楊海東 汪俊鋒

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)湛江分公司, 廣東 湛江 524057

0 前言

南海西部北部灣盆地地質(zhì)層位自上而下分為新近系望樓港組、燈樓角組、角尾組、下洋組、古近系潿洲組和流沙港組。常用的井身結(jié)構(gòu)是:508.00 mm隔水管+406.40 mm井眼和339.73 mm套管+311.15 mm井眼和244.48 mm套管+215.90 mm井眼和177.80 mm尾管。北部灣盆地鉆井事故率高,據(jù)統(tǒng)計(jì),在潿西南的潿洲10-3油田、潿洲12-1油田開發(fā)項(xiàng)目中鉆井復(fù)雜事故率超過60%,鉆井成本超2萬元/m,是業(yè)內(nèi)典型的鉆井事故高發(fā)區(qū)域[1-3]。經(jīng)過多年來對井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和探索,總結(jié)得出解決問題的關(guān)鍵措施之一是一開406.40 mm井段打穿新近系地層,將表層339.73 mm套管下至潿洲組一段頂部[4-6]。

為提高效率降低鉆井成本,期望實(shí)現(xiàn)1只鉆頭1趟鉆完成406.40 mm井眼鉆進(jìn)。而實(shí)際作業(yè)中,銑齒牙輪鉆頭壽命短，無法穿越下洋組砂礫巖地層,PDC鉆頭與馬達(dá)配合時(shí)MWD工具面不穩(wěn)無法實(shí)施定向鉆井,常規(guī)鑲齒牙輪鉆頭設(shè)計(jì)與地層不匹配、機(jī)械鉆速低,3種常用類型鉆頭均需要至少2趟鉆完成,亟需鉆頭技術(shù)創(chuàng)新突破,在此背景下,研發(fā)了適用于該區(qū)塊的強(qiáng)攻擊型鑲齒牙輪鉆頭,實(shí)現(xiàn)1只鉆頭、1趟鉆打穿新近系地層,創(chuàng)造中國海洋石油有限公司兩項(xiàng)紀(jì)錄,提質(zhì)增效顯著,鉆頭技術(shù)發(fā)展為井身結(jié)構(gòu)調(diào)整應(yīng)對潿洲組鉆井難題奠定了基礎(chǔ)。

1 地層可鉆性分析

1.1 巖性特點(diǎn)

北部灣盆地新近系及其以上地層為一套盆地坳陷期的濱淺海相碎屑巖沉積,地層埋深較淺,下洋組底部平均垂深約1 400～1 500 m,整個(gè)北部灣盆地內(nèi)新近系地層沉積厚度相對穩(wěn)定[7-8],典型的新近系地層特征見表1,總結(jié)各地層序列巖性特點(diǎn)以及實(shí)鉆情況,地層可鉆性有以下特點(diǎn)和規(guī)律。

1)燈樓角組及以上地層巖性以細(xì)砂巖、砂礫巖、軟泥巖為主,膠結(jié)疏松,可鉆性極好。

2)角尾組以大套泥巖為主,底部少量砂巖夾層,泥巖極易水化,可鉆性好。

3)下洋組以砂巖為主,中下部地層含礫嚴(yán)重,礫徑一般為2～4 mm,最大礫徑可達(dá)6 mm,多為疏松的泥質(zhì)膠結(jié),整體可鉆性良好,但偶有膠結(jié)致密的硬夾層,容易造成切削齒嚴(yán)重磨損、崩斷。

表1 地層特征統(tǒng)計(jì)表

1.2 抗壓強(qiáng)度分析

抗壓強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角是地層可鉆性評價(jià)的重要參數(shù),結(jié)合行業(yè)內(nèi)對區(qū)塊可鉆性研究成果,通過聲波測井資料,利用巖石力學(xué)軟件可實(shí)現(xiàn)地層可鉆性分析[9-11]。從軟件分析結(jié)果可見該區(qū)塊地層整體抗壓強(qiáng)度約為6～20 MPa,內(nèi)摩擦角約20°～30°,下洋組中下部抗壓強(qiáng)度逐漸增高,存在較多硬夾層,夾層最高抗壓強(qiáng)度約34～69 MPa,可鉆性分析結(jié)果見圖1。

