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元坝地区珍珠冲地层新型三牙轮钻头的研制与应用

发布时间:2018年09月07日
来源:探矿工程在线 作者:王兴忠,陆青,刘强,等

引用格式:王兴忠,陆青,刘强,等.元坝地区珍珠冲地层新型三牙轮钻头的研制与应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2018,45(2):61-67.


摘要:砂砾岩地层是钻井工程中的难钻地层,如何提高砂砾岩地层的钻进效率和钻头寿命一直是工程实践中的重要问题。针对在元坝地区珍珠冲石英砂砾岩地层钻进过程中,使用普通型牙轮钻头外排齿易早期断齿,综合使用指标低的问题,开展了地层岩性、钻头使用与失效分析。针对性地开展了钻头的切削结构、齿材优化以及加强保径等方面的研究,优化设计、研制出HJT547GKL型新型三牙轮钻头。现场试用结果表明,这种新型牙轮钻头在元坝地区珍珠冲组石英砂砾岩地层钻进中有较高的行程进尺。该钻头是一种结构简单、扶正保径好、可靠实用,适用于较硬、有硬夹(层)的地层的新型实用三牙轮钻头。



关键词:牙轮钻头;切削齿;扶正稳定器;珍珠冲地层


0  引言

在油气、地质等勘探开发钻井中,三牙轮钻头是破碎岩石的主要工具。在四川元坝地区的侏罗系自流井组珍冲段地层,其可钻性高达8级以上。通过调研元坝区块7口井的钻头使用情况,所使用的牙轮钻头普遍存在早期断齿、缩径失效情况、纯钻时间短、机械钻速慢、进尺低、划眼时间长、钻头事故频繁,严重影响了该地区钻井速度的提高和钻井效益。

为了解决牙轮钻头在钻进中所存在的问题,行业内所采取的措施是在钻头体上设置扶正保径的稳定结构,常见的扶正保径稳定结构是在牙掌的背面镶嵌多颗径向凸起的保径齿。在实际应用中,此种扶正保径稳定结构只能起到防止钻头体直径早期磨损的作用,扶正稳定的效果非常有限,其不能有效解决现有牙轮钻头在钻进中所存在的问题。

 

1  钻头研制思路

开展地层岩性、钻头使用和失效原因分析,从解决钻头早期断齿失效入手,通过仿真软件和实验分析,进行齿形、齿材、轴承结构、切削结构和保径结构的优化设计研制的高效牙轮钻头,能达到提高牙轮钻头的平均钻速、进尺,及减少起下钻次数的目的


2  地层岩性及岩心力学特性分析

元坝地区自流井组地层主要岩性:泥岩夹岩屑砂岩及黑色页岩、顶有介壳灰岩、下部珍珠冲段为砾状石英砂岩;厚约400 m,底界深4240 m。珍珠冲段下部常为含砾石的石英砂岩和砂质细砾岩,局部为灰绿与紫红掺杂的杂色泥页岩,中上部由数个浅灰或黄灰色细粒石英砂岩与紫红色、黄绿色砂质泥岩组成,底部发育有一层厚度仅为数米,品质很纯的灰白色石英砂岩,岩心形貌如图1所示。

1  YB6井自流井珍珠冲段岩心形貌

YB6井珍珠冲段岩心进行工程力学特性测试,如图2、图3所示。实验室进行了岩石硬度、塑性系数及研磨性试验测试,测试结果如表1所示。 

2   岩石硬度、塑性系数试验装置 

3  岩石研磨性试验装置

1  硬度及塑性系数实验结果 

结合现场钻井资料统计分析,应用钻头选型软件,优选出适用于该层段的钻头类型(见表2)。

2 钻头选型推荐 


3  钻头使用与失效分析

如图4所示:钻头使用后多以外排断齿、钻头缩径为主要失效特点。如表3所示:YB29井钻头纯钻时间最长66 h、进尺60.13 m;最短的钻头14 h、进尺10.28 m。 

4 Φ311.2 mmHJTS547GK型钻头磨损情况 

3 YB29井钻头(Φ311.2 mm)使用情况 

通过以上分析,结合钻头使用与失效特征分析,失效原因:

1)钻头的外排齿碎断的主要原因有两方面:一是由于有的井所钻地层倾斜和非均质性。二是钻头在钻进砾岩的过程中,砾石难以破碎脱离井底,由于钻井液的作用,砾石和上只钻头的断碎齿都集中在井底与井壁的交界处,造成对应的外排齿所受轴向冲击力和弯曲载荷较大。

