钻井与完井工程教材第四章钻进工艺

1、第四章钻进工艺在钻井工程中,大量的工作是破碎岩石、加深井眼的钻进过程。钻进工艺就是在分析和处理钻井数据和资料的基础上,全面、准确地认识钻井过程的客观规律,立足于现有装备条件,采用各种数学、物理方法确定合理的钻井参数及钻井措施,使钻进过程的整体经济效果达到最优的工艺技术。显然,掌握良好的基础理论知识,了解国内外先进技术动态,富有进取和创新精神,是学习钻进工艺必不可少的基础条件。第一节钻进过程的系统分析一、系统特征钻进过程是由多个子系统综合运行作业而汇集的复杂系统,其系统特征表现为“五多一长”,即:多工序的作业环节;多工种的操作配合;多专业的协调管理;多因素的环境影响;多渠道的横向调节;长战线的后

2、勤保障规模。各子系统间的相互作用、约束及各子系统本身的行为构成了系统的整体行为。显然,各子系统的运行是否良好,各子系统之间的相互作用是否正常,对钻进过程全局有着直接的、重要的影响。根据钻进过程的系统特征可知,系统目标主要体现在安全、成功、效益三个方面。在系统目标中,最重要的应该安全,即:人身安全、设备安全、井眼安全。如果安全得不到保证,出了事故,所造成的损失往往是非常严重的。系统目标中第二位的应该是成功:井身质量好、固井质量高、录井资料齐全、油气层得到保护等。系统目标中第三位的是效益指标:钻井速度、建井周期、成本等。实践证明:不安全、不成功的井,其经济效益指标肯定是很差的。这说明安全、成功与效

3、益三个指标往往是相互联系的,不顾安全、不顾质量地一味追求高钻速、短周期、低成本,结果往往适得其反;而严密的安全措施、合理的质量保障本身就是效益。由于钻进过程系统目标中安全与成功二大因素是比较复杂的,难以量化,因而系统目标函数也难以建立。一般的解决办法,是把容易量化的效益指标作为系统目标,把安全与成功作为系统约束条件,建立系统目标函数。按照系统论的观点与方法,钻进过程总是在自觉与不自觉中追求系统目标的实现。例如在一个新构造上,开始的几口井钻的不会太好,但随着这个地区钻井活动的增加,各种经验教训的积累,以后的井就会越钻越好。这个趋势可用“学习曲线”来表示,如图4-1所示。 图4-1 钻井学习曲线“

4、学习曲线”表明,如果不采用科学的理论与方法,而只依靠经验教训的简单积累,则“学习曲线”下降缓慢,说明离系统目标还有一定距离;反之,如果有意识地、积极地采用科学的理论与方法指导,分析钻进过程中出现的问题,寻找解决办法,则“学习曲线”下降十分迅速并趋于稳定,说明已十分接近系统目标。真正比较完善、成熟的钻进工艺技术,应该是在新区钻探少数几口井后,就可以使“学习曲线”下降到相对稳定的低点。而钻进工艺技术的优劣又取决于对钻进过程影响因素的了解和变化规律的的掌握程度。二、影响因素影响系统目标的因素很多,其中直接与钻进过程有关的主要因素,一般可分为两大类:一类是地层岩性等不可改变或不可任意改变的客观因素;一

5、类是钻头类型、钻井液性能、水力参数和钻压、转速等可任意确定的可调变量。深入研究、掌握这些可调变量对钻进过程的影响规律,是实现系统目标的重要基础。1、地层岩性地层岩性是影响因素中不可改变的客观因素,因此对它的研究工作主要是认识它,以便在钻进过程中去适宜它。对地层岩性认识的准确和可靠与否,决定了钻进工艺技术的合理性。要达到这个目的,必须从二方面入手:一是充分了解和掌握岩石的基本物理机械性质、基本破碎规律;二是准确预报、预测钻遇地层的岩石类型。对症下药必将收到预期的效果。2、钻井液性能钻井液性能是影响系统目标的重要可调变量。近三十年来许多科技人员对钻井液性能与系统目标中的重要指标钻进速度的关系,进行

6、了大量的深入研究。大量实验证明,钻井液的各性能对钻速都有一定影响,其中对钻速影响较大的钻井液性能主要是:(1密度;(2固相含量;(3粘度;(4失水,尤其是初失水;(5含油量。这些钻井液性能对钻速的影响规律如图4-2示。 图4-2 钻井液性能对钻速的影响柱与地层流体之间的压差(即岩层压持压力使被钻头破碎的岩屑紧紧附在井底,井底净化不良自然要造成重复切削,降低钻头破碎岩石的效率,从而影响机械钻速和钻头进尺。还有人认为,液柱压力与地层压力之差可以增大井底岩石的可钻强度使钻速降低;水马力一定时,钻井液密度越大,压力降越大,排量也越小,也会降低钻速。除此之外,过低的钻井液密度不能有效地平衡地层压力,容易

7、引发井壁垮塌、井喷等事故;过高的钻井液密度又容易压漏地层、污染油气储层。确定合理的钻井液密度是实现系统目标中最难解决的问题之一。钻井液粘度也是显著影响钻速的重要因素。钻井液粘度越小,钻速越小,钻速越快。当粘度变得很小时(接近清水,钻速有急剧的增加。钻井液粘度影响钻速的机理还不大清楚。有人认为,钻井液粘度增大,将使循环压力增大,钻头水马力相应减少;同时环空循环压力增大,相当于增大了钻井液密度;再有使钻头喷嘴紊流粘度相应升高,不利于钻头对井底的清洗和冲击作用。这一系列效果的迭加,导致了钻速的降低。钻井液失水量大则钻速较快,有的研究指出,失水影响钻速与粘度有关,降失水剂一般都增大液相粘度,所以使用降