圖1 潿洲某油田地層可鉆性分析圖Fig.1 Formation drillability analysis of a oilfield in Weizhou formation

1.3 鉆頭選型關(guān)鍵點(diǎn)

北部灣盆地新近系地層鉆頭選型伴隨井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和油田降本增效需求開展,鉆頭選型上需要重點(diǎn)考慮幾方面因素。

1)需配合馬達(dá)造斜。結(jié)合鉆井作業(yè)降本需求,新近系地層定向鉆井作業(yè)原則上使用馬達(dá)鉆具組合,要求鉆頭與馬達(dá)配合可有效控制軌跡。

2)進(jìn)尺較長。為滿足后續(xù)井段作業(yè)需求,一開井段需鉆穿新近系地層,表層套管下至潿洲組頂部地層,井段最高進(jìn)尺接近2 000 m。

3)穿越硬夾層。地層可鉆性差異較大,下洋組硬夾層、砂礫巖對鉆頭磨損嚴(yán)重,鉆井效率低。

2 鉆頭使用現(xiàn)狀分析

北部灣盆地新近系地層鉆頭選型有三個(gè)階段,使用情況及存在問題如下。

2.1 銑齒牙輪階段

銑齒牙輪鉆頭主要使用時(shí)期為2014年以前,具有成本低、可以配合馬達(dá)使用的優(yōu)點(diǎn)。表層井段使用海水拌土漿鉆井液體系半開路鉆進(jìn),鉆井液含砂量較高,在4 500～5 000 L/min的大排量下,流體沖刷對牙輪沖蝕十分嚴(yán)重,切削齒沖蝕及磨損后機(jī)械鉆速急劇降低,鉆進(jìn)至潿洲組一段需要2趟鉆,適用于完鉆深度在下洋組頂部及以上地層的井。

2.2 PDC鉆頭階段

PDC鉆頭主要使用時(shí)期為2014年—2016年,具有攻擊性強(qiáng)、穿越硬夾層能力強(qiáng)、機(jī)械鉆速高的優(yōu)點(diǎn),但在定向井中,PDC鉆頭與馬達(dá)配合使用時(shí)MWD工具面極不穩(wěn)定[12],深層造斜時(shí)純鉆進(jìn)效率低于50%,定向鉆進(jìn)必須與昂貴的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具配合使用,使用成本較高,主要用于直井和定向井的第2趟鉆穩(wěn)斜井段。近年國內(nèi)外鉆井中探索使用“牙輪—PDC”復(fù)合鉆頭,嘗試解決MWD工具面不穩(wěn)定、軟硬交錯(cuò)地層鉆頭抗沖擊等問題,取得了一定效果,也說明了牙輪鉆頭對解決這類問題的關(guān)鍵性[13-16]。

2.3 鑲齒牙輪階段

鑲齒牙輪鉆頭在2016年以后得到逐步應(yīng)用,可以配合價(jià)格低廉的馬達(dá)進(jìn)行定向鉆井,壽命長,具備單只鉆頭打穿新近系地層能力,但常規(guī)鑲齒牙輪適用于中硬地層,抗研磨性強(qiáng),攻擊性弱,角尾組及以下地層機(jī)械鉆速低至10 m/h,鉆井周期長，綜合成本極高。

3 強(qiáng)攻擊型鑲齒牙輪鉆頭設(shè)計(jì)