2)在外排齿碎断以后,小的牙齿碎片脱落在井底,造成内排齿的碎断。

3)在外排全部折断后,钻头直径缩小,此时所钻井眼变小,造成进入小眼内的钻头背锥、掌尖磨小,轴承密封部分裸露,在掌背上形成上小下大的台肩,如图5所示。

4)因上只钻头缩径严重,后期所钻井径缩径,新钻头入井时需对该段划眼,划眼时仅外排齿受力,易造成部分外排齿的早期折断和磨损。

 

5钻头掌背上形成上小下大的台肩形貌

 

4  钻头选型与研制方案

针对该硬地层钻头,优选及研制钻头IADC编码为547或637系列三牙轮钻头;根据尺寸不同分别定型为Φ311.2mm(Φ314.1mm)HJTGKL钻头。主齿优选宽顶勺型齿,外排优选圆楔形齿。

HJTGKL型新型三牙轮钻头设计方案:

1)主切削齿为加大直径的宽顶勺形齿,内排采用不等距布齿,选用高强度新型梯度合金齿材。

2)为减少外排齿断齿,适当降低齿的出露高度,增加外排齿数量。

3)为提高外排齿寿命,选用圆偏楔齿。

4)修边在外排和次外排等距交错布齿条件下,选用锥球齿修边齿。

5)选用适应高钻压、长寿命的HF系列金属密封滑动轴承。

6)为提高钻头稳定性和加强保径,加长钻头体,增加扶正保径稳定器设置。

 

5  钻头研制

5.1 主切削齿的齿形、齿材优选

通过结构设计、有限元分析和室内单元试验,如表4、图6所示。主切削齿(即除外排齿以外的各排齿)为加大齿径的宽顶勺形齿,破岩效率比普通齿提高了12%16%

4  不同齿形的测试结果

 

a)结构设计 

b)有限元分析

c)室内单齿圈破碎单元试验

室内单元试验

针对石英砂岩和砾岩地层,普通硬质合金齿易磨损和易断裂,外排和主切削齿均优选梯度硬质合金齿。梯度硬质合金齿(WC-Co)是一种Co梯度分布的新型硬质合金齿。齿材选择推荐:外排齿选用韧性和耐磨性都较好的齿材,主切削齿全部选用高强度新型齿材

5.2  外排齿齿形优选

5.2.1圆偏楔齿(专利齿形)特点

1)攻击性强;(2)结构强度高;(3)冲击疲劳强度高;(4)新的齿形设计理念:当吃深<H时,圆楔齿的横截面积小于常规齿形,因此圆楔齿的攻击性强;当吃深>H时,圆楔齿的横截面积大于常规齿形,如图7所示。

7吃深与横截面积的关系曲线

 

5.2.2普通偏楔齿与圆偏楔强度计算分析

合金齿的最大Mises应力均在牙齿冠部与齿柱的交界处,其中E1329最大Mises应力为445.6MPa,而E2047最大Mises应力为55.6MPa,显然E2047的强度要高于E1329。外排优选圆偏楔齿,能一定程度地提高外排齿的强度。切削齿选用圆偏楔,如图8所示。

8 2种偏楔齿结构图

5.3  不同尺寸切削齿齿径测试与分析

选取JZ10、JZ10C和JZ16三种牌号的硬质合金材料试样进行测试,如表5。

5  横向抗压载荷检测值                         

冲击强度检测试验结果如表6所示,横截面为5 mm×5 mm试样的横向抗压载荷高于4.5 mm×4.5mm试样。

6  冲击强度检测值

从测试与分析可以得到,当硬质合金试样正面受载荷力和冲击力时,增大试样的横截面积,可以小幅度的提高试样的抗载荷力,大大提高试样的抗冲击力。因此,外排、主齿优选大一档齿径的齿。

5.4 各排齿所受垂向载荷仿真计算

各排齿圈切削齿的覆盖率计算详见表7。加大牙齿直径:牙轮外排、次外排齿圈覆盖面积分别增加了10.34%和21.05%,因此,在不降低齿露高条件下,外排、次外排合金齿的强度有了很大的提高。