8、失水剂后,失水量下降,粘度增大,必然导致钻速下降。钻井液固相含量对钻速有较大影响。在一般情况下,钻井液中固相含量每降低1%,钻速可以提高10%左右。为此必须严格控制钻井液内固相含量,一般应低于4%为宜。在固相含量相同的情况下,固相在钻井液中的状态不同,也会出现不同的钻速。一般在 4 %的固相含量条件下,不分散钻井液比分散钻井液钻速提高将近1倍。油基钻井液的钻速一般要比相同密度的水基钻井液约低20-30%,在一般的混油钻井液中,少量的掺入油会使钻速略有增加,继续加大含油量又会使钻速降低。钻井液性能选择的好坏基本上取决于选择者的知识、经验和对地层的认识,以及使用过程中的及时调整。所以,国外多家石油

9、公司都研制了依据大量钻井液影响规律和使用经验的专家系统,让计算机做为一个有知识、有经验的钻井液专家,协助钻井工程师进行生产现场的钻井液性能选择和使用,通过自身的学习机制,最终成为一个完善的专家系统。3、钻头类型钻头类型钻进过程系统目标有重大影响。一方面不同的钻头类型,由于结构不同、破岩机理各异,因而有各自的适用范围。如刮刀钻头适用于极软、软及中硬地层;牙轮钻头从极软到坚硬地层都有相应的品种和系列可供选用;金刚石钻头主要用于中硬、硬及坚硬地层。只有钻头类型与钻井地层岩性相匹配,才能获得最好的钻井效果。另一方面,在相同类的钻头中,由于品种和系列不同,钻进效果也有很大的差异。对牙轮钻头来说,当使用长

10、齿和大牙轮偏移角的钻头时,在软地层中的初钻速常常是最高的,而在硬地层中则由于牙齿迅速磨损而使钻速减慢。这就需要选用最合适的齿型、材料,配合最好的钻头工作条件,才能取得最低的单位进尺成本;刮刀钻头是按楔入岩石的破碎机理设计的,钻井效率取决于刀片数和井底切削角;金刚石和PDC钻头是按每转吃入深度设计的,钻进效率由金刚石或复合片的大小和数量来决定。在大多数情况下,合理的钻头选型对实现钻进过程系统目标起着关键的作用。4、水力参数水力参数是指泵压、排量、喷嘴直径等与钻井液循环系统有关的参数。水力参数对钻进过程系统目标的影响关系比较复杂,目前的研究主要集中在水力因素对钻速的影响规律方面。通过机理分析和实验

11、研究,一般认为水力参数对钻速的影响是由于射流的形成。钻井液通过喷嘴形成的射流有二方面的作用:一是水力破岩作用,二是水力清岩作用。射流的作用机理、合理的泵功率分配、排量和喷嘴直径的确定,是水力参数的必须解决的定量计算问题。5、机械参数钻压、转速是直接作用于井底藉以破碎岩石的基本参数。近三十年来,国外在这方面曾进行相当广泛深入的研究,并已取得了比较满意的成果。由于钻压、转速是通过钻头破碎岩石的,它们的作用不仅对钻进速度有影响,同时也会影响钻头的磨损速度和工作寿命。因此在选择钻压、转速时,必须综合考虑这两方面的影响,确定合理的配合。三、研究方法未知的钻进规律对我们来讲就相当于一个不知内部结构的“黑箱

12、子”,这个黑箱子的行为是有规律的。为了得知黑箱子的行为规律,我们可以采用两种方法:一是打开黑箱子,研究其内部结构,这就相当于从力学、物理、化学的角度出发,从微观上研究事物的本质。待黑箱的内部结构都清楚了,黑箱的行为也就可以推断出来了。无疑,这是一种常规的建模方法。第二种方法就是不管黑箱的内部结构如何,只研究它的行为规律。所谓行为,就是指黑箱对于一定的输入状态,唯一地对应着一定的输出状态。通过对黑箱行为的一定量的观察(必要的情况下也可以设定一些主动实验,我们就可以找到黑箱行为的规律,这就是控制论中所谓的“黑箱理论”。一般在对钻进过程的影响规律分析时综合采用了这二种研究方法。钻进工艺包括的内容非常

13、广泛,可以说凡是涉及到钻井过程的决策与施工问题都属于钻进工艺的范围。对一口井的整个施工过程进行优化处理是钻进工艺追求的理想目标,希望能从系统工程的观点出发使整个施工过程达到优化。但由于钻井过程是一个多维的、复杂的大系统,系统本身存在着一定的不确定性随机性和模糊性。根据“大系统与高精度不相容原理”,要实现这个理想目标难度很大。解决的办法,可将大系统分解成若干相对独立的小系统,通过实现小系统的优化处理来接近大系统的优化目标。在钻进过程大系统的诸多子系统中,各子系统既对系统目标有比较独特的的影响,子系统间也有不可忽视的交互作用,且子系统间的交互影响规律难以定量描述。目前的研究办法,大多将各子系统作为

14、相对独立的系统来考虑,在一定程度上淡化子系统间的交互作用,交互作用仅作为各个相对独立系统的约束条件出现。综上所述,钻进工艺的研究方法遵循了系统工程的基本原则,是一种由大变小、由复杂到简单的简化过程,基本能够满足目前条件下工程实践的需要。随着科学技术的进步、交叉学科的发展,系统影响规律认识的进一步提高,对现有的简化过程需要进行补充和完善,逐步恢复到复杂大系统的本来面目,最终实现大系统的优化目标。这种认识上的螺旋发展、结果精度的不断提升,符合事物发展的客观规律,是认识论中立场、观点、方法的具体体现。第二节地层岩性钻井的目的在于破碎岩石形成井眼。作用在井底岩石上的力,有上覆岩层压力、钻井液液柱压力、

15、地层孔隙压力等。研究岩石在各种应力状态下的力学性质和破碎特点,有利于了解和掌握钻井所面对的工作对象-地层岩性。由于地层岩性比较复杂,因而地层岩性是一个多指标的范畴(如强度、硬度等,不同的指标从不同的角度反映了地层岩性的本质,但又存在一定的差异。因此,在确定地层岩性时,应根据多种指标进行综合判定。一、岩石的物理机械性质1、弹性、塑性、弹性模量与泊松比的概念任何物体,均为许多小质点所组成,这种质点称为分子;分子之间互有作用力(引力或斥力。当有外力作用于物体使其变形时,这种分子间作用力便阻碍其变形。待物体因受外力而变形至某一程度,分子间的作用力适与外力相等而成平衡。此时物体便处于平衡状态。当除去外力

