取心钻头时效的影响因素

王子臣

(中油长城钻探工程有限公司 工程技术研究院取心技术研究所，辽宁 盘锦 124010)



取心钻头时效的影响因素

王子臣

(中油长城钻探工程有限公司 工程技术研究院取心技术研究所，辽宁 盘锦 124010)

对影响取心钻头时效的因素进行分析。通过实验总结的经验公式能够更好地分析相关因素的相互影响。通过对新旧钻头进行效果对比，发现新式取心钻头在钻头实时受力分析的基础上，着重于切削齿的形状设计，减小弧长，更便于切入地层。布齿的力平衡性好，减轻钻头不必要的磨损，增强钻进的稳定性。钻头齿的倾角调整到最科学切削角度，切削弧长不宜过长，不能产生过大的岩屑在井底重复切削。改进后的取心钻头在转速和机械钻速增加的情况下，钻头能够稳定地快速切削，避免岩屑大量堆积，提高钻进时效，延长钻头使用寿命，减少力的损失，同时能够平稳地塑造岩心。

取心钻头；布齿形状；机械钻速；提高时效

近些年由于在世界范围内石油勘探项目的兴起，对石油钻井过程中所使用的钻头进行了更深层次的研究和分析，目的是为了提高时效的同时创造更大的经济效益。钻井取心是在勘探过程中最直观了解地层的方式，由于勘探过程中取心效果的好坏会直接影响到对地层的有效分析和价值评估，所以取心钻头的研究也被更加重视。之前的理论分析认为取心过程中切削面积越大，时效越高，这个理论也在一段时间内影响着取心钻头的设计理念。目前经过近几年的实验室分析发现，取心钻头的影响因素不单单体现在切削面积上，受地层岩性的影响，取心过程中，钻头的切削弧长、切削齿倾角和布齿的形状，以及切削岩屑避免造成重复切削等因素都影响到钻头的切削时效，进而影响岩心质量。利用本文取心钻头设计理念生产出来的钻头在实际应用中机械钻速快，发生堵心、胀心事故少，提高了取心服务质量，也节省了钻井取心作业成本。

1 影响取心钻头时效的实验室分析

公式(1)为原始的钻头设计理论根据，切削面积A和切削力Fc呈线性关系，钻头切削力对于取心的切削时效影响很大[1]。

Fc=KCδA

(1)

式中：Fc为钻头切削力，kN；KC为钻头切削角度有效当量系数；δ为地层岩石应力；A为切削面积，cm2。

随着这几年钻头设计的改进和现场应用参数的反馈，理论依据有了新的延伸和拓展。公式(2) 是在井底条件理想状态下，钻头切削过程中的面积公式。

(2)

式中：D为钻头外径，mm；ROP为机械钻速，m/h；RPM为转速，r/min。

(3)和(4)公式中体现出钻头轴向力的影响因素，和转速及机械钻速有直接关系[2]。

(3)

式中：kp为倾角系数；D为钻头直径，mm；σ为钻遇地层岩石压实系数。

(4)

式中：Es为钻头有效压力，Pa；WOB为钻压，kN；TOB为扭矩，kN·m。这套理论公式不能确定钻头齿的数量及分布形状对钻头时效的影响。根据近几年实验发现在切削面积相差无几的时候，不同形状的切削齿造成的切削轨迹，切力也相差很多[3]。

表1是切削面积近似1 cm2时实验室得到的切削弧长和钻进力的近似数据。

表1 实验室钻头齿形等面积切削数据分析

实验发现，在切削面积近似相等的时候，切力大小不一样，如图1所示，切削面积等值增加的时候，弧长增加不一样，切力增加的幅度也不一样。原先的理论已经不能准确

解释现实钻井中出现的问题。虽然切削面积增加的情况下由于切削弧长加大，切力变大，但是增加幅度并不是简单的线性关系[4]。

目前实验总结出的经验公式(5)，可以精确看出钻头切力和轴向受力的变化，能够更好地分析相关因素的相互影响。

FP=vFctan(β+ψ)

(5)

式中：v为实验室经验常数；β为钻头齿背倾角，(°)；Ψ为钻头齿和地层的切削弧线的近似倾角，(°)。

2 取心钻头齿的数量、倾角及布齿的影响

钻头齿的数量和布齿形状及邻近齿的倾角差异对钻头的力学稳定性有影响，钻头在井底工作状态下的稳定程度会对切力的作用效果产生很大影响。也就是现在很多学者提出的力均衡理论，取决于钻头布齿的力学合理性和每转钻头齿的切入深度δ，也就是取决于机械钻速和转速[5]，如(6)式所示。

δ=ROP/5RPM

(6)

式中：δ为每转钻头齿的切入深度，cm。

实验模拟砂岩地层在转速和机械钻速逐渐递增的情况下，钻头齿的承受压力在布齿力学互补的情况下比同型号连续布齿要小。这样不仅可以提高时效，还可以延长钻头使用寿命。机械钻速一样的时候，钻头力越小，时效越高，使用寿命越长[6]。

