石油钻井地层岩石研磨性测试装置及评价方法

现有岩石研磨性评价多采用金属磨损件,存在对软岩和硬岩评价能力不足、适应性差的问题。该文根据金刚石钻头钻进过程中的磨损机理,以孕镶金刚石材料作为标准磨损件,通过“钻-铣”方式模拟破岩测试岩石研磨性,计算并统计相对磨损量,建立岩石研磨性分级标准。采用上述方法和钢杆钻磨法分别对35种岩样进行研磨性评价,该方法获得的研磨性数据呈正态分布特征,符合石油钻井钻遇地层实际情况,测试及分级结果准确可靠。

高研磨性地层特征与钻头研究应用

川北地区陆相须家河组天然气资源丰富,但须家河组地层具有岩性致密、地层高研磨性、可钻性差的特征,导致钻头磨损严重,机械钻速慢。该文在分析各类钻头适应性的基础上,本着提速增效的目标,开展钻头优选研究,提出PDC+牙轮复合式钻头,并进行应用实践,现场应用取得良好的试验效果,PDC+牙轮复合式钻头在地层中具有较高机械钻速、进尺和使用寿命。

针对金刚石钻头的岩石研磨性测定方法

针对石油钻井地层岩石研磨性试验评价问题,根据金刚石钻头的磨损机制,改装试验装置,研制标准磨损件,优选试验规程,提出以标准磨损件研磨破碎单位体积岩石的磨损体积作为岩石研磨性指标,建立-套岩石研磨性测定方法.试验测定石油钻井地层代表性岩石的研磨性指标.通过研磨性试验,优选出标准磨损件的金刚石体积分数为25 %,粒度为0.3mm,胎体配方为酚醛树脂55% 、Cu 25 %、Cr2O3 8%、ZnO 6%、SiC 5 % 、空隙1% （体积分数）.优选出的试验钻压为500 N,转速为198r/min,排量为0.2L/s.试验中代表性岩石的研磨性指标数值为0.80 ~45. 78,取以2 为底的对数值作为研磨性级值,将中国石油钻井地层岩石的研磨性分为6 级.

高研磨性硬地层钻井提速技术

川东北陆相自流井组和须家河组地层岩性致密、研磨性强,机械钻速低、钻头消耗量大,是制约该区域钻井提速的关键层段。为实现提速,各种新型井下工具得到了试验应用,但效果参差不齐。通过计算分层段岩石可钻性,推荐自流井组至须家河组采用孕镶金刚石钻头提高破岩效率;为降低硬地层和软硬交互层段钻头失效导致的钻速低问题,开展了三开井段典型钻具组合扭转和纵向振动理论分析,提出东岳庙段以浅地层采用扭力冲击器配合PDC钻头降低黏滑,珍珠冲段含砾岩层段需使用减震工具或改变钻具组合降低纵振,砂泥岩互层段需推广使用双向减震器或水力加压器降低纵振;采用高速螺杆+孕镶金刚石钻头的复合钻进,提高自流井组至须家河组大井眼定向速度。5口井现场实施后,机械钻速成倍增加、钻头新度提高30%,须家河组?311.2 mm井眼定向速度提高1.32倍。

混合钻头在元坝须家河组高研磨性地层的应用

元坝气田主力气藏埋深超过7 000 m,是中国埋藏最深的海相气田。陆相地层岩性致密、硬度高、非均质性强,机械钻速低,特别是须家河组地层,硬度高、研磨性强、可钻性极差,牙轮钻头磨损速度快、进尺短,PDC钻头难以满足高研磨性的要求,钻头合理选型困难。针对须家河组地层硬度高、砂泥岩交错的地层特点,研制出了KPM系列牙轮-PDC混合钻头,采用3刀翼和3牙轮设计,兼具牙轮和PDC钻头两者的优点。在元坝须家河组应用3井次,较好克服了地层硬度高、软硬交错的影响,进尺和机械钻速均获得大幅提高,为元坝钻井提速探索新的方向。