16、,物体能回复原状的特性,称为弹性。当除去外力,物体不能恢复原状的特性,称为塑性,有的也称受范性。除了残余变形(非弹性变形属于塑性的现象以外,松驰、后效、蠕变、疲劳等也属于塑性的变形现象。弹性体在外力的作用下,其应力与应变的关系服从虎克定律,即E=(4-1式中物体的应力,为单位面积上的内力,MPa;单位长度的变形,无量纲;E弹性模量,也叫弹性系数或杨氏系数,量纲与应力同。由(4-1式可以看出,外力引起弹性体的内力,内力随外力而变化。外力使弹性体变形,而内力则抵抗变形,且企图消除弹性体已得的变形。弹性模量E则不随上述条件变化,只与弹性体本身的特性有关。这里E代表了物体对弹性变形的抵抗能力。当弹性体

17、在纵向受外力后,引起纵向的应力z ,并在纵向产生变形,以应变z 表示之。与此同时,在横向也会引起变形,以x 、y 表示之。如果材料是各向同性的,便有以下关系式:zyz x /-=-= (4-2式中泊松比。如(4-2式中x y ,便是各向异性的。 2、岩石的弹性模量与泊松比上述几个概念,也适用于岩石。但是岩石一般不是理想的材料,因此受外力后不会服从理想弹性的虎克定律,岩石的弹性模量也不会是一个固定的数值,而在一个范围内变化。但组成岩石的矿物,在单独存在时一般都服从虎克定律。现列出一些矿物的弹性模量如表4-1。一些岩石的弹性模量及泊松比如表4-2。表4-1 矿物的弹性模量 表4-2 岩石的弹性模量

18、泊松比 岩石的弹性模量还与应变种类和加载大小有很大的关系。当载荷小时,各种应变情况下的弹性模量差别不大。当载荷大时,这种差别就显著起来。当岩石被拉伸时,其弹性模量随载荷的增加而减小。与此相反,当岩石被压缩时,其弹性模量随载荷的增加而增加。如图4-3所示。 图4-3 岩石在弹性范围内的应力应变简略曲线1-拉伸情况;2-压缩情况沉积岩的主要特征是层理。层理对弹性模量及泊松比有明显的影响。表4-3是几种沉积岩因层理所表现的数据上的差异,即岩石的各向异性。用平行于层理(以符号表示和垂直于层理(以上符号表示的试验方法得出。表4-3 几种沉积岩的各向异性 二、岩石的强度1、强度的概念物体受外力作用而达到破

19、坏时的应力,称为物体的强度。这是物体的机械性质,是物体抵抗外力破坏的能力。按破坏前物体残余变形的大小,可分为塑性和脆性的两种。脆性的物体在极小的残余变形下即被破坏,而塑性物体的破坏,只是在显著的残余变形之后才发生。岩石的强度概念也是这样。通常用四种强度描述岩石的强度性质。(1单轴抗压强度简称抗压强度。通常在常温常压下用抗压强度试验机测定,取压坏岩样时的外力除以岩样横截面积,即得岩样的单轴抗压强度。单位为兆帕。许多部门都采用抗压强度这一性质,应用较广。抗压强度虽不能直接用于石油钻井的井下条件,但仍在使用。如美国IADC就使用岩石的抗压强度,以其高低划分地层,便于钻头选型。美国休斯公司也将常见岩石

20、的抗压强度列在三牙轮钻头手册上,以便选用钻头时参考。(2抗拉强度岩石的单轴抗拉强度也可用与金属拉伸试验相同的方法测定。岩样拉断时的应力即为岩石的抗拉强度,单位兆帕。这种求岩石抗拉强度的方法较为直观。(3抗剪强度为在剪切力的作用下岩石破坏时的应力。较为直观的测定方法是将方块长条岩样固定在支架上,支架在岩样下方形成一个支点,与岩样上方的切刀合在一起构成一对剪切力,当剪切力足够大时,岩样被剪断。此时岩样单位面积上的剪应力即岩石的抗剪强度。(4抗弯强度为在弯曲力矩作用下岩石发生破坏时的应力。可用简支梁法测定,将长方条形岩样下方支在两支点上,在上方位于两下支点中央处通过支点向下加压力。岩样受弯曲力矩。当

21、岩样被压到折断时的应力即岩石的抗弯强度。2、岩石的四种强度岩石由于其本身结构、组成、成因等特点,其强度与应变形式有很大的关系。一些岩石的单轴抗压强度c、抗拉强度t和抗剪强度s的数值列于表4-4。表4-4 岩石的抗压、抗拉、抗剪强度 如以抗压强度c为1,则其余应变形式的强度与抗压强度的粗略关系如表4-5所列。表4-5 岩石各种强度间的比例关系 沉积岩的层理对强度的影响甚大,表4-6是几种沉积岩在平行于层理方向(用表示和垂直于层理方向(用表示测出的结果。表4-6 几种沉积岩的各向异性(不同方向的强度 3、压力条件下岩石强度的特点上面讨论的岩石强度问题,可以给出岩石关于强度的一般概念。石油钻井中所遇

22、到的岩石是处于压力、温度、液体介质的条件下。显然这些条件会对岩石机械性质带来影响。这里简述压力的影响。岩石在地层深处处于各方受压的状态,通过模拟这种压力条件的三轴试验,可以了解到岩石在压力条件下的强度特点。主要表现在两个方面:(1岩石强度增加。根据试验资料,当大理岩的围压从0增加到165兆帕时,其强度从136兆帕增大到390兆帕,增加了254兆帕。砂岩的强度,当围压从0增大到155兆帕时,其强度从69兆帕增大到330兆帕。根据另一试验资料可知,岩石不同,受围压的影响也不同。如砂岩试样当围压从0增大到200兆帕时,其抗压强度增大十二倍左右;而岩盐的抗压强度仅增大一倍左右。其余岩石,如白云岩、硬石

