鉆井與完井工程教材第四章鉆進(jìn)工藝

1、第四章鉆進(jìn)工藝在鉆井工程中,大量的工作是破碎巖石、加深井眼的鉆進(jìn)過程。鉆進(jìn)工藝就是在分析和處理鉆井?dāng)?shù)據(jù)和資料的基礎(chǔ)上,全面、準(zhǔn)確地認(rèn)識鉆井過程的客觀規(guī)律,立足于現(xiàn)有裝備條件,采用各種數(shù)學(xué)、物理方法確定合理的鉆井參數(shù)及鉆井措施,使鉆進(jìn)過程的整體經(jīng)濟(jì)效果達(dá)到最優(yōu)的工藝技術(shù)。顯然,掌握良好的基礎(chǔ)理論知識,了解國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)動(dòng)態(tài),富有進(jìn)取和創(chuàng)新精神,是學(xué)習(xí)鉆進(jìn)工藝必不可少的基礎(chǔ)條件。第一節(jié)鉆進(jìn)過程的系統(tǒng)分析一、系統(tǒng)特征鉆進(jìn)過程是由多個(gè)子系統(tǒng)綜合運(yùn)行作業(yè)而匯集的復(fù)雜系統(tǒng),其系統(tǒng)特征表現(xiàn)為“五多一長”,即:多工序的作業(yè)環(huán)節(jié);多工種的操作配合;多專業(yè)的協(xié)調(diào)管理;多因素的環(huán)境影響;多渠道的橫向調(diào)節(jié);長戰(zhàn)線的后

2、勤保障規(guī)模。各子系統(tǒng)間的相互作用、約束及各子系統(tǒng)本身的行為構(gòu)成了系統(tǒng)的整體行為。顯然,各子系統(tǒng)的運(yùn)行是否良好,各子系統(tǒng)之間的相互作用是否正常,對鉆進(jìn)過程全局有著直接的、重要的影響。根據(jù)鉆進(jìn)過程的系統(tǒng)特征可知,系統(tǒng)目標(biāo)主要體現(xiàn)在安全、成功、效益三個(gè)方面。在系統(tǒng)目標(biāo)中,最重要的應(yīng)該安全,即:人身安全、設(shè)備安全、井眼安全。如果安全得不到保證,出了事故,所造成的損失往往是非常嚴(yán)重的。系統(tǒng)目標(biāo)中第二位的應(yīng)該是成功:井身質(zhì)量好、固井質(zhì)量高、錄井資料齊全、油氣層得到保護(hù)等。系統(tǒng)目標(biāo)中第三位的是效益指標(biāo):鉆井速度、建井周期、成本等。實(shí)踐證明:不安全、不成功的井,其經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)肯定是很差的。這說明安全、成功與效

3、益三個(gè)指標(biāo)往往是相互聯(lián)系的,不顧安全、不顧質(zhì)量地一味追求高鉆速、短周期、低成本,結(jié)果往往適得其反;而嚴(yán)密的安全措施、合理的質(zhì)量保障本身就是效益。由于鉆進(jìn)過程系統(tǒng)目標(biāo)中安全與成功二大因素是比較復(fù)雜的,難以量化,因而系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)也難以建立。一般的解決辦法,是把容易量化的效益指標(biāo)作為系統(tǒng)目標(biāo),把安全與成功作為系統(tǒng)約束條件,建立系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)。按照系統(tǒng)論的觀點(diǎn)與方法,鉆進(jìn)過程總是在自覺與不自覺中追求系統(tǒng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。例如在一個(gè)新構(gòu)造上,開始的幾口井鉆的不會(huì)太好,但隨著這個(gè)地區(qū)鉆井活動(dòng)的增加,各種經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的積累,以后的井就會(huì)越鉆越好。這個(gè)趨勢可用“學(xué)習(xí)曲線”來表示,如圖4-1所示。 圖4-1 鉆井學(xué)習(xí)曲線“

4、學(xué)習(xí)曲線”表明,如果不采用科學(xué)的理論與方法,而只依靠經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的簡單積累,則“學(xué)習(xí)曲線”下降緩慢,說明離系統(tǒng)目標(biāo)還有一定距離;反之,如果有意識地、積極地采用科學(xué)的理論與方法指導(dǎo),分析鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的問題,尋找解決辦法,則“學(xué)習(xí)曲線”下降十分迅速并趨于穩(wěn)定,說明已十分接近系統(tǒng)目標(biāo)。真正比較完善、成熟的鉆進(jìn)工藝技術(shù),應(yīng)該是在新區(qū)鉆探少數(shù)幾口井后,就可以使“學(xué)習(xí)曲線”下降到相對穩(wěn)定的低點(diǎn)。而鉆進(jìn)工藝技術(shù)的優(yōu)劣又取決于對鉆進(jìn)過程影響因素的了解和變化規(guī)律的的掌握程度。二、影響因素影響系統(tǒng)目標(biāo)的因素很多,其中直接與鉆進(jìn)過程有關(guān)的主要因素,一般可分為兩大類:一類是地層巖性等不可改變或不可任意改變的客觀因素;一