鑒于銑齒牙輪和PDC鉆頭存在難以解決的適用性缺陷,優(yōu)選出通過對鑲齒牙輪鉆頭設(shè)計(jì)優(yōu)化來解決當(dāng)前鉆頭技術(shù)困難的方案。采用直觀的思維導(dǎo)圖原理,針對鑲齒牙輪鉆頭應(yīng)用中的痛點(diǎn)進(jìn)行針對性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)嘗試,使用中開展持續(xù)的優(yōu)化,研發(fā)出成熟的強(qiáng)攻擊型鑲齒牙輪鉆頭設(shè)計(jì)方案,形成三項(xiàng)鑲齒牙輪鉆頭設(shè)計(jì)優(yōu)化核心技術(shù),強(qiáng)攻擊型鑲齒牙輪鉆頭設(shè)計(jì)思路見表2。

表2 強(qiáng)攻擊型鑲齒牙輪鉆頭設(shè)計(jì)思路表

3.1 加強(qiáng)型鑲齒設(shè)計(jì)技術(shù)

鑲齒牙輪鉆頭主要是針對具有研磨性的硬地層而設(shè)計(jì),由于齒出刃低,攻擊型相對較弱。在可鉆性較好的新近系地層,使用鑲齒牙輪會嚴(yán)重限制機(jī)械鉆速,為解決鑲齒牙輪鉆頭攻擊性不足問題,對鑲齒牙輪鉆頭的設(shè)計(jì)優(yōu)化直接從齒入手,鑲齒牙輪鉆頭切削齒優(yōu)化示意圖見圖2。

1)優(yōu)化選用硬質(zhì)合金齒加長版楔齒,在不改變齒的強(qiáng)度和密度前提下,將齒的高度由22.18 mm增高至23.83 mm,通過增加出刃高度來提升攻擊性。

2)將齒頂寬度加寬1.2 mm,工作刃總長度大而寬,因而相對減少磨損。

3)牙輪根據(jù)破巖工作原理分為超頂、移軸和復(fù)錐,各牙輪配合達(dá)到破巖效果,齒高和齒寬變化對三牙輪配合產(chǎn)生干涉。根據(jù)牙輪鉆頭井底擊碎圖等設(shè)計(jì)原理[17-18],采用專業(yè)軟件對齒圈布置進(jìn)行優(yōu)化,模擬鉆頭在井底的工作動(dòng)態(tài),對移軸定量分析計(jì)算,各圈齒運(yùn)動(dòng)軌跡形成包絡(luò)線,優(yōu)化布齒，解決齒間干涉,均衡單齒破巖量，提高壽命和破巖效率。

圖2 鑲齒牙輪鉆頭切削齒優(yōu)化示意圖Fig.2 Optimization of cutting teeth of the inserted cone bit

3.2 高抗研磨設(shè)計(jì)技術(shù)

海水般土漿大排量鉆進(jìn)對鉆頭流道和切削齒沖蝕問題十分嚴(yán)重,同時(shí)下洋組及以下地層以砂巖為主,具有一定的研磨性,針對流體沖蝕及地層研磨性造成鉆頭先期損壞影響壽命的問題,從以下方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1)減少鑲齒熱處理后基體滲碳層車削,可以增加牙輪殼體表面硬度[19]。

2)三牙輪鉆頭水力系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)必須滿足井底巖屑的脫離—運(yùn)移—舉升三個(gè)基本動(dòng)作的有效配合[20-21],采用ANSYS軟件進(jìn)行井底流場數(shù)值模擬分析,增大噴嘴出口直徑及優(yōu)化角度,降低噴射速度，減少沖蝕。

3)特制保徑齒,在外排與背錐齒排之間增加設(shè)計(jì)特制保徑齒,其目的是減少牙輪殼體磨損,修整井壁,改善鉆井質(zhì)量,特制保徑齒設(shè)計(jì)示意圖見圖3。

圖3 鑲齒牙輪鉆頭特制保徑齒設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Design of special diameter retaining teethof the inserted cone bit

3.3 全掌背保護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)

由于鑲齒加長,為保障齒的抗斷力和緊固力,要求齒的直徑要適當(dāng)增大、齒孔深度加深、各排屑槽深度加深,從而對應(yīng)的軸承壁厚會減少[22-23]。為強(qiáng)化軸承保護(hù),延長鉆頭壽命,特制了加強(qiáng)牙輪掌背設(shè)計(jì)。