23、膏、大理岩、石灰岩、页岩试样的抗压强度,在此条件下约增大410倍。(2岩石的塑性变形增大,脆性破坏转变为塑性变形或塑性破坏。岩石在围压影响下变形的试验资料列于表4-7。一般认为岩石的总变形量达到35%,就开始具有塑性性质,或已实现了从脆性到塑性的转变。表4-7中除石英砂岩仍然保持脆性破坏之外,其余岩石均已具有明显的塑性性质。岩性不同,岩石从脆性转变为塑性的围压也不同。表4-7 岩石的围压下的塑性变形 三、岩石的硬度和塑性系数前面讨论的岩石性质,主要是从力学角度出发建立的一些概念,与钻头在井下工作的状态差别较大。比较接近于钻头破碎岩石的机械性质,是岩石的硬度。牙轮钻头破碎岩石的过程中,有一种在垂

24、直向下的载荷作用下压入岩石并破坏岩石的作用,把这种作用简化为用一压头压入岩石并使之破坏的作用过程,求出岩石局部压坏时的单位载荷,以此代表岩石的机械性质,称之为岩石的硬度。故硬度可理解为岩石抵抗其它物体压入其内的能力,即岩石的抗压入强度。常用压模和压头压入法测定岩石硬度。作用在压模上的载荷与压入深度关系曲线见图4-4。 图4-4 载荷与压入深度关系曲线由载荷与压入深度关系曲线图4-4可知,测定结果分三种。其中a 图是脆性岩石,其特点是载荷P 和吃深h 成线性关系。硬度P y 用下式计算。S P P y /= (4-3 式中P 产生脆性破碎时压模上的载荷,N ;S 压模的底面积,mm 2。塑性系数

25、K 为岩石破碎前耗费的总功A F 与弹性变形功A E 的比值。A F 及A E用a 图中P-h 曲线下面的面积计算。故脆性岩石的塑性系数K 为K=A F /A E =面积ODE/面积ODE=1。图4-4中b 是塑脆性岩石,P-h 曲线包含了弹性变形和塑性变形两个变形区,塑性变形末了也产生脆性破坏,故硬度P y 的计算法仍可用4-3式。塑性系数K=A F /A E =面积OABC/面积ODE=16。这类岩石的K 值一般取16。图4-4中c 是塑性岩石,其特点是只有塑性变形,而无脆性破碎。故其硬度P y 无法按4-3式计算,而取P-h 曲线中的屈服点P 0代替之。塑性岩石的K 值,因A F 不能从

26、P-h 曲线中求出,故取无穷大。岩石硬度和塑性系数分类情况见下表4-8、表4-9。表4-8 岩石硬度分类表 表4-9 塑性系数分类表 岩石硬度及塑性系数两项机械性质,是直接用岩芯测出来的,这对于理解岩石破碎过程中的性质有所帮助。但是试验条件与实际情况不同,许多因素都没有考虑,如钻头结构、钻头转速、冲击载荷、洗井液性质、水力因素、岩石压力、地层压力、井下温度等。而这些因素的影响又是很显著的。因此,在利用这些数据时,还应考虑到这些因素的影响。四、岩石的研磨性在用机械方法破碎岩石的过程中,钻井工具(例如钻头、钎子等和岩石产生连续的或间歇的接触和磨擦,从而在破碎岩石的同时,这些工具本身也受到岩石的磨损

27、而逐渐变钝、损坏。除了金刚石以外,制造钻头的材料多为淬火钢或硬质合金(近年来又出现了一些人造金刚石等超硬材料,岩石磨损这些材料的能力称为岩石研磨性(Rock-abrasiveness。钻头刃的磨损一般是表面的研磨性磨损,在有些情况下也可能出下疲劳的磨损(例如牙轮钻头齿,至于刮刀钻头硬质合金工作刃或人造金刚石聚晶块的脱落折断不属于正常的磨损。研究岩石的研磨性对于正确地设计和选择使用钻头,提高钻头的进尺,延长其工作面的寿命(轴承的磨损及寿命问题不在此讨论之列,对于提高钻井速度是极重要的问题。下面仅就有关这方面的研究情况,包括研究方法、所发现的规律性关系以及对岩石按研磨性的分类等进行必要的讨论。由于

28、岩石的研磨性取决于各种因素,因此有必要根据某一个量作为标准对岩石的研磨性进行分类。这个分类应该包括有岩相的必要数据,以便在实际应用时建立岩石相对研磨性的比较,从而能对设计钻井工具、钻头及选择使用参数并预计应用效果和对实际矿场使用效果的分析等提供参考依据。史立涅尔等根据研究的结果提出了这样的分类(见表4-10。表4-10是根据研磨系数值大小作出的分类,把各种岩石(包括晶质岩石和碎屑岩按研磨性的大小共分为12级。通过对上述试验数据的分析可以认为,盐岩、泥岩和一些硫酸盐岩、碳酸盐岩(当不含有石英颗粒时属于研磨性最小的岩石;其次应为石灰岩和白云岩等,属于低研磨性的岩石;火成岩的研磨性一般属于中等或较高

29、,要看这些岩石中所含长石和石英成分的多少以及颗粒度和多晶矿物间的硬度差而定。含长石及石英成分少、粒度细、矿物间的硬度差小的研磨性也小些,反之则研磨性较高;含有刚玉矿物成分的岩石应属于高研磨性的岩石;沉积碎屑岩的研磨性主要视其石英颗粒的含量及其胶结硬度而定,石英颗粒含量越多、粒度越粗、胶结强度越小的岩石,其研磨性越高,反之,如石英颗粒的含量少、颗粒细、胶结强度大的岩石,则其研磨性应较低。表410 各种岩石按单位磨擦路磨损的研磨性分类表 五、岩石的可钻性可钻性一般理解为岩石破碎的难易性,由此把岩石分为难钻的和易钻的。在有些情况下,可钻性可以确定岩石在井底抗钻头破碎它的能力。岩石的可钻性是个多变量的

