新型耦合仿生孕飾金剛石石油鉆頭的研制

目前，油氣鉆孔中常用的破巖鉆頭主要有pdc鉆頭、牙輪鉆頭、鉆石表面孔和懷孕鉆石鉆頭。這些常規(guī)鉆頭在鉆進硬至堅硬地層時鉆進速度低、壽命短、能耗大,已經(jīng)很難滿足我國油氣資源勘探快速開發(fā)的需要,研制一種高效、耐磨的新型破巖鉆頭勢在必行。任露泉院士帶領(lǐng)的科研團隊通過對土壤動物的深入研究發(fā)現(xiàn),土壤動物經(jīng)過億萬年的進化,對付摩擦磨損、阻力粘附的方法既高效又節(jié)能。這些優(yōu)異性能是土壤動物身體結(jié)構(gòu)、體表特征及體表特殊材料共同作用的結(jié)果本文將耦合仿生理論應(yīng)用在孕鑲金剛石石油鉆頭切削齒的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,從鉆頭切削齒整體結(jié)構(gòu)、切削齒表面非光滑結(jié)構(gòu)和切削齒材料3種主要影響因素入手,通過物理、化學(xué)作用將三者耦合在一起。同時采用熱壓法、無壓浸漬法和鑲焊法等多種燒制方法和工藝,研制了耦合仿生孕鑲金剛石石油鉆頭(簡稱仿生石油鉆頭),并針對川東北地區(qū)須家河組堅硬、研磨性強的巖石層,進行了現(xiàn)場生產(chǎn)試驗。1四川東北部徐家河巖石特征分析1.1徐家河群地層巖性分析與砂巖含量分析1.1.1細砂巖、粉砂巖不等厚互層川東北地區(qū)須家河組巖層厚度為310~1000m,各段巖性描述如下:(1)須五段:巖性為灰色、深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖與灰色細砂巖、粉砂巖不等厚互層。(2)須四段:巖性以厚層淺灰色細砂巖為主,夾灰色、深灰色泥巖,有時含淺灰色礫砂巖。(3)須三段:巖性以深灰色、灰色泥巖、灰黑色頁巖為主,夾淺灰色細砂巖、粉砂巖。(4)須二段:灰色、淺灰色中砂巖、細砂巖為主,夾灰色、深灰色泥巖、灰黑色頁巖。(5)須一段:灰色、深灰色泥巖、灰黑色頁巖為主,夾灰色細砂巖。1.1.2須家河組層段砂巖體積分數(shù)以普光D-1井為對象,從測井解釋成果表中采集相關(guān)數(shù)據(jù)。普光D-1井須家河組巖層厚600m,砂巖體積分數(shù)如表1所示。圖1為D-1井須家河組層段砂巖體積分數(shù)折線圖。圖2為D-1井須家河組層段鉆頭使用情況。從圖1和圖2可以看出:須家河組石英砂巖體積分數(shù)為70%~90%,鉆頭進尺在65m以下,鉆頭的進尺隨著石英砂體積分數(shù)的增加而下降,說明石英砂體積分數(shù)越大,巖石的研磨性越強。鉆頭機械鉆速為0.5~1.15m/h,與石英砂體積分數(shù)沒有線性關(guān)系,說明鉆頭的破巖效率與地層的整體強度有關(guān)。1.2徐家河群露頭巖石的力學(xué)特性測試采集地點:四川達州市宣漢縣樊噲鎮(zhèn)土溪口村;巖樣尺寸:1.2.1巖石硬度測試方法:靜壓入法;設(shè)備:WYY-1型壓入硬度計;工具:硬質(zhì)合金圓柱壓頭,壓頭面積為1.5mm測試數(shù)據(jù)如表2所示,由表可知,須家河組巖層巖石硬度5級中硬至8級硬,軟硬相差大,夾層嚴重。1.2.2鋼桿兩端鉆一次損失n方法:鉆磨法(又稱鋼桿磨損法);設(shè)備:微鉆試驗臺;工具:標準鋼桿,直徑8mm、長度70mm,碳質(zhì)量分數(shù)0.9%,硬度HB為250。鋼桿一端實心,另一端鉆一個直徑4mm、深度12mm的小孔。在巖樣斷面上鉆10min,鋼桿兩端各鉆一次,取損失重量的平均值。測定壓力為147N,轉(zhuǎn)速為400r/min。測試數(shù)據(jù)如表3所示,從表中可以看出:須家河組巖石研磨性均為最強。1.2.3巖樣巖相組織中巖石成分分析在川東北地區(qū),須家河組巖層軟硬夾層嚴重,對鉆頭的研磨性極強。在顯微鏡下對其巖性(巖石的名稱、成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和膠結(jié)物)進行定量分析。巖樣的切片如圖4所示,巖樣定量分析如表4所示。從須家河露頭切片的顯微放大圖中可知:石英發(fā)育良好,石英顆粒棱角明顯,粗細混合均勻,硬質(zhì)點含量高。如此高含量硬質(zhì)點的巖石,研磨機理如同砂輪,具備了研磨性強的基本條件。