7 一牙轮齿圈覆盖面积           mm2

5.5切削结构优选

参考已有设计HJT537GKL SZ1的设计,外排和次外排加大一档,在该设计基础上增加轮尖附近的副齿。

钻头牙轮背锥增加1/3金刚石复合齿,可增强钻头的保径能力,延长其寿命。

调整牙轮合金齿受力情况,优化布齿结构;钻头偏移值降低;调整钻头井底击碎线;增加背锥空间,采用双排背锥、掌尖加厚、增设扶正稳定器结构。

5.6高寿命轴承优选

根据轴承副结构,目前牙轮钻头轴承有如下6类:HJ系列金属密封滑动轴承、GJ系列金属密封滚动轴承、MD系列金属密封高速浮动轴承、大尺寸金属密封镶套轴承、小尺寸金属密封滚滑复合轴承、HF系列金属密封滑动轴承

中深井及深井硬地层采用牙轮钻头钻进,需要使用高钻压。为了提高钻头使用寿命,对比分析了以上6种轴承结构的性能特点,最后优选HF系列金属密封滑动轴承(如图9所示)作为研制的新型HJT547GKL牙轮钻头的轴承,以便能在高钻压钻进工况下,钻头具有更长的使用寿命。

 

9  HF系列滑动轴承结构

5.7牙掌结构设计

牙掌掌尖敷焊采用G形焊,加宽加厚焊。调整掌背外圆和包容值,增加掌尖厚度和适当的环空间隙。加长钻头体,设置成扶正稳定器保径结构。

如图11所示,通过在牙轮钻头上增加扶正保径稳定器(专利技术)设置,能有效消除、减小牙轮的偏转受力,增强钻头稳定性,使定向井打出的井眼更光滑;帮助消除由于定向井轨迹的弯曲而导致的井眼不光滑等优点,在不影响定向轨迹的同时,提高机械钻速、钻头综合使用指标和防止牙轮落井事故的发生。同时,应用在直井中,也能起到防斜打直的效果,减少钻头早期断碎齿及提高机械钻速、钻头综合使用指标和防止牙轮落井事故的发生

 

11新型三牙轮钻头结构

 

6  钻头特性

 

1)扶正保径稳定器的外径等于或小于牙掌处钻头体的最大外径,扶正保径稳定器的外径与牙掌处钻头体的最大外径之间的差值为0~10mm。

2)扶正保径稳定器上的圆周上布置有多道内凹的排屑槽。

3)扶正保径稳定器的外壁上镶嵌有多颗外凸的保径齿。

4)牙轮上镶嵌有多颗切削齿,每颗切削齿的直径是16~18 mm。

5)钻头体的有效长度为550~630 mm。

6)钻头体为整体成型结构或分段组合结构。

7)牙掌的背面镶嵌有多颗保径齿。

 

7  HJT547GKL型钻头现场试验与评价

研制的2只Φ314.1 mmHJT547GKL型钻头,在YB205-2井珍珠冲砾石层段进行了现场试验,使用情况如表8所示,与该井同井段使用的4只HJT537GK型三牙轮钻头相比(表9),进尺提高177.28%、机械钻速相当。在单只钻头进尺上有明显优势,是普通HJT537GK型三牙轮钻头进尺的2.77倍,提高行程进尺和钻井效率,减少起下钻次数。

8 Φ314.1mmHJT547GKL型钻头在YB 205-2井试验情况

表9  YB205-2井同井段普通牙轮钻头使用情况

在取得较好的综合使用指标后,当年分别在YB205-3井、YB10-3井相同地层推广应用9只,相比以往使用的普通型号的牙轮钻头,纯钻时和进尺均得到了大幅度提高。随后,应用该技术改形设计的Φ311.2 mmHJT547GKL和MD537K型钻头,在邻区重庆涪陵焦石坝页岩气井得到了全面推广应用。

 

8  结论与建议

1)扶正保径和加大齿径技术是牙轮钻头解决砂砾岩等硬地层、硬夹层地层早期断齿的创新技术。

2) HJT547GKL新型三牙轮钻头在自流井组珍珠冲段的砂砾岩地层使用结果表明钻头研制是成功的。

3) HJT547GKL型钻头是一种在钻头体上增加扶正保径稳定器的新型三牙轮钻头,主要应用于较硬、研磨性强,及有超硬硬夹层的地层中。

4)建议在较厚的高研磨、可钻性级值高的砂砾石层段推广应用,可提高钻井效率。

5)建议在川西、川东北的须四段、须二段、须一段等易造成牙轮钻头早期断齿的地层推广应用。


原文链接:http://m.cnki.net/mcnki/literature/detail?datatype=CJFD&instanceID=TKGC201802014

[责任编辑:dc]

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