5、類是鉆頭類型、鉆井液性能、水力參數(shù)和鉆壓、轉(zhuǎn)速等可任意確定的可調(diào)變量。深入研究、掌握這些可調(diào)變量對鉆進(jìn)過程的影響規(guī)律,是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)的重要基礎(chǔ)。1、地層巖性地層巖性是影響因素中不可改變的客觀因素,因此對它的研究工作主要是認(rèn)識它,以便在鉆進(jìn)過程中去適宜它。對地層巖性認(rèn)識的準(zhǔn)確和可靠與否,決定了鉆進(jìn)工藝技術(shù)的合理性。要達(dá)到這個(gè)目的,必須從二方面入手:一是充分了解和掌握巖石的基本物理機(jī)械性質(zhì)、基本破碎規(guī)律;二是準(zhǔn)確預(yù)報(bào)、預(yù)測鉆遇地層的巖石類型。對癥下藥必將收到預(yù)期的效果。2、鉆井液性能鉆井液性能是影響系統(tǒng)目標(biāo)的重要可調(diào)變量。近三十年來許多科技人員對鉆井液性能與系統(tǒng)目標(biāo)中的重要指標(biāo)鉆進(jìn)速度的關(guān)系,進(jìn)行

6、了大量的深入研究。大量實(shí)驗(yàn)證明,鉆井液的各性能對鉆速都有一定影響,其中對鉆速影響較大的鉆井液性能主要是:(1密度;(2固相含量;(3粘度;(4失水,尤其是初失水;(5含油量。這些鉆井液性能對鉆速的影響規(guī)律如圖4-2示。 圖4-2 鉆井液性能對鉆速的影響柱與地層流體之間的壓差(即巖層壓持壓力使被鉆頭破碎的巖屑緊緊附在井底,井底凈化不良自然要造成重復(fù)切削,降低鉆頭破碎巖石的效率,從而影響機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺。還有人認(rèn)為,液柱壓力與地層壓力之差可以增大井底巖石的可鉆強(qiáng)度使鉆速降低;水馬力一定時(shí),鉆井液密度越大,壓力降越大,排量也越小,也會(huì)降低鉆速。除此之外,過低的鉆井液密度不能有效地平衡地層壓力,容易

7、引發(fā)井壁垮塌、井噴等事故;過高的鉆井液密度又容易壓漏地層、污染油氣儲(chǔ)層。確定合理的鉆井液密度是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)中最難解決的問題之一。鉆井液粘度也是顯著影響鉆速的重要因素。鉆井液粘度越小,鉆速越小,鉆速越快。當(dāng)粘度變得很小時(shí)(接近清水,鉆速有急劇的增加。鉆井液粘度影響鉆速的機(jī)理還不大清楚。有人認(rèn)為,鉆井液粘度增大,將使循環(huán)壓力增大,鉆頭水馬力相應(yīng)減少;同時(shí)環(huán)空循環(huán)壓力增大,相當(dāng)于增大了鉆井液密度;再有使鉆頭噴嘴紊流粘度相應(yīng)升高,不利于鉆頭對井底的清洗和沖擊作用。這一系列效果的迭加,導(dǎo)致了鉆速的降低。鉆井液失水量大則鉆速較快,有的研究指出,失水影響鉆速與粘度有關(guān),降失水劑一般都增大液相粘度,所以使用降

8、失水劑后,失水量下降,粘度增大,必然導(dǎo)致鉆速下降。鉆井液固相含量對鉆速有較大影響。在一般情況下,鉆井液中固相含量每降低1%,鉆速可以提高10%左右。為此必須嚴(yán)格控制鉆井液內(nèi)固相含量,一般應(yīng)低于4%為宜。在固相含量相同的情況下,固相在鉆井液中的狀態(tài)不同,也會(huì)出現(xiàn)不同的鉆速。一般在 4 %的固相含量條件下,不分散鉆井液比分散鉆井液鉆速提高將近1倍。油基鉆井液的鉆速一般要比相同密度的水基鉆井液約低20-30%,在一般的混油鉆井液中,少量的摻入油會(huì)使鉆速略有增加,繼續(xù)加大含油量又會(huì)使鉆速降低。鉆井液性能選擇的好壞基本上取決于選擇者的知識、經(jīng)驗(yàn)和對地層的認(rèn)識,以及使用過程中的及時(shí)調(diào)整。所以,國外多家石油

9、公司都研制了依據(jù)大量鉆井液影響規(guī)律和使用經(jīng)驗(yàn)的專家系統(tǒng),讓計(jì)算機(jī)做為一個(gè)有知識、有經(jīng)驗(yàn)的鉆井液專家,協(xié)助鉆井工程師進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場的鉆井液性能選擇和使用,通過自身的學(xué)習(xí)機(jī)制,最終成為一個(gè)完善的專家系統(tǒng)。3、鉆頭類型鉆頭類型鉆進(jìn)過程系統(tǒng)目標(biāo)有重大影響。一方面不同的鉆頭類型,由于結(jié)構(gòu)不同、破巖機(jī)理各異,因而有各自的適用范圍。如刮刀鉆頭適用于極軟、軟及中硬地層;牙輪鉆頭從極軟到堅(jiān)硬地層都有相應(yīng)的品種和系列可供選用;金剛石鉆頭主要用于中硬、硬及堅(jiān)硬地層。只有鉆頭類型與鉆井地層巖性相匹配,才能獲得最好的鉆井效果。另一方面,在相同類的鉆頭中,由于品種和系列不同,鉆進(jìn)效果也有很大的差異。對牙輪鉆頭來說,當(dāng)使用長