通用地层研磨性预测模型的建立及应用

以破碎单位体积岩石PDC微钻头的磨损量作为岩石研磨性指标,以南海西部7个油田的岩心作为实验样本,测定了石油钻井中常见沉积岩的研磨性。根据实验结果确定了岩石研磨性与岩石硬度、内摩擦角存在幂函数关系,建立了通用地层研磨性预测模型,并借鉴现场经验及前人分级方案提出了钻井工程岩石研磨性分级参考标准。利用本文提出的通用模型建立了南海西部油田某井地层研磨性剖面,并根据此剖面重新评估了地层研磨性对PDC钻头的磨损,进而对钻头进行了优化设计。应用效果表明,优化后的钻头在邻井相同地层中机械钻速提高了57.27%,同时钻头磨损程度降低,地层研磨性剖面对钻头优化有指导作用。

PDC钻头的岩石研磨性试验研究

利用微型钻头模拟PDC钻头的切削破岩过程 ,对PDC钻头的岩石研磨性进行了试验研究。根据有关磨损理论 ,提出以PDC切削刃在单位正压力下经过单位摩擦路程的体积磨损量作为岩石的研磨性系数 ,建立了根据研磨性系数预测PDC切削齿磨损寿命的理论模型。用试验方法测定了泥板岩、砂质泥岩、泥质砂岩、砂岩、石灰岩、花岗岩等不同岩样的研磨性系数 ,其数值范围为 10 -6～ 10 -3 mm3 / (kN·m)。采用公比为 10的等比级数分级方法 ,将我国石油钻井地层的研磨性分成四级。对直径 2 16mm的PDC钻头的磨损分析表明 ,在研磨性系数小于 5× 10 -5mm3 / (kN·m)的低研磨性地层中 ,切削齿的磨损寿命可达 35 0h左右 ;而在研磨性系数大于 5× 10 -4mm3 / (kN·m)的高研磨性地层中 ,切削齿磨损寿命在 10h以下。

适合于石油钻井地层岩石研磨性测定的标准磨损件研制

为了准确地测定石油钻井地层岩石的研磨性,设计了一种标准磨损件,通过室内试验,研究了不同胎体配方及金刚石参数对试件钻进深度和磨损量的影响规律,优化了试件配方参数。标准磨损件设计为微型取心钻头结构,以酚醛树脂和铜粉为胎体主要材料,以金刚石为磨削元件,采用热压工艺烧结合成,标准试件的磨损能够反映金刚石钻头的磨损实质。以标准试件研磨破碎单位体积岩石的磨损体积作为岩石研磨性指标,试验测定了石油钻井地层代表性岩石的研磨性指标,将石油钻井地层岩石的研磨性分为6级。结果表明:标准磨损件的金刚石体积分数为25%、粒度为60目,胎体配方为:酚醛树脂55%、Cu25%、Cr2O38%、ZnO6%、SiC5%、空隙1%。

阿克纠宾高研磨性地层钻井提速关键技术

阿克纠宾地区的扎纳若尔与北特鲁瓦油田含有丰富的油气资源,主要油气藏位于二叠系以下的石炭系地层。由于二叠系至石炭系厚度大(2 000~3 000 m),且普遍发育致密岩层,尤其是石炭系的MKT、KT1和KT2层研磨性高,导致深部地层机械钻速低(1. 05~2. 50 m/h)。因此,提高本井段的破岩效率是实现该油田高效开发的关键。分析了旋冲钻井及锥形齿钻头破岩受力机理,通过现场试验证明了该项技术在深部高研磨性地层的适用性,并进行了推广应用,实现了阿克纠宾地区深部地层钻井提速1~3倍。基于理论分析和现场实践,形成了以旋冲钻井及锥形齿钻头为主体的阿克纠宾高研磨性地层钻井提速关键技术,对滨里海盆地及发育类似地层区域的高效钻井具有积极的指导和借鉴意义。