30、函数,这些变量包括有天然的、工艺的和技术的因素。因此到目前为止,适合于油气井钻井条件的岩石可钻性问题仍是个尚未彻底解决的问题。但是,对岩石可钻性的正确评价又是确定钻井参数、选择钻头类型、预测钻井效果以及规定钻进工作定额时所必需的。在罗劳方法的基础上,近年来在我国石油界也开展了这方面的研究工作,研制成功可钻性测试仪,经过对大量地下岩芯的试验数据的统计Y为指分析,得出了按微钻头钻时Y(秒取以2为底的对数,即Log2标,可将各地层按可钻性分为10级(注:LogY的整数值即为可钻性级2别,见表4-11。表4-11 地层可钻性分类表 综上所述,地层岩性的研究对钻井工程是一项重要的基础工作,国内外各主要油

31、田对地层岩性的测定相当重视我国各主要油田的地层可钻性已先后进行了测定。但是,地层岩性的测定,主要依靠取自井下的岩心,而岩心的获取和制备有一定的困难。利用测井资料确定地层岩性,是目前较为理想的一种方法,可以代替部分岩心实验。具体方法可参考有关资料。第三节钻头油气埋藏在地下,为了寻找油气,取得地下资源,必须大量地破碎岩石、钻穿地层。现在的钻井方法,主要是用机械方法破碎岩石,破碎岩石的工具就称为钻头。钻头是破碎岩石形成井眼的主要工具,它直接影响着钻井速度,钻井质量和钻井成本。如果能用少量钻头迅速钻完一口井,那将会使整个钻进过程中,起下钻次数减少、建井速度加快、钻井成本降低。因此,选择破碎效率高、坚固

32、耐用的钻头,以及使用好钻头,就具有特别重要的意义。一、钻头类型1、刮刀钻头刮刀钻头是旋转钻井中最早使用的一种钻头。这种钻头结构简单,制造方便。刮刀钻头适用于松软一软的地层,例如在泥岩、页岩和泥质胶结的砂岩等地层,可以取得很高的机械钻速和钻头进尺。但是在硬而研磨性高的地层中钻进,刀片吃入困难,钻头磨损快,机械钻速低,有时还出现蹩跳现象,对钻具和设备寿命有一定影响。虽然如此,只要正确地使用,充分发挥刮刀钻头在软地层中钻进的优势,对提高钻进速度,降低钻进成本仍然是有效的。常见的刮刀钻头如图4-5所示。 图4-5 刮刀钻头2、牙轮钻头牙轮钻头是石油钻井中使用最广泛的钻头。这是由于牙轮钻头旋转时具有冲击

33、、压碎和剪切破碎岩石的作用;牙齿与井底的接触面积小,比压高;工作扭矩小;工作刃总长度大等特点,因而使牙轮钻头能适用于多种性质的岩石。目前常用的牙轮钻头为三牙轮钻头,如图4-6所示。 图4-6 三牙轮钻头目前牙轮钻头按牙齿材料不同分为铣齿(也称钢齿和镶齿(也称硬质合金齿二大类。铣齿牙轮钻头的牙齿均为楔形齿,由牙轮毛胚直接铣削加工而成,如图4-7所示。 图4-7 铣齿类型镶齿的硬度和抗磨性比铣齿高,寿命比铣齿长。常见镶齿如图4-8所示。 图48 镶齿类型3、金刚石钻头以金刚石做工作刃的钻头称为金刚石钻头。金刚石钻头早期是在地质钻探中使用,石油钻井中使用只有四十多年的历史。最初只用在极硬地层和研磨性

34、大的地层。最近十多年来金刚石钻头技术取得了飞跃性的进展,金刚石钻头品种增加,使用范围扩大,取得了满意的效果。金刚石钻头品种主要有:1940年天然金刚石钻头1978年 PDC钻头(聚晶金刚石复合片钻头1983年巴拉斯钻头(Ballaset,热稳定聚晶金刚石钻头1985年马赛克钻头(Mosaic钻头1987年大复合片PDC钻头目前金刚石钻头已不再是只能打坚硬地层的天然金刚石钻头的单一品种,而是形成一个能钻进从极软到极硬地层的完整系列。由于金刚石钻头能在低钻压、高转数下取得高钻速和高进尺,所以在许多钻井作业中,能取得牙轮钻头无法比拟的技术经济效益,成为快速防斜钻井、定向钻井、超深钻井、海洋钻井、高温

35、钻井、井下动力钻井中高效、经济、安全的优良钻井工具。据专家预测,在本世纪末,各种金刚石钻头的钻井工作量有可能占总钻井工作量的30%。金刚石钻头近年来取得飞跃发展的容观原因,是它适应了目前世界上石油钻井向海洋发展、向深井发展、向定向丛式钻井发展的结果,也是井下动力(涡轮钻、螺杆钻钻井发展的必不可少的配套工具。在以上这些钻井工程中钻机维持费用高昂、井下情况复杂(高压、高温、高密度钻井液、脆性岩石在深部转化为拟塑性岩石、以及地层的膨胀、坍塌、漏失等需用高效、高安全度的钻头来代替牙轮钻头,节约频繁的起下钻换钻头、打捞井底牙轮钻头落物、清理井下事故等作业。定向钻井及井下动力钻井需要低钻压高转速的钻头,而

36、这正是目前锒齿密封牙轮钻头所难以适应的。金刚石钻头技术取得飞跃发展的另一原因是由于近年来高温高压物理技术及超硬材料技术的进步,创造出聚晶人造金刚石复合片,大尺寸(直径可达2”复合片及热稳定聚晶金刚石切削块等新材斜。没有材料科学上的进步,金刚石钻头新产品的发展是不可想像的。(1金刚石钻头的结构各种系列的金刚石钻头具有基本上相似的结掏,由以下几个主要部份组成;切削元件、胎体(包括浸渍金属钢体、接头、喷嘴(或水眼。如图4-9所示。 图4-9 金刚石钻头PDC钻头、大复合片钻头、马赛克钻头采用硬质合金喷咀,其液流总面积(TFA等于喷咀截面之和,天然金刚石及巴拉斯钻头的TFA等于冠顶部位高压水眼横截面之