10、齒和大牙輪偏移角的鉆頭時(shí),在軟地層中的初鉆速常常是最高的,而在硬地層中則由于牙齒迅速磨損而使鉆速減慢。這就需要選用最合適的齒型、材料,配合最好的鉆頭工作條件,才能取得最低的單位進(jìn)尺成本;刮刀鉆頭是按楔入巖石的破碎機(jī)理設(shè)計(jì)的,鉆井效率取決于刀片數(shù)和井底切削角;金剛石和PDC鉆頭是按每轉(zhuǎn)吃入深度設(shè)計(jì)的,鉆進(jìn)效率由金剛石或復(fù)合片的大小和數(shù)量來決定。在大多數(shù)情況下,合理的鉆頭選型對實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程系統(tǒng)目標(biāo)起著關(guān)鍵的作用。4、水力參數(shù)水力參數(shù)是指泵壓、排量、噴嘴直徑等與鉆井液循環(huán)系統(tǒng)有關(guān)的參數(shù)。水力參數(shù)對鉆進(jìn)過程系統(tǒng)目標(biāo)的影響關(guān)系比較復(fù)雜,目前的研究主要集中在水力因素對鉆速的影響規(guī)律方面。通過機(jī)理分析和實(shí)驗(yàn)

11、研究,一般認(rèn)為水力參數(shù)對鉆速的影響是由于射流的形成。鉆井液通過噴嘴形成的射流有二方面的作用:一是水力破巖作用,二是水力清巖作用。射流的作用機(jī)理、合理的泵功率分配、排量和噴嘴直徑的確定,是水力參數(shù)的必須解決的定量計(jì)算問題。5、機(jī)械參數(shù)鉆壓、轉(zhuǎn)速是直接作用于井底藉以破碎巖石的基本參數(shù)。近三十年來,國外在這方面曾進(jìn)行相當(dāng)廣泛深入的研究,并已取得了比較滿意的成果。由于鉆壓、轉(zhuǎn)速是通過鉆頭破碎巖石的,它們的作用不僅對鉆進(jìn)速度有影響,同時(shí)也會(huì)影響鉆頭的磨損速度和工作壽命。因此在選擇鉆壓、轉(zhuǎn)速時(shí),必須綜合考慮這兩方面的影響,確定合理的配合。三、研究方法未知的鉆進(jìn)規(guī)律對我們來講就相當(dāng)于一個(gè)不知內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“黑箱

12、子”,這個(gè)黑箱子的行為是有規(guī)律的。為了得知黑箱子的行為規(guī)律,我們可以采用兩種方法:一是打開黑箱子,研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu),這就相當(dāng)于從力學(xué)、物理、化學(xué)的角度出發(fā),從微觀上研究事物的本質(zhì)。待黑箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都清楚了,黑箱的行為也就可以推斷出來了。無疑,這是一種常規(guī)的建模方法。第二種方法就是不管黑箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何,只研究它的行為規(guī)律。所謂行為,就是指黑箱對于一定的輸入狀態(tài),唯一地對應(yīng)著一定的輸出狀態(tài)。通過對黑箱行為的一定量的觀察(必要的情況下也可以設(shè)定一些主動(dòng)實(shí)驗(yàn),我們就可以找到黑箱行為的規(guī)律,這就是控制論中所謂的“黑箱理論”。一般在對鉆進(jìn)過程的影響規(guī)律分析時(shí)綜合采用了這二種研究方法。鉆進(jìn)工藝包括的內(nèi)容非常

13、廣泛,可以說凡是涉及到鉆井過程的決策與施工問題都屬于鉆進(jìn)工藝的范圍。對一口井的整個(gè)施工過程進(jìn)行優(yōu)化處理是鉆進(jìn)工藝追求的理想目標(biāo),希望能從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)使整個(gè)施工過程達(dá)到優(yōu)化。但由于鉆井過程是一個(gè)多維的、復(fù)雜的大系統(tǒng),系統(tǒng)本身存在著一定的不確定性隨機(jī)性和模糊性。根據(jù)“大系統(tǒng)與高精度不相容原理”,要實(shí)現(xiàn)這個(gè)理想目標(biāo)難度很大。解決的辦法,可將大系統(tǒng)分解成若干相對獨(dú)立的小系統(tǒng),通過實(shí)現(xiàn)小系統(tǒng)的優(yōu)化處理來接近大系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)。在鉆進(jìn)過程大系統(tǒng)的諸多子系統(tǒng)中,各子系統(tǒng)既對系統(tǒng)目標(biāo)有比較獨(dú)特的的影響,子系統(tǒng)間也有不可忽視的交互作用,且子系統(tǒng)間的交互影響規(guī)律難以定量描述。目前的研究辦法,大多將各子系統(tǒng)作為

14、相對獨(dú)立的系統(tǒng)來考慮,在一定程度上淡化子系統(tǒng)間的交互作用,交互作用僅作為各個(gè)相對獨(dú)立系統(tǒng)的約束條件出現(xiàn)。綜上所述,鉆進(jìn)工藝的研究方法遵循了系統(tǒng)工程的基本原則,是一種由大變小、由復(fù)雜到簡單的簡化過程,基本能夠滿足目前條件下工程實(shí)踐的需要。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、交叉學(xué)科的發(fā)展,系統(tǒng)影響規(guī)律認(rèn)識的進(jìn)一步提高,對現(xiàn)有的簡化過程需要進(jìn)行補(bǔ)充和完善,逐步恢復(fù)到復(fù)雜大系統(tǒng)的本來面目,最終實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)。這種認(rèn)識上的螺旋發(fā)展、結(jié)果精度的不斷提升,符合事物發(fā)展的客觀規(guī)律,是認(rèn)識論中立場、觀點(diǎn)、方法的具體體現(xiàn)。第二節(jié)地層巖性鉆井的目的在于破碎巖石形成井眼。作用在井底巖石上的力,有上覆巖層壓力、鉆井液液柱壓力、