1)為提高鉆頭的抗研磨性,在掌背添加耐磨性較強(qiáng)的合金齒,掌背齒略突出背錐面,齒形采用半球形齒,具有良好的耐磨性且不容易發(fā)生破裂,可增強(qiáng)鉆頭抗縮徑能力,避免過度磨損造成軸承密封泄露失效。

2)采用全掌背保護(hù),在掌尖位置加寬加厚敷焊硬質(zhì)合金耐磨層,保護(hù)密封,鑲齒牙輪鉆頭全掌背保護(hù)設(shè)計(jì)示意圖見圖4。

圖4 鑲齒牙輪鉆頭全掌背保護(hù)設(shè)計(jì)示意圖Fig.4 Palm back protection design of the inserted cone bit

4 應(yīng)用效果

改進(jìn)后的強(qiáng)攻擊型鑲齒牙輪鉆頭完全滿足1趟鉆打穿新近系地層的需求,并可根據(jù)需求鉆進(jìn)至潿洲組一段頂部超200 m,在2016年以后的北部灣開發(fā)調(diào)整井中逐步得到普遍應(yīng)用,目前基本取代銑齒牙輪和PDC鉆頭，成為區(qū)塊主力鉆頭型號。在潿洲6-13油田開發(fā)項(xiàng)目中，改進(jìn)后的強(qiáng)攻擊型鑲齒牙輪鉆頭4次打破中國海洋石油有限公司鉆井紀(jì)錄:A4 H井單只鑲齒牙輪鉆頭進(jìn)尺1 860.30 m,打破了此前的最高進(jìn)尺紀(jì)錄、鑲齒牙輪鉆頭單次起下鉆進(jìn)尺2項(xiàng)紀(jì)錄,A8井單只鑲齒牙輪鉆頭進(jìn)尺1 906.65 m,再次刷新該2項(xiàng)記錄。

在機(jī)械鉆速方面,對鉆進(jìn)至潿洲組一段頂部的歷年典型井進(jìn)行統(tǒng)計(jì),銑齒牙輪鉆頭配合馬達(dá)平均機(jī)械鉆速為64 m/h,改進(jìn)后的強(qiáng)攻擊型鑲齒牙輪鉆頭配合馬達(dá)平均機(jī)械鉆速為82 m/h,較銑齒牙輪鉆頭可提速28%,不同類型鉆頭應(yīng)用效果對比見圖5。在經(jīng)濟(jì)性方面,在完鉆井深相似的井中,“強(qiáng)攻擊型鑲齒牙輪+馬達(dá)”與“PDC鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向”機(jī)械鉆速基本持平。強(qiáng)攻擊型鑲齒牙輪鉆頭與馬達(dá)配合使用可滿足定向鉆進(jìn)中軌跡控制要求,相比使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具,單井費(fèi)用可降低超50萬元/井段。

圖5 不同類型鉆頭應(yīng)用效果圖Fig.5 Application effect of different bits

5 結(jié)論及建議

1)強(qiáng)攻擊型鑲齒牙輪鉆頭設(shè)計(jì)方案成熟,性能穩(wěn)定,在北部灣盆地新近系地層鉆井作業(yè)中應(yīng)用占比超90%,是北部灣盆地新近系地層的主力鉆頭,對類似油田鉆頭設(shè)計(jì)和選型具有推廣借鑒意義。

2)對于完鉆層位在下洋組頂部及以上地層的井,由于地層可鉆性較好,不屬于強(qiáng)攻擊型鑲齒牙輪鉆頭的優(yōu)勢井段,推薦使用常規(guī)銑齒牙輪鉆頭,可以獲得較高性價(jià)比。

3)建議后續(xù)研究對鑲齒牙輪鉆頭軸承及密封設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化提升,可有效延長鉆頭使用壽命,有助于應(yīng)對砂礫巖地層鉆進(jìn)安全性和穩(wěn)定性,獲得更高的進(jìn)尺。