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1、气体钻井破岩工具优选初探2010年第17期内蒙古石油tL.r-31气体钻井破岩工具优选初探李群生,厉爽.",胡大梁,王希勇.(1.中国石油大学石油天然气工程学院,北京昌平102249;2.中石化西南油气分公司工程技术研究院,四川德阳618000;3.西南石油大学;4.四川华星天然气有限责任公司)摘要:随着四川地区气体钻井技术的推广应用,与气体钻井配套的破岩工具优选迫在眉睫.文章对四川地区气体钻井破岩工具的使用情况进行了统计,分析了牙轮钻头的选型和空气锤,PDC钻头的应用情况,阐述了宽齿牙轮钻头在气体钻井中的优势,推荐了ST517GK,HJT537GK等使用效果较好的宽
2、齿牙轮钻头.对三种破岩工具的主要技术指标进行了对比,揭示了PDC钻头与空气锤在气体钻井过程中的优越性,提出了气体钻井使用PDC钻头时的地层匹配,钻井参数优化及空气锤正确使用的建议.关键词:气体钻井;钻头选型;牙轮钻头;PDC钻头;空气锤中图分类号:TE242.6文献标识码:A文章编号:1Oo6—7981(2010)17一Oo31一O3气体钻井使机械钻速极大提高,其理论基础已得到了深入的研究,但是目前仍然沿用钻井液钻井的破岩机理,破岩工具也是针对钻井液工作环境设计的,这些工具应用于气体钻井过程中出现了一系列的不适应.为此,对气体钻井中现有的破岩工具使用情况进行分析,优选
3、出适于气体钻井的破岩工具,能在提高机械钻速的同时,取得更好的综合效益.1气体钻井破岩机理根据前人研究成果以及气体钻井现场实践[1],气体钻井破岩机理按岩石破碎过程分为下述程序:①井底岩石原始受力状态到岩石初始破碎.初期的井底岩石原始压缩状态被打破,内部积聚的能量开始向压力降低的方向膨胀,导致岩石初始破碎.②钻头敲击后裂纹扩展及延伸.当钻头敲击井底时,岩石裂纹进一步扩展,井底岩石表面裂纹向底层延伸,在钻头冲击载荷作用下,应力超过岩石的强度极限,裂纹增长.③钻头齿吃入岩石后裂纹延伸并出现脆性炸裂.随着钻压增加,裂纹进一步扩展延伸,随着破岩工具吃入深度增加,岩石产生脆性炸裂
4、,较大的岩屑块脱离井底.由于气体钻井压持作用很小,经过上述过程岩石硬度降低,无论选用哪种破岩工具,都能使岩石破碎体积增大,从而使气体钻井保持较高的机械钻速.2牙轮钻头的优选四川地区气体钻井技术已广泛应用,牙轮钻头以其高性价比的优势成为首选破岩工具.笔者选取了四川地区不同区块具有代表性的23口井,通过对现场试验数据和施工情况的分析,牙轮钻头应用于气体钻井钻进具有以下特点:①由于气体钻井所需钻压较普通钻井液钻井低,使得牙轮钻头轴承磨损变缓,钻头使用寿命普遍较长.②气体钻井时岩屑压持效应小,气体能较好的清洁井底岩屑,减少岩屑重复切削,从而延长合金齿的使用寿命.③由于气体钻井
5、时不采用高压喷射,钻头无需装喷嘴.气体钻井施工过程中,各井使用的钻头型号呈多样性,但为保证井下安全,均选择了保径强化的牙轮钻头.具体情况如表l,2.表1气体钻井过程中牙轮钻头使用情况统计表井号钻头外径钻头型号mm数量单只平均机械只进尺m钻速m/h收稿日期:201O—O6—15科研项目:本文为中石化科技部重点科研项目"川西深井提高钻井速度配套技术应用研究"(编号:P0803o)部分内容.作者简介:李群生(1981一),工程师,2004年毕业于西南石油学院石油工程专业,工程硕士在读,主要从事钻井技术影究.32内蒙古石油化工2010年第17期表2气体钻井过程中牙轮钻头综合应
6、用效果统计表型号钻层々mm钻速m/h进尺m肥硒居图1406.4,444.5mm牙轮钻头数据统计表图2311.15,314.3,316.5mm牙轮钻头数据统计表对比钻头材质选择及结构设计,可以看出ST537GK钻头采用较长的硬质合金齿,破岩较充分,机械钻速普遍较高;HJT537GK钻头在轴承部分使用了独有的"0"型密封圈设计,轴承磨损更小,使用寿命更长,单只进尺更高.实钻效果也验证了以上论断.①406.4mm,444.5mm井眼内,宽齿牙轮钻头较普通牙轮钻头使用效果好,ST517GK钻头的平均机械钻速和单只进尺指标较高.②311.15mm～316.5mm井眼内ST537
7、GK牙轮钻头平均机械钻速最高,HJT537GK单只进尺最长由此可以看出:气体钻井钻头选型时,应根据井段长度,选择使用寿命相应的钻头;其次,尽量选择硬质合金齿较长的宽齿钻头,充分提高机械钻速.3空气锤的推广应用井斜是快速气体钻井中遇到的比较突出的问题,井斜增长过快通常采用低钻压吊打的方式来解决,这样就牺牲了机械钻速,而空气锤是控制井斜的有效工具.目前,较为常用的空气锤锤头有凹面,深凹面,平面和凸面等四种基本类型[3].3.1钻压,转速选取钻压的作用是为了克服空气锤产生的上推力,其大小取决于空气锤在气缸内所产生的压力大小.钻压过大会引起钻头的过早磨损,球