15、地層孔隙壓力等。研究巖石在各種應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)和破碎特點(diǎn),有利于了解和掌握鉆井所面對的工作對象-地層巖性。由于地層巖性比較復(fù)雜,因而地層巖性是一個(gè)多指標(biāo)的范疇(如強(qiáng)度、硬度等,不同的指標(biāo)從不同的角度反映了地層巖性的本質(zhì),但又存在一定的差異。因此,在確定地層巖性時(shí),應(yīng)根據(jù)多種指標(biāo)進(jìn)行綜合判定。一、巖石的物理機(jī)械性質(zhì)1、彈性、塑性、彈性模量與泊松比的概念任何物體,均為許多小質(zhì)點(diǎn)所組成,這種質(zhì)點(diǎn)稱為分子;分子之間互有作用力(引力或斥力。當(dāng)有外力作用于物體使其變形時(shí),這種分子間作用力便阻礙其變形。待物體因受外力而變形至某一程度,分子間的作用力適與外力相等而成平衡。此時(shí)物體便處于平衡狀態(tài)。當(dāng)除去外力

16、,物體能回復(fù)原狀的特性,稱為彈性。當(dāng)除去外力,物體不能恢復(fù)原狀的特性,稱為塑性,有的也稱受范性。除了殘余變形(非彈性變形屬于塑性的現(xiàn)象以外,松馳、后效、蠕變、疲勞等也屬于塑性的變形現(xiàn)象。彈性體在外力的作用下,其應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系服從虎克定律,即E=(4-1式中物體的應(yīng)力,為單位面積上的內(nèi)力,MPa;單位長度的變形,無量綱;E彈性模量,也叫彈性系數(shù)或楊氏系數(shù),量綱與應(yīng)力同。由(4-1式可以看出,外力引起彈性體的內(nèi)力,內(nèi)力隨外力而變化。外力使彈性體變形,而內(nèi)力則抵抗變形,且企圖消除彈性體已得的變形。彈性模量E則不隨上述條件變化,只與彈性體本身的特性有關(guān)。這里E代表了物體對彈性變形的抵抗能力。當(dāng)彈性體

17、在縱向受外力后,引起縱向的應(yīng)力z ,并在縱向產(chǎn)生變形,以應(yīng)變z 表示之。與此同時(shí),在橫向也會(huì)引起變形,以x 、y 表示之。如果材料是各向同性的,便有以下關(guān)系式:zyz x /-=-= (4-2式中泊松比。如(4-2式中x y ,便是各向異性的。 2、巖石的彈性模量與泊松比上述幾個(gè)概念,也適用于巖石。但是巖石一般不是理想的材料,因此受外力后不會(huì)服從理想彈性的虎克定律,巖石的彈性模量也不會(huì)是一個(gè)固定的數(shù)值,而在一個(gè)范圍內(nèi)變化。但組成巖石的礦物,在單獨(dú)存在時(shí)一般都服從虎克定律?，F(xiàn)列出一些礦物的彈性模量如表4-1。一些巖石的彈性模量及泊松比如表4-2。表4-1 礦物的彈性模量 表4-2 巖石的彈性模量

18、泊松比 巖石的彈性模量還與應(yīng)變種類和加載大小有很大的關(guān)系。當(dāng)載荷小時(shí),各種應(yīng)變情況下的彈性模量差別不大。當(dāng)載荷大時(shí),這種差別就顯著起來。當(dāng)巖石被拉伸時(shí),其彈性模量隨載荷的增加而減小。與此相反,當(dāng)巖石被壓縮時(shí),其彈性模量隨載荷的增加而增加。如圖4-3所示。 圖4-3 巖石在彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變簡略曲線1-拉伸情況;2-壓縮情況沉積巖的主要特征是層理。層理對彈性模量及泊松比有明顯的影響。表4-3是幾種沉積巖因?qū)永硭憩F(xiàn)的數(shù)據(jù)上的差異,即巖石的各向異性。用平行于層理(以符號表示和垂直于層理(以上符號表示的試驗(yàn)方法得出。表4-3 幾種沉積巖的各向異性 二、巖石的強(qiáng)度1、強(qiáng)度的概念物體受外力作用而達(dá)到破

19、壞時(shí)的應(yīng)力,稱為物體的強(qiáng)度。這是物體的機(jī)械性質(zhì),是物體抵抗外力破壞的能力。按破壞前物體殘余變形的大小,可分為塑性和脆性的兩種。脆性的物體在極小的殘余變形下即被破壞,而塑性物體的破壞,只是在顯著的殘余變形之后才發(fā)生。巖石的強(qiáng)度概念也是這樣。通常用四種強(qiáng)度描述巖石的強(qiáng)度性質(zhì)。(1單軸抗壓強(qiáng)度簡稱抗壓強(qiáng)度。通常在常溫常壓下用抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測定,取壓壞巖樣時(shí)的外力除以巖樣橫截面積,即得巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度。單位為兆帕。許多部門都采用抗壓強(qiáng)度這一性質(zhì),應(yīng)用較廣?？箟簭?qiáng)度雖不能直接用于石油鉆井的井下條件,但仍在使用。如美國IADC就使用巖石的抗壓強(qiáng)度,以其高低劃分地層,便于鉆頭選型。美國休斯公司也將常見巖石