针对坚硬致密弱研磨性岩层的金刚石钻头研究进展

针对金刚石钻头在坚硬致密弱研磨性地层钻进时易出现钻进打滑现象,我们分析了坚硬致密弱研磨性地层的岩性特点,阐述了钻头打滑的原因,从胎体配方研究、钻头结构研究、金刚石参数设计、制作工艺及设备研究4个方面介绍了近年来国内外科研人员所做的研究工作和科研成果,并对钻头的发展方向进行了总结和展望。

适合强研磨性硬地层的新型混合钻头设计及现场应用

为提高金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)钻头在强研磨性硬地层中的破岩效率和使用寿命,设计2只由PDC切削齿和金刚石孕镶块组合作为切削单元的PDC–金刚石孕镶块新型混合钻头,并在冀中某断层区块石英岩地层进行现场试验。试验结果表明:与同井段使用过的牙轮钻头的平均值相比,1#PDC–金刚石孕镶块混合钻头的平均机械钻速提高52.30%,平均钻头进尺提高97.30%;与牙轮钻头的平均值和M1375D PDC钻头相比,2#PDC–金刚石孕镶块混合钻头的平均机械钻速分别提高30.85%和32.30%,平均钻头进尺分别提高70.50%和47.40%。PDC–金刚石孕镶块混合钻头极大地提高了强研磨性硬地层中的钻进效率,降低了钻井成本。

适合于研磨性硬地层的新型孕镶金刚石钻头优化设计试验研究

针对现有钻头在研磨性硬地层中普遍存在钻速低、寿命短的问题,研制了一种孕镶钻齿,通过室内试验优选胎体配方和金刚石参数,设计了一种新型孕镶金刚石钻头,并进行了现场应用。孕镶钻齿设计为圆柱形,以铸造碳化钨和碳化钨为胎体骨架材料,以浓度为25%、粒度为80目的天然金刚石颗粒为磨削元件,采用热压工艺烧结合成。新型孕镶金刚石钻头冠部形状设计为直线-圆弧-圆弧型双锥剖面,采用等间距高密度径向布齿,布齿间距为2 mm,采用横卧和竖立两种方式周向布齿。现场应用结果表明,新型孕镶金刚石钻头可提速79%左右,使用寿命是牙轮钻头寿命的2倍以上。

徐家围子火山岩研磨性对机械钻速的影响分析

在徐家围子地区进行深层天然气钻探过程中,由于深层火山岩岩石可钻性较差、岩石硬度大,钻头的磨损情况十分严重,钻井机械钻速低下。针对这种情况,对该地区已钻14口井的钻井资料进行分析,通过钻头磨损方程反求岩石的研磨性系数,并将求得的研磨性系数与对应井段的机械钻速进行回归,得出在不同的钻进时间下,岩石的研磨性对机械钻速的影响不尽相同,随着钻进时间的增加,岩石研磨性对机械钻速的影响逐渐增强。对该地区优化钻井提供了一定的技术支持。

高研磨性地层异形加长齿PDC钻头研发及应用

低渗气藏典型高研磨性地层具有埋藏深、岩石致密、砂泥岩互换频繁、研磨性强、可钻性差、石英含量高的特点,常规PDC钻头在此类地层破岩效果不佳,钻头进尺和钻头寿命得不到有效保障。为此,从钻头齿形设计、布齿结构、复合片加工、钻头制造、检测等一系列关键技术出发,设计并制造了一种新型PDC钻头——异形加长齿PDC钻头,并开展了室内模拟实验和现场入井试验。通过现场应用表明,该新型钻头能突破高研磨、强非均质性地层PDC钻头的应用禁区,在行程进尺和机械钻速方面,与国外优质钻头性能相当,实现了针对高研磨性地层PDC钻头的国产化研发,具有较高的推广应用前景。

