復(fù)合鉆頭技術(shù)的應(yīng)用論文
1引言
“十二五”以來，中國石油工業(yè)仍然面臨嚴(yán)峻的勘探開發(fā)形勢，為鉆井提速提出了新的挑戰(zhàn)。深層、超深層的硬地層提速仍面臨著“鉆速慢、周期長、成本高”的難題，成為制約深層油氣資源開發(fā)的技術(shù)瓶頸之一，而提速的關(guān)鍵則在于鉆頭。
復(fù)合鉆頭又稱混合鉆頭，英文名Hybrid Bit。早在1930年，美國人Floyd L.Scou等就發(fā)明了世界上最早的牙輪一刮刀復(fù)合鉆頭，但在當(dāng)時(shí)卻因?yàn)楸徽J(rèn)為是不切實(shí)際的而沒有得到進(jìn)一步發(fā)展。20世紀(jì)80年代，美國Smith公司和Reed公司也先后提出牙輪一金剛石齒復(fù)合鉆頭技術(shù)的專利，但山于受到復(fù)合片材料技術(shù)限制，這種鉆頭技術(shù)思想并未獲得成功的商業(yè)化應(yīng)用。2010年，Baker Hughes公司公布了一種名為Kymera的PDC一牙輪復(fù)合鉆頭的技術(shù)特點(diǎn)和現(xiàn)場試驗(yàn)情況，如圖1所不。鉆井應(yīng)用表明:PDC一牙輪復(fù)合鉆頭能在致密泥頁巖、不均質(zhì)地層等難鉆地層條件下高效鉆進(jìn)，能顯著減小鉆頭轉(zhuǎn)矩，降低扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，減少茹滑趨勢，提高鉆頭鉆進(jìn)效率和導(dǎo)向能力。
2011年至今，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司、西南石油大學(xué)和川慶鉆探工程有限公司在復(fù)合鉆頭方面開展了大量理論和實(shí)驗(yàn)研究，陸續(xù)申請(qǐng)了關(guān)于復(fù)合鉆頭的專利10余項(xiàng)，其中以《一種牙輪一固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭》具有很強(qiáng)的代表性，如圖2所不4 復(fù)合鉆頭結(jié)構(gòu)形式多種多樣，其中在目前的石油鉆探中應(yīng)用較為成熟的是PDC一牙輪復(fù)合鉆頭，也是本文的討論重點(diǎn)。
2復(fù)合鉆頭現(xiàn)場應(yīng)用
1)應(yīng)用實(shí)例一。2013年6月，塔里木油田迪北103井試用了一只444.5 mmKM633復(fù)合鉆頭9，如圖3所T}迪北區(qū)塊蘇維依組礫石含量多、地層軟硬交互頻繁、可鉆性差。復(fù)合鉆頭刷新了該層位的機(jī)速和進(jìn)尺記錄，平均機(jī)速比迪北101提高了106%，比迪北104提高了165，平均單只鉆頭進(jìn)尺提高了564%，
總體而言，鉆井提速效果十分顯著。2)應(yīng)用實(shí)例二。2014年 12 月，磨溪 42 井試用了一 只 311.1 mm KM633X復(fù)合鉆頭，如圖 4 所示。磨溪區(qū)塊須家河組為砂巖夾頁巖，地層極硬，研磨性極強(qiáng)。該鉆頭一次鉆穿須家河組，總進(jìn)尺 551 m，出井后輕微磨損，仍可繼續(xù)使用。該趟鉆創(chuàng)下了磨溪高石梯區(qū)塊一趟鉆鉆穿須家河組的機(jī)械鉆速記錄。
3 下一步建議
1)復(fù)合鉆頭的提速增壽。復(fù)合鉆頭的工作轉(zhuǎn)速較低，主要受到牙輪軸承、密封和主體內(nèi)錐布齒結(jié)構(gòu)的制約。有實(shí)驗(yàn)表明，提高復(fù)合鉆頭的工作轉(zhuǎn)速，其機(jī)械鉆速會(huì)成倍上升。復(fù)合鉆頭承受的鉆壓越大，牙齒造坑能力越強(qiáng)，PDC 破巖體積越大，但是高鉆壓同時(shí)會(huì)引起高振動(dòng)，復(fù)合片受到的沖擊也越大。因此，只要能夠從結(jié)構(gòu)和復(fù)合片抗沖擊性能綜合考慮，復(fù)合鉆頭勢必向高轉(zhuǎn)速、高鉆壓的方向發(fā)展，使復(fù)合鉆頭提速增壽邁向一個(gè)新臺(tái)階。
2)增強(qiáng)地層適應(yīng)性。復(fù)合鉆頭不是萬能鉆頭，需根據(jù)鉆遇地層作個(gè)性化設(shè)計(jì)才能取得較好的鉆進(jìn)效果。現(xiàn)場應(yīng)用情況表明，復(fù)合鉆頭在硬、夾層中有良好的提速效果，但我國難鉆地層復(fù)雜多樣，只有針對(duì)多種難鉆地層進(jìn)行設(shè)計(jì)，才能拓展復(fù)合鉆頭的應(yīng)用前景。
3)滿足不同鉆井工藝需求。前期基本理論研究和現(xiàn)場應(yīng)用表明，復(fù)合鉆頭工作平穩(wěn)，工具面可控性高。然而復(fù)合鉆頭還需要進(jìn)行更多的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足鉆井工藝要求的不斷改進(jìn)。如在頁巖氣一趟鉆過程中，復(fù)合鉆頭就需要同時(shí)滿足直井鉆進(jìn)、造斜穩(wěn)斜、長距離水平鉆進(jìn)等多種工況。
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