20、的抗壓強(qiáng)度列在三牙輪鉆頭手冊上,以便選用鉆頭時(shí)參考。(2抗拉強(qiáng)度巖石的單軸抗拉強(qiáng)度也可用與金屬拉伸試驗(yàn)相同的方法測定。巖樣拉斷時(shí)的應(yīng)力即為巖石的抗拉強(qiáng)度,單位兆帕。這種求巖石抗拉強(qiáng)度的方法較為直觀。(3抗剪強(qiáng)度為在剪切力的作用下巖石破壞時(shí)的應(yīng)力。較為直觀的測定方法是將方塊長條巖樣固定在支架上,支架在巖樣下方形成一個(gè)支點(diǎn),與巖樣上方的切刀合在一起構(gòu)成一對剪切力,當(dāng)剪切力足夠大時(shí),巖樣被剪斷。此時(shí)巖樣單位面積上的剪應(yīng)力即巖石的抗剪強(qiáng)度。(4抗彎強(qiáng)度為在彎曲力矩作用下巖石發(fā)生破壞時(shí)的應(yīng)力?？捎煤喼Я悍y定,將長方條形巖樣下方支在兩支點(diǎn)上,在上方位于兩下支點(diǎn)中央處通過支點(diǎn)向下加壓力。巖樣受彎曲力矩。當(dāng)

21、巖樣被壓到折斷時(shí)的應(yīng)力即巖石的抗彎強(qiáng)度。2、巖石的四種強(qiáng)度巖石由于其本身結(jié)構(gòu)、組成、成因等特點(diǎn),其強(qiáng)度與應(yīng)變形式有很大的關(guān)系。一些巖石的單軸抗壓強(qiáng)度c、抗拉強(qiáng)度t和抗剪強(qiáng)度s的數(shù)值列于表4-4。表4-4 巖石的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度 如以抗壓強(qiáng)度c為1,則其余應(yīng)變形式的強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的粗略關(guān)系如表4-5所列。表4-5 巖石各種強(qiáng)度間的比例關(guān)系 沉積巖的層理對強(qiáng)度的影響甚大,表4-6是幾種沉積巖在平行于層理方向(用表示和垂直于層理方向(用表示測出的結(jié)果。表4-6 幾種沉積巖的各向異性(不同方向的強(qiáng)度 3、壓力條件下巖石強(qiáng)度的特點(diǎn)上面討論的巖石強(qiáng)度問題,可以給出巖石關(guān)于強(qiáng)度的一般概念。石油鉆井中所遇

22、到的巖石是處于壓力、溫度、液體介質(zhì)的條件下。顯然這些條件會(huì)對巖石機(jī)械性質(zhì)帶來影響。這里簡述壓力的影響。巖石在地層深處處于各方受壓的狀態(tài),通過模擬這種壓力條件的三軸試驗(yàn),可以了解到巖石在壓力條件下的強(qiáng)度特點(diǎn)。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:(1巖石強(qiáng)度增加。根據(jù)試驗(yàn)資料,當(dāng)大理巖的圍壓從0增加到165兆帕?xí)r,其強(qiáng)度從136兆帕增大到390兆帕,增加了254兆帕。砂巖的強(qiáng)度,當(dāng)圍壓從0增大到155兆帕?xí)r,其強(qiáng)度從69兆帕增大到330兆帕。根據(jù)另一試驗(yàn)資料可知,巖石不同,受圍壓的影響也不同。如砂巖試樣當(dāng)圍壓從0增大到200兆帕?xí)r,其抗壓強(qiáng)度增大十二倍左右;而巖鹽的抗壓強(qiáng)度僅增大一倍左右。其余巖石,如白云巖、硬石

23、膏、大理巖、石灰?guī)r、頁巖試樣的抗壓強(qiáng)度,在此條件下約增大410倍。(2巖石的塑性變形增大,脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃位蛩苄云茐摹r石在圍壓影響下變形的試驗(yàn)資料列于表4-7。一般認(rèn)為巖石的總變形量達(dá)到35%,就開始具有塑性性質(zhì),或已實(shí)現(xiàn)了從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變。表4-7中除石英砂巖仍然保持脆性破壞之外,其余巖石均已具有明顯的塑性性質(zhì)。巖性不同,巖石從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘膰鷫阂膊煌?。?-7 巖石的圍壓下的塑性變形 三、巖石的硬度和塑性系數(shù)前面討論的巖石性質(zhì),主要是從力學(xué)角度出發(fā)建立的一些概念,與鉆頭在井下工作的狀態(tài)差別較大。比較接近于鉆頭破碎巖石的機(jī)械性質(zhì),是巖石的硬度。牙輪鉆頭破碎巖石的過程中,有一種在垂

24、直向下的載荷作用下壓入巖石并破壞巖石的作用,把這種作用簡化為用一壓頭壓入巖石并使之破壞的作用過程,求出巖石局部壓壞時(shí)的單位載荷,以此代表巖石的機(jī)械性質(zhì),稱之為巖石的硬度。故硬度可理解為巖石抵抗其它物體壓入其內(nèi)的能力,即巖石的抗壓入強(qiáng)度。常用壓模和壓頭壓入法測定巖石硬度。作用在壓模上的載荷與壓入深度關(guān)系曲線見圖4-4。 圖4-4 載荷與壓入深度關(guān)系曲線由載荷與壓入深度關(guān)系曲線圖4-4可知,測定結(jié)果分三種。其中a 圖是脆性巖石,其特點(diǎn)是載荷P 和吃深h 成線性關(guān)系。硬度P y 用下式計(jì)算。S P P y /= (4-3 式中P 產(chǎn)生脆性破碎時(shí)壓模上的載荷,N ;S 壓模的底面積,mm 2。塑性系數(shù)

