
25、载荷(钻压)、行进距离均呈正相关性。不同于钻头进尺,行进距离是指 PDC 切削齿随钻头钻进而行进的总运动距离。所受钻压越高、行进距离越远,钻头的磨损就会越多。另一方面,提高钻压会增加切削齿吃入地层的深度,增大切削齿与井底的接触面积,无论钻压高低,钻压所产生的切削齿与地层接触面的单位面积载荷应与钻遇岩石的原位强度相等,即切削齿的单位面积所受载荷取决于岩石力学性能,与钻压无关,如果两者尚未达到平衡状态,切削齿的吃入深度会继续增大直至达到平衡或者岩石发生破裂。另外,钻压的施载区域是切削齿的整个接触面积,而切削齿发生摩擦的区域只是切削齿的边缘(倒角附近)。因此,与钻压相比,行进距离对 PDC 切削齿和
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