新型孕镶金刚石钻头研制及试验
关舒伟     
中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院, 山东东营 257017
摘要:PDC钻头不适用于深部砂泥岩互层,而采用牙轮钻头钻进该类地层,存在钻头寿命短、进尺少、机械钻速低等问题,为解决该问题,研制了新型孕镶金刚石钻头。首先通过钻进试验,确定金刚石浓度为80%。该金刚石由40/45目和70/80目两种粒度组成,两种粒度的金刚石分别占金刚石总量的65%和35%,其中40/45目金刚石起提高机械钻速的作用,70/80目金刚石起增强耐磨性、延长钻头寿命的作用。接着通过测试不同配方基体的力学性能,优选出了碳化钨含量24%、其他骨架料22%、粘接剂54%的D-6号基体配方。最后设计了"B"形冠部、140°内锥角、20°后倾角、心部7颗φ16.0 mm优质PDC复合片防掏心结构的新型孕镶金刚石钻头。该钻头在元坝气田进行了试验,结果表明,在相同井段单只钻头的进尺与其他钻头相比平均增加了484.7%,机械钻速平均提高了150.8%。这表明,新型孕镶金刚石钻头为深部砂泥岩互层提供了一种新的高效破岩工具。
关键词孕镶金刚石钻头    钻头设计    机械钻速    元坝气田    
Development and Testing of a New Type of Diamond-Impregnated Bits
Guan Shuwei     
Drilling Technology Research Institute, Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation, Dongying, Shandong, 257017, China
Abstract:New type of diamond-impregnated bits were developed to solve the problem that PDC bit is not compatible and cone bits have shorter drilling life, less footage and lower ROP in thin sand shale interbed. Diamond concentration was determined to be 80% by drilling tests. Two formulae of diamond granularity were adopted, with 40/45-mesh coarse grain diamond taking up 65%, which was used to crush rocks to improve ROP, and 70/80-mesh fine grain diamond accounting for 35%, which was used to improve the abrasive resistance and service life of drill bits. By testing the mechanic performances of different formula matrices, the D-6 matrix formula was selected, in which tungsten carbide took up 24%, skeleton material 22%, and adhesive 54%. A new type of anti-hollow, high quality structured diamond-impregnated bits were developed ,which had "B"-shaped crown, and 140° inner cone angle, 20° back dip angle, and seven φ16mm diamond grains. The bits were tested in the Yuanba Gas Field. The field test result showed that the average footage was increased by 484.7% and the average rate of penetration was increased by 150.8% compared with other bits in same well sections. The successfully developed new type diamond-impregnated bits are new rock crushing tools with high efficiency for drilling in deep thin sand-shale interbeds.
Key words: impregnated diamond bit    bit design    penetration rate    Yuanba Gas Field    

油气勘探开发过程中,在部分深部地层会钻遇砂泥岩互层(如元坝气田),钻头须具有强耐磨性和剪切破岩性能,以提高机械钻速。由于该类地层可钻性差,PDC钻头不适用,而采用牙轮钻头钻进进尺少、机械钻速慢、需要频繁起下钻,因此主要采用孕镶金刚石钻头钻进。而现有孕镶金刚石钻头仅以磨削方式破岩,适合钻进研磨性强的砂岩层,如用来钻进相对较软的泥岩夹层则其机械钻速较PDC钻头低。因此,对孕镶金刚石钻头加以改进,添加切削破岩方式,可以提高孕镶金刚石钻头在砂泥岩地层中的机械钻速[1]。为此,笔者按照该思路研制了新型孕镶金刚石钻头。

1 金刚石及基体配方研究 1.1 金刚石配方设计

金刚石是孕镶金刚石钻头的主要破岩元件,在钻头接触岩石时通过金刚石刻划岩石破岩,因此金刚石配方会直接影响到钻头的综合性能。金刚石配方设计主要包括金刚石品级、粒度和浓度等的设计。