25、K 為巖石破碎前耗費(fèi)的總功A F 與彈性變形功A E 的比值。A F 及A E用a 圖中P-h 曲線下面的面積計(jì)算。故脆性巖石的塑性系數(shù)K 為K=A F /A E =面積ODE/面積ODE=1。圖4-4中b 是塑脆性巖石,P-h 曲線包含了彈性變形和塑性變形兩個(gè)變形區(qū),塑性變形末了也產(chǎn)生脆性破壞,故硬度P y 的計(jì)算法仍可用4-3式。塑性系數(shù)K=A F /A E =面積OABC/面積ODE=16。這類巖石的K 值一般取16。圖4-4中c 是塑性巖石,其特點(diǎn)是只有塑性變形,而無脆性破碎。故其硬度P y 無法按4-3式計(jì)算,而取P-h 曲線中的屈服點(diǎn)P 0代替之。塑性巖石的K 值,因A F 不能從

26、P-h 曲線中求出,故取無窮大。巖石硬度和塑性系數(shù)分類情況見下表4-8、表4-9。表4-8 巖石硬度分類表 表4-9 塑性系數(shù)分類表 巖石硬度及塑性系數(shù)兩項(xiàng)機(jī)械性質(zhì),是直接用巖芯測出來的,這對于理解巖石破碎過程中的性質(zhì)有所幫助。但是試驗(yàn)條件與實(shí)際情況不同,許多因素都沒有考慮,如鉆頭結(jié)構(gòu)、鉆頭轉(zhuǎn)速、沖擊載荷、洗井液性質(zhì)、水力因素、巖石壓力、地層壓力、井下溫度等。而這些因素的影響又是很顯著的。因此,在利用這些數(shù)據(jù)時(shí),還應(yīng)考慮到這些因素的影響。四、巖石的研磨性在用機(jī)械方法破碎巖石的過程中,鉆井工具(例如鉆頭、釬子等和巖石產(chǎn)生連續(xù)的或間歇的接觸和磨擦,從而在破碎巖石的同時(shí),這些工具本身也受到巖石的磨損

27、而逐漸變鈍、損壞。除了金剛石以外,制造鉆頭的材料多為淬火鋼或硬質(zhì)合金(近年來又出現(xiàn)了一些人造金剛石等超硬材料,巖石磨損這些材料的能力稱為巖石研磨性(Rock-abrasiveness。鉆頭刃的磨損一般是表面的研磨性磨損,在有些情況下也可能出下疲勞的磨損(例如牙輪鉆頭齒,至于刮刀鉆頭硬質(zhì)合金工作刃或人造金剛石聚晶塊的脫落折斷不屬于正常的磨損。研究巖石的研磨性對于正確地設(shè)計(jì)和選擇使用鉆頭,提高鉆頭的進(jìn)尺,延長其工作面的壽命(軸承的磨損及壽命問題不在此討論之列,對于提高鉆井速度是極重要的問題。下面僅就有關(guān)這方面的研究情況,包括研究方法、所發(fā)現(xiàn)的規(guī)律性關(guān)系以及對巖石按研磨性的分類等進(jìn)行必要的討論。由于

28、巖石的研磨性取決于各種因素,因此有必要根據(jù)某一個(gè)量作為標(biāo)準(zhǔn)對巖石的研磨性進(jìn)行分類。這個(gè)分類應(yīng)該包括有巖相的必要數(shù)據(jù),以便在實(shí)際應(yīng)用時(shí)建立巖石相對研磨性的比較,從而能對設(shè)計(jì)鉆井工具、鉆頭及選擇使用參數(shù)并預(yù)計(jì)應(yīng)用效果和對實(shí)際礦場使用效果的分析等提供參考依據(jù)。史立涅爾等根據(jù)研究的結(jié)果提出了這樣的分類(見表4-10。表4-10是根據(jù)研磨系數(shù)值大小作出的分類,把各種巖石(包括晶質(zhì)巖石和碎屑巖按研磨性的大小共分為12級。通過對上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以認(rèn)為,鹽巖、泥巖和一些硫酸鹽巖、碳酸鹽巖(當(dāng)不含有石英顆粒時(shí)屬于研磨性最小的巖石;其次應(yīng)為石灰?guī)r和白云巖等,屬于低研磨性的巖石;火成巖的研磨性一般屬于中等或較高

29、,要看這些巖石中所含長石和石英成分的多少以及顆粒度和多晶礦物間的硬度差而定。含長石及石英成分少、粒度細(xì)、礦物間的硬度差小的研磨性也小些,反之則研磨性較高;含有剛玉礦物成分的巖石應(yīng)屬于高研磨性的巖石;沉積碎屑巖的研磨性主要視其石英顆粒的含量及其膠結(jié)硬度而定,石英顆粒含量越多、粒度越粗、膠結(jié)強(qiáng)度越小的巖石,其研磨性越高,反之,如石英顆粒的含量少、顆粒細(xì)、膠結(jié)強(qiáng)度大的巖石,則其研磨性應(yīng)較低。表410 各種巖石按單位磨擦路磨損的研磨性分類表 五、巖石的可鉆性可鉆性一般理解為巖石破碎的難易性,由此把巖石分為難鉆的和易鉆的。在有些情況下,可鉆性可以確定巖石在井底抗鉆頭破碎它的能力。巖石的可鉆性是個(gè)多變量的