37、和并加一附加系数(考虑金刚石及聚晶块的出刃。(2钻头切削元件使用不同的切削元件就形成不同的钻头系列,金刚石钻头有四种基本的切削元件。聚晶金刚石复合片PDC钻头及大复合片钻头的切削元件,如图4-10所示。 图4-10 聚晶金刚石复合片聚晶金刚石复合片是在16OO。C,68万大气压的压力下由六面顶及双面顶压机一次烧结出来的复合材料,随着高温高压技术的进步,复合片直径由原来的1/2''增大至1''、11/2''、2'',复合片上部为聚晶金刚石薄层(0.60.635mm是切削元件锋锐的刃口,硬度及耐磨性极高,但抗冲击韧性差。下部为碳化钨基

38、片,其耐磨性仅为金刚石聚晶层的1/100,斯以在钻井过程中易于形成“自锐”,同时其抗冲击性好,为金刚石层提供良好的弹性依托。标准PDC钻头的复合片尺寸为13.44*8 mm是在钻头烧结后,采用熔点较低的Ag一Cu合金铅焊于钻头胎体孔穴上的。PDC钻头见图4-11。 图4-11 PDC钻头热稳定聚晶块巴拉斯钻头切削元件,有Geooet,Syndax,Tripax几种产品,基本形状为等边三角形或园柱片。标准巴拉斯钻头的聚晶块尺寸为4mm(边长 *2mm(厚。热稳定聚晶块是在复合片的基础上发展起来的新材料,PDC复合片中的聚晶金刚石采用钴(Co为粘结剂,由于钴与全刚石之间膨胀系救差异较大(钴为1.2

39、*10-5C,金刚石为2.7*10-6C,所以当钻头钻进由磨擦热产生高温时,由于钴的膨胀导致金刚石晶粒间的热压力裂纹及剥落,当复合片工作温度达到730C时,其切削能力直线跌落。热稳定聚晶块就是采用化学方法将金刚石聚晶块中的钴滤析掉,以实现晶粒之间的C一C连结,或且采用热敏感较低的非金属材料作为催化剂,其工作温度可提高到1200C,因此,PDC钻头只适用于钻进产生摩擦热较少的软中软地层,巴拉斯钻头则可适用于钻进中中硬并带有一定研磨性的地层。巴拉斯钻头见图4-12。 图4-12 巴拉斯钻头马赛克切削块马赛克钻头切削元件,是由热稳定聚晶块拼合成复合片的尺寸,然后以持殊工艺烧结于钻头胎体上。它既有热稳

40、定聚晶块的耐高温性质,又同时兼具复合片的切削能力。天然金刚石天然金刚石钻头的切削元件,金刚石钻头使用的金刚石分为五种:优级(P、标准级(R、特优级(SP、立方体钻石、黑钻石。优级与标准级金刚石为常用金刚石,特优级适用于硬及研磨性地层,立方体钻石颗粒大,带棱角,适用于较软地层提高钻速,但其抗冲击能力低,黑色钻石有最强的抗冲击性,适用于破碎型地层钻进。天然金刚石见图4-13。 图4-13 天然金刚石钻头这五种钻头中,天然金刚石钻头和大复合片PDC钻头目前在各油田使用较多,并取得引人注目的经济效益。4、其他钻头(1取心钻头取心钻头是钻出岩心的工具,它的切削刃分布在同一个园心的环形面积上,对岩石进行环

41、形破碎,形成岩心。取心钻头的类型很多,目前使用的有刮刀取心钻头、硬质合齿取心钻头、金刚石取心钻头等几种。使用最多的是金刚石取心钻头。见图4-14。为了提高取心收获率,钻头必须工作平稳。因此,要求钻头上的切削刃对称分布,耐磨性一致。并且底刃平面与钻头中心线垂直,以免因钻头工作时歪斜偏磨。在一定的条件下可以减少钻头的环形切削面积,以增大岩心直径。 图4-14 取心钻头(2双心钻头“双心”的意思是有一个钻头本身旋转轴和一个与井眼同心的轴,这两条轴线距离决定偏心的程度。见图4-15。双心钻头适用于在通过一个较小的井眼或套管中钻出一个大井径的井眼。一般双心钻头用于钻穿易粘附的流动性盐岩或膨胀性页岩地层,

42、双心钻头还用于加深井钻进,二次完井,增加套管环空,提高固井质量,以及减少井下扩眼时所伴随的危险。 图4-15 双心钻头双心钻头可选用PDC、巴拉斯、巴赛克和天然金刚石作切削元件以及任何标准的水力结构,此种钻头的几何结构可作变化以适用各种地层和井下扩眼要求。(3单牙轮钻头对于小尺寸三牙轮钻头,由于结构限制,牙轮轴及轴承都很小,承压能力很低,导致机械钻速较慢、使用寿命短。单牙轮钻头在一定程度上弥补了小尺寸三牙轮钻头的不足。在结构上,单牙轮钻头只有一个牙轮,牙轮轴及轴承都比同尺寸三牙轮钻头大得多,其承压能力和使用寿命也都大得多。如图4-16所示。 4-16 单牙轮钻头使用表明,单牙轮钻头的进尺和机械

43、钻速明显高于同尺寸三牙轮钻头,工作扭矩比PDC钻头低的多,其工作特性界于三牙轮钻头和金刚石钻头之间。二、破岩机理1、牙轮钻头的破岩机理由于牙轮钻头结构的特点,以及井底的实际状况,使牙轮钻头在井底工作时的运动状态和受力状态比较复杂,虽做了大量实验研究,但至今未有一个完全成熟的理论,来园满解释实际工作中出现的一些现象。因此,对牙轮钻头的破岩原理,只能从理论上做一些简介。(1冲击、压碎作用钻头在井底工作时,钻头及其牙轮绕钻头轴线旋转(亦称“公转”。由于地层对牙齿的阻力,也使牙轮同时绕其自身轴线旋转(亦称“自转”。牙轮在旋转时,牙齿交替以单双齿轮流接触井底,如图4-17所示。 图4-17 牙轮纵向振动