单位体积内金刚石的数量NV为:

式中:NV为单位体积内金刚石的数量,颗;c为金刚石浓度,400%制;d为金刚石粒径,mm。

钻头工作面上单位面积内金刚石的数量NA为:

式中:NA为钻头工作面上单位面积内金刚石的数量,颗;k为金刚石出露系数。

从式(2)可以看出,工作面上金刚石数量随着浓度及金刚石出露系数增大而增大,随金刚石粒径增大而减小。金刚石的浓度越高,工作面上的金刚石数量越多,参与破岩的金刚石越多,耐磨性越好,钻头的寿命越长。但浓度达到一定值后会造成金刚石与金刚石接触,降低基体对金刚石的包裹力,金刚石易脱落,缩短钻头寿命。金刚石品级越高,强度越大,耐磨性越强。金刚石粒度越大吃入地层越深,钻头的机械钻速越快,但金刚石脆性好易破裂,粒度越大承受的载荷越大,越易碎裂脱落。而金刚石粒度越小钻头寿命越长,进尺越大,但机械钻速慢[2, 3, 4, 5]

分别进行了金刚石浓度为60%、80%、100%时的钻进试验,发现随着金刚石浓度的增大钻速变快,但当金刚石浓度为100%时,金刚石脱落严重,切削同样体积岩石时自身的磨损量大。金刚石浓度为80%时,钻速度快且寿命长。为使机械钻速和进尺都达到最优,选用两种粒度的金刚石作为切削元件:40/45目金刚石起破岩作用,提高机械钻速;70/80目金刚石起耐磨作用,延长钻头寿命。40/50目金刚石占金刚石总量的65%,70/80目金刚石占金刚石总量的35%。

1.2 基体配方设计

切削元件是由金刚石混装在基体材料内整体热压烧结而成。基体材料主要以碳化钨为主,混以W,SiC和Fe等骨架料通过粘接剂粘接而成。基体材料起到包裹金刚石的作用,若包裹力小,金刚石没有充分利用就会脱落造成金刚石浪费,缩短钻头的寿命和进尺[5, 6]。若包裹力太大则基体材料太硬,金刚石无法出露,无法吃入地层,钻头无进尺。为优选最佳的基体配方,设计了5种基体材料配方并制作成试块进行了力学性能测试,结果见表1

表1可以看出,5种配方的基体均满足行业标准SY/T 5217—2000对钻头基体力学性能的要求,但综合考虑各种配方基体的综合性能,选用D-6号配方。

表1 基体配方及力学测试结果 Table 1 Ingredient of matrix and result of mechanical testing
编号 冲击吸收功/J 洛氏硬度 (HRA) 抗弯强度/MPa 碳化 钨,% 其他骨架料,% 粘接 剂,%
D-2 3.7 59.9 804 35 39 26
D-3 8.0 61.8 1 032 34 33 33
D-4 10.7 59.2 1 104 30 30 40
D-5 14.3 57.0 1 044 27 26 47
D-6 14.0 60.2 1 104 24 22 54

基体采用D-6号配方,金刚石由65%的40/45目和35%的70/80目两种粒度组成,制成小钻头(见图1)进行室内钻进试验。结果发现,该钻头的机械钻速快,耐磨性好,金刚石出露良好,可选为孕镶金刚石钻头配方。

图1 试验用小钻头 Fig.1 Small bits used for test
2 孕镶金刚石钻头设计

孕镶金刚石钻头设计以钻头平稳钻进、高机械钻速兼顾长进尺为主要目的。平稳钻进可以保证钻头正常工作,延长钻头寿命。因此,冠部形状采用稳定性好的“B”形剖面,选择140°的小内锥角提高其稳定性。为提高切削效果,切削元件的后倾角设计为20°,以保证有效切削软地层。心部采用7颗16.0 mm优质PDC复合片防掏心结构。外侧至保径布置宽度为16.0 mm的孕镶切削元件。保径设计为200 mm,以保证高转速下的稳定性。采用大流道、深水槽、多水眼不等径的水力结构,以提高清洗井底及冷却切削齿的作用[7, 8]