30、函數(shù),這些變量包括有天然的、工藝的和技術(shù)的因素。因此到目前為止,適合于油氣井鉆井條件的巖石可鉆性問題仍是個(gè)尚未徹底解決的問題。但是,對巖石可鉆性的正確評價(jià)又是確定鉆井參數(shù)、選擇鉆頭類型、預(yù)測鉆井效果以及規(guī)定鉆進(jìn)工作定額時(shí)所必需的。在羅勞方法的基礎(chǔ)上,近年來在我國石油界也開展了這方面的研究工作,研制成功可鉆性測試儀,經(jīng)過對大量地下巖芯的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)Y為指分析,得出了按微鉆頭鉆時(shí)Y(秒取以2為底的對數(shù),即Log2標(biāo),可將各地層按可鉆性分為10級(注:LogY的整數(shù)值即為可鉆性級2別,見表4-11。表4-11 地層可鉆性分類表 綜上所述,地層巖性的研究對鉆井工程是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作,國內(nèi)外各主要油

31、田對地層巖性的測定相當(dāng)重視我國各主要油田的地層可鉆性已先后進(jìn)行了測定。但是,地層巖性的測定,主要依靠取自井下的巖心,而巖心的獲取和制備有一定的困難。利用測井資料確定地層巖性,是目前較為理想的一種方法,可以代替部分巖心實(shí)驗(yàn)。具體方法可參考有關(guān)資料。第三節(jié)鉆頭油氣埋藏在地下,為了尋找油氣,取得地下資源,必須大量地破碎巖石、鉆穿地層?，F(xiàn)在的鉆井方法,主要是用機(jī)械方法破碎巖石,破碎巖石的工具就稱為鉆頭。鉆頭是破碎巖石形成井眼的主要工具,它直接影響著鉆井速度,鉆井質(zhì)量和鉆井成本。如果能用少量鉆頭迅速鉆完一口井,那將會(huì)使整個(gè)鉆進(jìn)過程中,起下鉆次數(shù)減少、建井速度加快、鉆井成本降低。因此,選擇破碎效率高、堅(jiān)固

32、耐用的鉆頭,以及使用好鉆頭,就具有特別重要的意義。一、鉆頭類型1、刮刀鉆頭刮刀鉆頭是旋轉(zhuǎn)鉆井中最早使用的一種鉆頭。這種鉆頭結(jié)構(gòu)簡單,制造方便。刮刀鉆頭適用于松軟一軟的地層,例如在泥巖、頁巖和泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖等地層,可以取得很高的機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺。但是在硬而研磨性高的地層中鉆進(jìn),刀片吃入困難,鉆頭磨損快,機(jī)械鉆速低,有時(shí)還出現(xiàn)蹩跳現(xiàn)象,對鉆具和設(shè)備壽命有一定影響。雖然如此,只要正確地使用,充分發(fā)揮刮刀鉆頭在軟地層中鉆進(jìn)的優(yōu)勢,對提高鉆進(jìn)速度,降低鉆進(jìn)成本仍然是有效的。常見的刮刀鉆頭如圖4-5所示。 圖4-5 刮刀鉆頭2、牙輪鉆頭牙輪鉆頭是石油鉆井中使用最廣泛的鉆頭。這是由于牙輪鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)具有沖擊

33、、壓碎和剪切破碎巖石的作用;牙齒與井底的接觸面積小,比壓高;工作扭矩小;工作刃總長度大等特點(diǎn),因而使牙輪鉆頭能適用于多種性質(zhì)的巖石。目前常用的牙輪鉆頭為三牙輪鉆頭,如圖4-6所示。 圖4-6 三牙輪鉆頭目前牙輪鉆頭按牙齒材料不同分為銑齒(也稱鋼齒和鑲齒(也稱硬質(zhì)合金齒二大類。銑齒牙輪鉆頭的牙齒均為楔形齒,由牙輪毛胚直接銑削加工而成,如圖4-7所示。 圖4-7 銑齒類型鑲齒的硬度和抗磨性比銑齒高,壽命比銑齒長。常見鑲齒如圖4-8所示。 圖48 鑲齒類型3、金剛石鉆頭以金剛石做工作刃的鉆頭稱為金剛石鉆頭。金剛石鉆頭早期是在地質(zhì)鉆探中使用,石油鉆井中使用只有四十多年的歷史。最初只用在極硬地層和研磨性

34、大的地層。最近十多年來金剛石鉆頭技術(shù)取得了飛躍性的進(jìn)展,金剛石鉆頭品種增加,使用范圍擴(kuò)大,取得了滿意的效果。金剛石鉆頭品種主要有:1940年天然金剛石鉆頭1978年 PDC鉆頭(聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭1983年巴拉斯鉆頭(Ballaset,熱穩(wěn)定聚晶金剛石鉆頭1985年馬賽克鉆頭(Mosaic鉆頭1987年大復(fù)合片PDC鉆頭目前金剛石鉆頭已不再是只能打堅(jiān)硬地層的天然金剛石鉆頭的單一品種,而是形成一個(gè)能鉆進(jìn)從極軟到極硬地層的完整系列。由于金剛石鉆頭能在低鉆壓、高轉(zhuǎn)數(shù)下取得高鉆速和高進(jìn)尺,所以在許多鉆井作業(yè)中,能取得牙輪鉆頭無法比擬的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,成為快速防斜鉆井、定向鉆井、超深鉆井、海洋鉆井、高溫