44、示意图牙轮以单齿接触井底时,牙轮中心在0位置;双齿着地时,轮心降低到01;单齿再次接触井底,轮心又升高到0位置。如此反复运动,牙轮轴心高度周期性的升高、降低,使钻头产生纵向振动,振幅是轴心的垂直位移h。每次纵振过程中,轴心上行会压缩下部钻柱;轴心下行又使下部钻柱弹性伸长。因此,牙轮钻头在井底破岩时,牙齿作用在岩石上的力,不仅有钻压产生的静载荷,还有因纵向振动而使牙齿以很高速度冲向岩石所产生的动载荷,前者使牙齿压碎岩石,称为压碎作用;后者使牙齿冲击破碎岩石,称为冲击作用。(2剪切作用在硬地层中,利用钻头对井底的冲击、压碎作用,可以有效的破碎岩石。但在软和中硬地层中,除了要求牙齿对井底岩石有压碎、

45、冲击作用外,还要有剪切刮挤的作用才能有效地破碎岩石,剪切刮挤作用来自牙轮在井底的滑动。具有复锥、超顶、移轴等结构的牙轮钻头,可使牙轮在井底产生滑动。现从理论上定性分析单锥超顶牙轮在井底产生滑动的原因,如图4-18所示。 4-18 单锥超顶滑动示意图将牙轮看成一光滑园锥,井底和牙轮都是绝对刚体,牙轮与井底接触为一条直线ba,V b表示牙轮随钻头一起转动的线速,V c表示牙轮绕牙轮轴转运的线速度,直线上ba之任一点相对井底的运动V gx均由 V b和V c合成,即V gx = V bx+ V cx,V gx呈直线分布,它与ba交于m点,m点的合成速度为零,称为做纯滚动点,只有滚动,没有滑动。由此可

46、知:具有单锥超顶牙轮的牙轮钻头在井底工作时,牙轮上的牙齿在井底以m点为中心,产生切向方向的扭转滑动。在实际钻井工作中,不同岩性的地层,需要不同的滑动量,因此,不同类型的钻头,其移轴距、超顶距和主付锥角差值等都是不同的,地层越软、塑性越大、牙轮滑动量要求大些,反之则小些。2、金刚石钻头的破岩机理金刚石钻头在井底的工作状况,在实际工作是无法观察的,只能通过室内模拟试验和分析,以及从井底返出的岩屑形状,来研究金刚石破碎岩石的原理。(1 天然金刚石钻头天然金刚石钻头破碎岩石的过程,可看成是单粒金刚石破碎岩石的过程,每一粒金刚石,可看为一球体。 图4-19 金刚石破岩特点图4-19给出了单粒金刚石切割地

47、层示意图。当钻某些硬地层时,钻头上的每粒金刚石在钻压作用下压入岩石使下面的岩石处于极高的应力状态,呈现塑性,同时在旋转扭矩的作用下产生切削作用,破碎岩石的体积大体上等于金刚石吃入岩石的位移体积。上述金刚石钻头破碎岩石的概念,还不能适用于所有的钻井情况。如在一些脆性较大的岩石中,在钻压和扭矩的作用下所产生的应力可使岩石沿最大剪切面产生裂缝,这种情况下岩石破碎的体积远大于金刚石吃人后位移的体积,脆性较大的岩石其破碎深度可达金刚石压入深度的2一5倍。金刚石破碎岩石的效果,除与岩石性能有关外,还与井筒和地层孔隙流体的压差的大小、钻压大小及金刚石的几何形状、粒度和出露量有关系。以上分析的是单粒金刚石在静

48、压入作用下旋转、破碎岩石的机理,而实际钻进时与试验情况很不相同,在实际工作中,钻头上许多粒金刚石同时作用于井底岩石上,应力分布受到影响;由于井底不平、钻具振动而承受动载;钻井液的冲刷等原因,使岩石变形和破碎规律发生改变。因此,使金刚石破碎岩石的原理更加复杂,还有待于进一步研究与探讨。(2PDC钻头PDC钻头是以切削齿对地层进行切削来破碎岩石的,由于钻头在井下高速旋转,以及井下的高温环境,使得并底岩石具有一定的弹性和塑性,整个切削过程,与金属切削过程很相似。如图4-20所示。 图4-20 PDC钻头破岩特点岩石的切削过程,实质上是一种挤压过程,在挤压过程中,岩石主要以滑移变形方式成为切屑。当岩石

49、开始接触切削齿的刀刃最初瞬时,接触点的应力使岩石内部产生弹性应力和应变;当切削刃逼近岩石时,岩石内部的弹性应力逐渐增大,在岩石内某一位置,剪切应力达到岩石的屈服强度,因而岩石开始沿剪切力相等的“初滑移面”滑移(图4-20中OA面,这个滑移面的左边代表弹性变形区域,右边代表塑性变形区域。岩石经过OA面在当切削刃移动时,滑移变形愈来愈大,当岩石移到OE时,图中岩层1和2之间将不再沿OE滑移,而是一起沿切削齿前倾面流出,所以称OA为初始滑移曲线,而称OE为终止滑移曲线。当岩石沿前倾面流出时,由于受到切削齿前倾面的压力和摩擦,切削的底层(靠近前倾面的一层产生较大的挤压和剪切变形,结果下层膨胀,切削向前

50、倾面相反方向流出,离开前倾面而成为切屑。上述是切屑形成的典型过程,切削层首先产生弹性变形,经过切削层滑移和切削层离开切削齿等阶段而完成切削。由于PDC钻头底部是凹锥形,其空间体积根小,当钻井液以一定的射流喷射速度喷出,冲击井底时,凹锥形空间形成很高压力,岩屑在此高压力作用下能及时脱离井底流向环空。因此,PDC钻头在切削破岩对不存在由于压差作用引赶的岩屑清除障碍问题。综上分祈,PDC钻头的破岩机理可概括为:PDC钻头切削齿在钻压作用下能自锐地吃入地层,在扭矩作用下向前移动剪切岩石。由此可以看出,PDC钻头充分利用了岩石抗剪强度较低的特点,同时不存在类似于牙轮钻头破岩时因压差引起的重复切削问题,因