3 现场试验

元坝气田是继普光气田之后,中国石化在四川盆地发现的又一个大型海相气田。该气田存在地层研磨性强、可钻性差的技术难点。资料统计分析表明:元坝地区地层可钻性差(可钻性级值为5~8级),陆相地层砂岩多为硅质胶结,岩性致密,硬度大,研磨性强,PDC钻头不适用,而牙轮钻头进尺少[9, 10, 11, 12]。为此,在该气田进行了新型孕镶金刚石钻头试验。新型孕镶金刚石钻头在该气田成功试验近10只,平均单只进尺达到240.3 m,与其他钻头相比增加了484.7%,平均机械钻速达到1.58 m/h,与其他钻头相比提高了150.8%。

3.1 元陆25井

元陆25井在大安寨段—东岳庙段进行了新型孕镶金刚石钻头试验。新型孕镶金刚石钻头入井2次,第一次入井自井深3 629.81 m钻至井深3 757.16 m,更换螺杆后第二次入井钻至井深3 816.19 m起钻。两次入井共钻进186.38 m,平均机械钻速1.5 m/h。与该区块同井段其他钻头的使用情况相比,单只钻头进尺增加了324.9%,机械钻速提高了82.9%。

新型孕镶金刚石钻头第一次起出后观察发现,3只外侧喷嘴被螺杆胶皮堵塞,7颗复合片中间的3颗磨损较轻、外面4颗崩磨过半,钻头新度60%;第2次起出发现,钻头磨损不明显,仍可继续使用。

3.2 元陆30井

元陆30井在钻进千佛崖组至自流井组地层时试验应用了新型孕镶金刚石钻头。新型孕镶金刚石钻头入井2次,第一次入井自井深3 818.50 m钻至井深3 977.06 m,因钻至取心点起钻;第二次入井自井深4 089.17 m钻至井深4 349.16 m,因钻速慢而起钻。两次入井共进尺418.55 m,平均机械钻速1.10 m/h,而采用牙轮钻头钻进相同地层时的平均机械钻速仅为0.66 m/h。

钻头起出观察发现心部剩余高度5 mm,外侧剩余高度8~10 mm,新度20%。与该井钻进千佛崖组地层的2只牙轮钻头相比,进尺增加了594.7%,机械钻速提高了66.7%。

分析现场岩屑发现,新型孕镶金刚石钻头产生的岩屑有成块状的(见图2),而传统孕镶金刚石钻头磨削破岩产生的岩屑是粉末状的。说明新型孕镶金刚石钻头工作时存在剪切破岩方式,这也是机械钻速得到提高的原因。

图2 新型孕镶金刚石钻头产生的岩屑 Fig.2 Cuttings produced by new type impregnated diamond bits
4 结 论