强研磨性地层中PDC钻头井底热-流-固三场耦合研究

PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头在强研磨性地层中破岩时,其钻齿在刮切破碎岩石的同时与岩屑、岩石剧烈摩擦,产生的局部高温加快了钻齿的磨损失效,这会极大地缩短整个钻头的使用寿命。因此,探究温度对PDC钻头磨损的影响并改进其水力结构对提升单个钻头的进尺深度和降低钻井经济成本有显著意义。为此,通过钻齿切削实验来验证其温度与磨损之间的关系,并在考虑井底钻井液流动状态及其与钻齿之间对流换热的基础上,建立了PDC钻头井底热-流-固三场耦合模型,分析了井底钻井液与PDC钻头之间的相互作用,同时针对原有的PDC钻头水力结构提出了优化措施。结果表明:1)在钻齿切削过程中温升现象十分明显,说明温度是影响PDC钻头磨损的重要因素;2)PDC钻头井底流场呈热-流-固耦合状态,且钻井液流动状态对其钻齿换热的影响大,这为钻头水力结构的优化提供了方向;3)通过调整喷嘴的流量及角度等水力结构,降低了钻齿的平均温度,可有效改善PDC钻头的磨损情况。研究结果对强研磨性地层中钻头的优化设计有重要指导意义。

岩石研磨性实验研究

岩石的研磨性与所有的岩石的力学性质及指标一样 ,反映着岩石在具体试验工作条件下的固有特征。就不同岩性的岩石所具有的研磨性进行了实验研究 ,并建立了相关方程 ,相信会对钻井工程设计和钻头设计提供帮助。

磨溪气田研磨性硬地层水平井悬空侧钻技术应用实践

在水平井储层地质导向钻进中,地层发生突变导致钻头偏出产层的情况时有发生,运用悬空侧钻的方法在储层内侧钻,选择更加有利的井斜角继续在储层内钻进,是一种高效、经济的施工方法。磨017-H8井及磨030-H5井在水平段正常地质导向钻进时,由于地层突然变化导致井眼轨迹偏离储层,然后在储层的上部紧邻井段,采用悬空侧钻技术成功地回到储层,提高了储量钻遇率,为实现预计气产量提供了保障。文中介绍了磨017-H8井产层段基本情况、侧钻缘由及悬空侧钻的技术原理、侧钻点的选择依据、钻具组合、主要技术措施、施工简况及效果,得出了一些认识和建议。

火成岩研磨性试验研究

火成岩钻井设计优化的关键是了解火成岩的可钻性和研磨性,但至今还未形成一套测试火成岩研磨性的有效方法。为此,采用自主研发的岩石研磨性测定装置,测试了不同岩性火成岩岩样的研磨性,并分析了火成岩研磨性与其单轴抗压强度和矿物成分含量之间的关系。测试结果表明,在岩样转速8 r/min、钻压800 N、钻头转速198 r/min的条件下,以破碎单位体积岩石研磨标准件的磨损质量作为研磨性指标,可以很好地分辨不同岩性火成岩的研磨性,且火成岩的研磨性与其单轴抗压强度和等效石英含量均呈较好的幂函数关系。研究结果表明,以火成岩单轴抗压强度为基础建立的火成岩研磨性预测模型,可以很好地预测火成岩的研磨性,可为优化火成岩钻井设计提供理论依据。

下扬子区临古1井高研磨性地层钻井技术

临古1井是下扬子区中古生界地层的一口重点预探井,设计井深3 200 m。该井在泥盆系和志留系钻遇高研磨性石英砂岩和白云岩,造成钻头寿命短、磨损严重。针对高研磨性地层钻井难点,开展了岩石力学特性分析,优选T1376B型PDC钻头进行个性化设计,钻头进尺提高179%,最高机械钻速2.78 m/h。同时采用自激振荡式旋转冲击钻井技术改善底部钻具组合力学特性,延长钻头使用寿命,同比机械钻速提高36.45%,对高研磨性地层钻井提速有显著效果。

用于超研磨性地层钻头的设计与实践

钻头在钻进超研磨性地层时,胎体的磨损非常严重。文章分析测试了这类地层的可钻性,具有针对性地采用加大胎体中金刚石浓度的方法来保护胎体,极大地延长了钻头的寿命。