51、此,破岩效率比普遁刮刀钻头及牙轮钻头要高。三、钻头系列标准1、国产三牙轮钻头系列标准三牙轮钻头标准中规定,根据三牙轮结构特征,产品分成两大类,共八个系列,见表4-12、表4-13。国产牙轮钻头型号表示方法见图4-21。 图4-21 国产牙轮钻头型号表示方法例:用于软地层、直径215.9毫米(8 1/2”的镶齿滑动密封轴承,喷射式三牙轮钻头型号表示方法如下:215.9×HP2或 8 1/2×HP2表4-12 国产三牙轮钻头系列 2、国际钻井承包商协会钻头统一编号目前,国外在钻井上使用最多的仍是牙轮钻头。钻头的类型和结构比较繁杂,各厂家生产的钻头虽各有代号,但大都采用国际钻井承

52、包商协会( IADC, International Associationof Drilling Congtractors牙轮钻头编号,以便识别和选用。IADC钻头编码用三位数字代表,各数字的意义如下述。第一位数字表示牙齿特征及所适用地层:1铣齿,软地层(低抗压强高;高可钻性2铣齿,中到中硬地层(高抗压强度3铣齿,硬地层(中等研磨性4镶齿,软地层(低抗压强度和高可钻性5镶齿,软到中硬地层(低抗压强度6镶齿,中硬地层(高抗压强度7镶齿,硬地层(中等研磨性8镶齿,极硬地层(高研磨性第二位数字表示所钻地层再由软到硬分为四个等级。第三位数字表示钻头结构特征:1标准型滚动轴承2用空气清洗和冷却的滚动轴承

53、3滚动轴承保径钻头4密封滚动轴承5密封滚动轴承保径齿6密封滑动轴承7密封滑动轴承及保径齿8定向井钻头9其他例1:321第一位数字3表示钢齿、硬地层;第二位数字表示硬地层2级;第三位数字1表示标准轴承。例2:817第一位数字8表示镶齿、极硬地层;第二位数字1表示极硬地层1级;第三位数字表示滑动轴承、保径齿。3、金刚石钻头金刚石钻头目前还没有统一的系列标准,一般均为各生产厂家只有系列标准。以川石.克里斯坦森公司为例,其金刚石钻头系列见表4-13。表4-13 川石.克里斯坦森公司金刚石钻头系列 四、钻头选择钻头类型的选择对钻井速度影响很大,往往由于钻头选型不当,使得钻井速度慢、成本高。正确的选择钻头

54、,一方面要对现有钻头的工作原理与结构特点清楚的了解,另一方面还应对所钻地层岩石物理机械性能有充分的认识。钻头特性与地层性质的合理匹配,是钻头选择的基本额出发点。1、选择时考虑的因素1研磨性地层的选择。研磨性地层会使牙齿过快磨损,机械钻速降低很快,钻头进尺少,特别会磨损钻头的规径齿以及牙轮背锥与爪尖,使钻头直径磨小、轴承外露,加速钻头的损坏,这时最好选用镶齿钻头。2浅井段与深井段钻头类型的选择。为了达到最好的经济效果,在浅井段应选用机械钻速较高的钻头类型,深井段应考虑使用寿命长的钻头。如上部松软地层可选用喷射式的P1和P2型钻头,深部的软地层可选用简易滑动喷射式HP2型钻头。这样可达到降低每米成

55、本的目的,特别是在海洋钻井与钻机成本较高的井队,经济效果更为明显。3深部软地层的选型。根据生产实践知道,约在3000米以下井深遇到泥岩、页岩等软地层岩石时,如选用硬地层钻头钻进,机械钻速很低;如选用软地层钻头钻进,又容易造成过多断齿的现象。人们形象地称这种地层为“橡皮地层”,这是由于软岩石在深部处于各向高压状态时,岩石物理机械性能就要改变,岩石的硬度增大,塑性也增大。因而使用主要靠冲击破碎岩石的硬地层钻头类型时,破碎岩石效果差,机械钻速慢;而用软地层钻头加大刮剂作用来破碎岩石时,易断齿,钻头使用寿命短,所以这时最好的方法是用低固相优质轻钻井液,选择中硬地层钻头类型,往往效果较好。4易井斜地层的

56、选型。地层倾角较大是造成井斜的客观因素,而下部钻柱的弯曲与钻头类型选择不当,是造成井斜的技术因素。对于钻头类型与井斜的关系,过去往往不被人们所认识,通过理论分析与试验得出,移轴类型的钻头,在倾斜地层钻进时易造成井斜。所以应选用不移轴或移轴量很小的钻头。同时,保证移轴小的前提下,还应选用比地层岩石性能较软类型的钻头,这样可以在较低的钻压下提高机械钻速。5软硬交错地层的选型。一般应选择镶齿钻头中加高楔形齿或加高锥球齿,这样既在软地层中有较高的机械钻速,也能保证对付硬地层。但在钻头钻进时的钻压及转速上应有区别,钻进软地层时可提高转速降低钻压,在硬地层井段应提高钻压降低转速,达到更好的经济效果。2、按

57、钻头产品目录选择钻头类型钻头生产厂家通过大量的试验,对各型钻头的适用情况进行了界定,形成了钻头产品目录。根据钻头产品目录,结合所钻地层性质选择钻头类型,基本能够做到对号入座,匹配合理。表4-14为国产三牙轮钻头产品目录。表4-14 国产三牙轮钻头型式与适应地层 例:某井井深4000m,石灰岩地层,试选用国产三牙轮钻头类型。根据国产三牙轮钻头产品目录,适合一般石灰岩地层的钻头类型有3型和4型。考虑到井深较大,建议选用4型国产三牙轮钻头。由于即使同一种岩性,其物理机械性能差别也很大,所以仅根据岩性按钻头产品目录来确定钻头类型是不够全面的,还应收集邻近井相同地层钻过的钻头资料及上一个钻头的磨损分析,结合本井的具体情况来选择。金刚石钻头价格高昂,要取得良好的经济效益,关键在于根据地层岩性(硬度、研磨性、硬夹层的多少及分布及井队的装备条件(钻机及钻井液的工作能力、是否配备井下动力钻具筹,准确选用对号的金刚石钻头。金刚石钻头的选用可参考下表4-15。表4-15 金刚石钻头 从原则上来说,大复含片钻头适用于极软软,同时粘性极强,采用PDC 钻头容易泥包的页岩、泥岩地层;PDC钻头适用于均质、夹层较少的软地层;