2.1 钻头齿的设计和分布

实验表明，同样型号的钻头，齿片数一样，齿型一样，就是齿的分布规律不同，一个采用螺旋式布齿，从中心向外辐射，另一个采用对称布齿，比较明显的差别就是，对称布齿的钻头在同等转速的条件下，机械钻速随着转速的增加更明显。螺旋布齿由于齿的角度一样会有主副齿的差别，对称分布是相互补充，效果更好。岩屑切削角度和切力大小可以在实验室分析数据，针对不同岩性，钻头可以设计出不同的倾角。

公式(7)是钻头有效切削角公式，可以根据不同地层设计不同角度的钻头齿和布齿方式。

(7)

式中：Ψ为岩屑切削角，(°)；Fp为切入方向力，N；Fc为切削方向力，N。

在实验室内砂岩地层切削的岩屑测量角度和理论推算的角度基本吻合，岩屑倾角大概15°左右。不同的岩性切削倾角不同，这个理论可以用来验证钻头齿的设计切削轨迹是否合理[7]。

2.2 钻头齿的受力分析

钻头的稳定性取决于每转钻头齿的切入深度和相邻齿的切力互补。这就关系到地层的岩性和钻头本身的设计是否匹配。目前钻头的设计还不能准确地计算出井下力的分布情况，只能利用经验公式(8)推算。

Fc=kμξσSH

(8)

式中：k为经验系数；μ为背向角系数；ζ为侧向角系数；S为切削面的接触长度；H为接触高度。

3 结论

目前长城取心所用的取心钻头在钻头设计上考虑的因素很全面，和钻头厂商合作设计的取心钻头具有破碎能力强，布齿平衡力效果好，减少钻头的破坏性磨损，增加使用寿命。主要是基于钻头设计的三点要素：一是齿型选择，根据地层侧重于切削功能或者研磨功能；二是钻头齿的倾角设计要根据地层的特性适当调整，适当减小切削弧长，在增加切削性的前提下，不能产生过大的岩屑在井底重复切削，减缓机械钻速的同时也容易造成堵心。三是齿的分布考虑受力平衡，减轻钻头的不稳定性造成的钻头磨损，也增加了岩心进筒的稳定性，受力均衡对岩心塑型有很大的帮助。通过四川壳牌区块两口临井的取心操作数据统计发现，相比之前同类地层取心钻进效提高10%左右，主要体现在进尺稳定，随着转速的增加，机械钻速增加明显，而不是单一的靠加大钻压去调节速度。钻头与地层的匹配性加强，一定程度上也减小了堵心情况的发生。

[1] 刘纯仁．加蓬AKONDO油田定向井钻井实践与认识[J]．承德石油高等专科学校学报，2016，18(1)：8-11．

[2] 范光兵，施宇．碰撞式井壁取心技术的改进和应用[J]．承德石油高等专科学校学报，2011，13(4)：17-19．

[3] 徐建飞．PDC钻头冠部结构特征参数力学分析[J]．承德石油高等专科学校学报，2013，15(1)：14-17．

[4] 何良泉，高盼盼，蒋红梅．埕东断裂带义50块砂砾岩油藏钻头选型探索与应用[J]．承德石油高等专科学校学报，2016，18(2)：6-9．

[5] Akbari B.PDC cutter-rock interaction: experiments and modeling[D].Tulsa：University of Tulsa，2014.

[6] Zhou Y. Numerical Modeling of Rock Drilling With Finite Elements[D].Pittsburgh：University of Pittsburgh，2013.

[7] Detournay E， Detournay P．A Phenomenological Model for the drilling action drag bits[J]．International J. Of rock mechanics and mining science，1992，29(1):13-23.

Factors on Coring Bit Drilling Efficiency

WANG Zi-chen

(Coring Department of Engineering Technology Researching Institute, Greatwall Drilling Company,China International Petroleum Company, Panjin 124010, Liaoning, China)

Coring efficiency influences the coring sample quality. The coring bit blade length, trajectory, rake and distribution will lead to shaping the coring sample. The new type coring bit focused on the blade shape designing based on analyzing the mechanics during coring drilling, short trajectory type for easy cutting into the formation. The force balance distribution on blade type enhances the stabilization while coring drilling decreases the core bit exhaustion. The bit rake has a critical point for two aspects while coring drilling. The first is fit to core cut with short trajectory, and the second is no big chips accumulating bottom the down hole. This type coring bit has the advantage of operating quickly and stabilizing with long life, as well as decreasing the core jam.

coring bit; cutter layout; penetration rate; efficiency improvement

2016-06-15

王子臣(1979-)，男，吉林九台人，工程师，主要从事从钻井取心研究与推广工作,E-mial:wzc-wzc-czw@sohu.com。

TE921

A

1008-9446(2017)01-0024-03