1) 由粗细两种粒度的金刚石和优选的基体配方制成的孕镶金刚石切削元件,可以起到兼顾提高破岩效率和钻头寿命的效果。

2) 切削元件设置一定的后倾角,基体具有合适的硬度,可使孕镶金刚石钻头钻遇软夹层时具有一定的剪切破岩效果,从而提高机械钻速。

3) 研制的新型孕镶金刚石钻头在元坝气田深部软硬交错的砂泥岩互层起到了很好的提速效果,建议在相似地层中进行进一步试验。

参考文献
[1] 杨顺辉,武好杰,牛成成,等.特种孕镶块加强PDC钻头的研制与试验[J].石油钻探技术,2014,42(6):111-114.
Yang Shunhui,Wu Haojie,Niu Chengcheng,et al.Manufacture and application of PDC bit enhanced by special diamond-impregnated segment[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(6):111-114.
[2] 潘秉锁,史冬梅,杨凯华.金刚石粒度对孕镶金刚石钻头性能的影响[J].煤田地质与勘探,2002,30(3):62-64.
Pan Bingsuo,Shi Dongmei,Yang Kaihua.Effect of diamond size on the performance of impregnated diamond bit[J].Coal Geology & Exploration,2002,30(3):62-64.
[3] 彭振斌,杨俊德,陈石林.金刚石钻头和金刚石锯片中金刚石粒度设计[J].矿冶工程,2003,23(6):76-78
Peng Zhenbin,Yang Junde,Chen Shilin.Diamond particle size composition of diamond bit and saw[J].Mining and Metallurgical Engineering,2003,23(6):76-78.
[4] 张绍和,杨凯华,鲁凡.钻头钻速与金刚石粒度间的定量关系研究[J].地质科技情报,2000,19(4):105-108.
Zhang Shaohe,Yang Kaihua,Lu Fan.Research on the quantification relation between bit's drilling rotation and diamond size[J].Geological Science and Technology Information,2000,19(4):105-108.
[5] 徐良,孙友宏,高科,等.针对须家河组岩性特征选择仿生金刚石钻头参数[J].石油钻探技术,2008,36(5):43-46.
Xu Liang,Sun Youhong,Gao Ke,et al.Parameter selection of bionics diamond bit for lithology of Xujiahe Formation[J].Petroleum Drilling Techniques,2008,36(5):43-46.
[6] 彭烨,王明华,关舒伟,等.钻头孕镶体夹层对钻速的影响试验[J].石油钻探技术,2012,40(2):113-116.
Peng Ye,Wang Minghua,Guan Shuwei,et al.Experimental study of the interlayer effect in impregnated diamond blocks on ROP and wear extent[J].Petroleum Drilling Techniques,2012,40(2):113-116.
[7] 陈庭根,管志川.钻井工程理论与技术[M].东营:石油大学出版社,2000:62-64.
Chen Tinggen,Guan Zhichuan.Drilling theory and technology[M].Dongying:Petroleum University Press,2000:62-64.
[8] 彭烨,王福修.钻头冠部剖面形状设计模式[J].石油钻探技术,1996,24(4):41-42,50,65.
Peng Ye,Wang Fuxiu.Design models of bits'crown profiles[J].Petroleum Drilling Techniques,1996,24(4):41-42,50,65.
[9] 何龙.川东北地区优快钻井配套技术[J].钻采工艺,2008,31(4):23-26.
He Long.Application of the optimum drilling technique in the northeast area of Sichuan[J].Drilling & Production Technology,2008,31(4):23-26.
[10] 高航献,瞿佳,曾鹏珲.元坝地区钻井提速探索与实践[J].石油钻探技术,2010,38(4):26-29.
Gao Hangxian,Qu Jia,Zeng Penghui.Research and practice to improve drilling speed in Yuanba Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(4):26-29.
[11] 董明键,肖新磊,边培明.复合钻井技术在元坝地区陆相地层中的应用[J].石油钻探技术,2010,38(4):38-40.
Dong Mingjian,Xiao Xinlei,Bian Peiming.Application of compound drilling technology in terrestrial formation in Yuanba Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(4):38-40.
[12] 张金成,张东清,张新军.元坝地区超深井钻井提速难点与技术对策[J].石油钻探技术,2011,39(6):6-10.
Zhang Jincheng,Zhang Dongqing,Zhang Xinjun.Difficulties of improving rate of penetration and its technical solutions in Yuanba Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(6):6-10.

文章信息

关舒伟
Guan Shuwei
新型孕镶金刚石钻头研制及试验
Development and Testing of a New Type of Diamond-Impregnated Bits
石油钻探技术, 2015, 43(04): 129-132
Petroleum Drilling Techniques, 2015, 43(04): 129-132.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201504023

文章历史

收稿日期:2015-01-07
改回日期:2015-06-11

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