2原油鉆井的開發(fā)2.1制備流程及設(shè)計根據(jù)川東北地區(qū)須家河組地層和巖石特性設(shè)計仿生石油鉆頭,具體制備流程如圖5所示。制備方法選用無壓浸漬法、熱壓法和鑲焊法,其中無壓浸漬法燒制鉆頭基體,熱壓法燒制仿生切削齒,鑲焊法將仿生切削齒焊接到基體上。2.2保徑設(shè)計與模具組裝制備步驟:基體結(jié)構(gòu)設(shè)計→模具設(shè)計加工→鋼體設(shè)計加工→保徑設(shè)計→配方設(shè)計與混料→模具組裝→裝料→預(yù)熱→燒制→保溫→退模?；w設(shè)計如圖6所示,退模清理后基體如圖7所示。2.3熱壓法制備非反滲透膜模型仿生切削齒是鉆頭破碎巖石的關(guān)鍵部分,對齒的仿生非光滑結(jié)構(gòu)、材料和切削齒結(jié)構(gòu)進行耦合設(shè)計,采用熱壓法燒制。仿生石油鉆頭共有6種切削齒結(jié)構(gòu),每種切削齒要與基體冠部分布的6種焊接槽一一對應(yīng)。2.3.1啟動連接設(shè)計(1)非平滑表面的設(shè)計(2)材料的設(shè)計(3)生產(chǎn)區(qū)齒結(jié)構(gòu)設(shè)計仿生切削齒與基體唇面切削齒焊接槽相對應(yīng),間隙為0.1~0.2mm。圖9為仿生切削齒結(jié)構(gòu)效果圖。2.3.2配方設(shè)計、混料加工、模具組裝制備步驟:切削齒結(jié)構(gòu)設(shè)計→模具設(shè)計加工→配方設(shè)計與混料→非光滑設(shè)計與加工→模具組裝→裝料→燒制→保溫→退模。仿生切削齒退模清理后如圖10所示。2.4鉆頭接頭焊接采用銀基鑲焊法將仿生切削齒鑲焊于對應(yīng)的焊接槽內(nèi),然后將鉆頭體與鉆頭接頭焊接在一起。具體步驟為:切削齒和基體焊接部位噴砂、清理雜質(zhì)→切削齒和基體預(yù)熱→鑲焊→保溫冷卻→接頭焊接→機加工→鉆頭外徑修磨達到API標準→噴砂→噴漆。制備的仿生石油鉆頭如圖11所示。3原油鉆的現(xiàn)場試驗3.1礁灘相儲層結(jié)構(gòu)井別:開發(fā)評價井;井型:水平井;設(shè)計井深:水平段完鉆垂深6847m、斜深7861m,導(dǎo)眼終孔垂深6922m、斜深7072m;目的層:長興組礁灘相儲層;水平段:長度799m,水平段方位290°。井身結(jié)構(gòu)如圖12所示。3.2鉆井的現(xiàn)場試驗和結(jié)果分析3.2.1鉆井液性能和鉆孔方法根據(jù)地層壓力、特性等綜合分析確定鉆井液性能。密度為1.38g/cm3.2.2鉆前參數(shù)(1)鉆頭直徑、轉(zhuǎn)速式中:p為單位接觸面積巖石上的壓力,須家河地層2.5~4.5MPa;S為鉆頭底面與巖石的接觸面積,0.0209.3m鉆壓P確定為50~100kN。式中:D為鉆頭平均直徑,mm,本文取120.65mm;n為鉆頭轉(zhuǎn)速,r/min;V為鉆頭圓周線速度,孕鑲金剛石鉆頭圓周線速度最佳值為2~3m/s。鉆頭轉(zhuǎn)速合理值為300~500r/min。因孕鑲鉆頭產(chǎn)生巖粉顆粒小,所需泵量較小,但螺桿要求的泵量為28~32L/s,因此,泵排量以螺桿的需求為主。3.2.3仿生鉆頭鉆進情況仿生鉆頭使用井段:4938.7~4954.8m,進尺16.1m,純鉆時間27小時50分鐘,平均機械鉆速0.77m/h,最高機械鉆速1.35m/h。仿生鉆頭前兩只鉆頭(牙輪鉆頭)使用情況分別是:第1只使用井段4925.7~4935.4m,進尺9.7m,平均機械鉆速0.76m/h,最高機械鉆速1.17m/h;第2只使用井段4935.4~4938.7m,進尺3.3m,平均機械鉆速1.08m/h,最高機械鉆速1.33m/h。仿生鉆頭及其相鄰兩只牙輪鉆頭詳細鉆進情況如表5所示。從表5知:仿生鉆頭比牙輪鉆頭1壽命增加了66%,機械鉆速提高了1.3%;比牙輪鉆頭2壽命增加了388%,機械鉆速降低了40.3%。同時,仿生石油鉆頭前4m鉆時很長,原因是牙輪鉆頭2磨損斷掉的牙齒全部落入井底,井隊沒有采取打撈措施,導(dǎo)致仿生石油鉆頭鉆進初期用來排除井下牙輪斷齒時間很長,鉆頭在井底造形緩慢,鉆井效率較低。4鉆頭自身性能(1)通過仿生石油鉆頭的現(xiàn)場生產(chǎn)試驗證明:耦合仿生理論不僅在小尺寸地質(zhì)取心鉆頭中應(yīng)用效果優(yōu)越,而且在大尺寸石油鉆頭中應(yīng)用同樣具有優(yōu)異性能。(2)通過仿生石油鉆頭的研制,集無壓浸漬法、熱壓法