35、鉆井、井下動(dòng)力鉆井中高效、經(jīng)濟(jì)、安全的優(yōu)良鉆井工具。據(jù)專家預(yù)測,在本世紀(jì)末,各種金剛石鉆頭的鉆井工作量有可能占總鉆井工作量的30%。金剛石鉆頭近年來取得飛躍發(fā)展的容觀原因,是它適應(yīng)了目前世界上石油鉆井向海洋發(fā)展、向深井發(fā)展、向定向叢式鉆井發(fā)展的結(jié)果,也是井下動(dòng)力(渦輪鉆、螺桿鉆鉆井發(fā)展的必不可少的配套工具。在以上這些鉆井工程中鉆機(jī)維持費(fèi)用高昂、井下情況復(fù)雜(高壓、高溫、高密度鉆井液、脆性巖石在深部轉(zhuǎn)化為擬塑性巖石、以及地層的膨脹、坍塌、漏失等需用高效、高安全度的鉆頭來代替牙輪鉆頭,節(jié)約頻繁的起下鉆換鉆頭、打撈井底牙輪鉆頭落物、清理井下事故等作業(yè)。定向鉆井及井下動(dòng)力鉆井需要低鉆壓高轉(zhuǎn)速的鉆頭,而

36、這正是目前鋃齒密封牙輪鉆頭所難以適應(yīng)的。金剛石鉆頭技術(shù)取得飛躍發(fā)展的另一原因是由于近年來高溫高壓物理技術(shù)及超硬材料技術(shù)的進(jìn)步,創(chuàng)造出聚晶人造金剛石復(fù)合片,大尺寸(直徑可達(dá)2”復(fù)合片及熱穩(wěn)定聚晶金剛石切削塊等新材斜。沒有材料科學(xué)上的進(jìn)步,金剛石鉆頭新產(chǎn)品的發(fā)展是不可想像的。(1金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)各種系列的金剛石鉆頭具有基本上相似的結(jié)掏,由以下幾個(gè)主要部份組成;切削元件、胎體(包括浸漬金屬鋼體、接頭、噴嘴(或水眼。如圖4-9所示。 圖4-9 金剛石鉆頭PDC鉆頭、大復(fù)合片鉆頭、馬賽克鉆頭采用硬質(zhì)合金噴咀,其液流總面積(TFA等于噴咀截面之和,天然金剛石及巴拉斯鉆頭的TFA等于冠頂部位高壓水眼橫截面之

37、和并加一附加系數(shù)(考慮金剛石及聚晶塊的出刃。(2鉆頭切削元件使用不同的切削元件就形成不同的鉆頭系列,金剛石鉆頭有四種基本的切削元件。聚晶金剛石復(fù)合片PDC鉆頭及大復(fù)合片鉆頭的切削元件,如圖4-10所示。 圖4-10 聚晶金剛石復(fù)合片聚晶金剛石復(fù)合片是在16OO。C,68萬大氣壓的壓力下由六面頂及雙面頂壓機(jī)一次燒結(jié)出來的復(fù)合材料,隨著高溫高壓技術(shù)的進(jìn)步,復(fù)合片直徑由原來的1/2''增大至1''、11/2''、2'',復(fù)合片上部為聚晶金剛石薄層(0.60.635mm是切削元件鋒銳的刃口,硬度及耐磨性極高,但抗沖擊韌性差。下部為碳化鎢基

38、片,其耐磨性僅為金剛石聚晶層的1/100,斯以在鉆井過程中易于形成“自銳”,同時(shí)其抗沖擊性好,為金剛石層提供良好的彈性依托。標(biāo)準(zhǔn)PDC鉆頭的復(fù)合片尺寸為13.44*8 mm是在鉆頭燒結(jié)后,采用熔點(diǎn)較低的Ag一Cu合金鉛焊于鉆頭胎體孔穴上的。PDC鉆頭見圖4-11。 圖4-11 PDC鉆頭熱穩(wěn)定聚晶塊巴拉斯鉆頭切削元件,有Geooet,Syndax,Tripax幾種產(chǎn)品,基本形狀為等邊三角形或園柱片。標(biāo)準(zhǔn)巴拉斯鉆頭的聚晶塊尺寸為4mm(邊長 *2mm(厚。熱穩(wěn)定聚晶塊是在復(fù)合片的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新材料,PDC復(fù)合片中的聚晶金剛石采用鈷(Co為粘結(jié)劑,由于鈷與全剛石之間膨脹系救差異較大(鈷為1.2

39、*10-5C,金剛石為2.7*10-6C,所以當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)由磨擦熱產(chǎn)生高溫時(shí),由于鈷的膨脹導(dǎo)致金剛石晶粒間的熱壓力裂紋及剝落,當(dāng)復(fù)合片工作溫度達(dá)到730C時(shí),其切削能力直線跌落。熱穩(wěn)定聚晶塊就是采用化學(xué)方法將金剛石聚晶塊中的鈷濾析掉,以實(shí)現(xiàn)晶粒之間的C一C連結(jié),或且采用熱敏感較低的非金屬材料作為催化劑,其工作溫度可提高到1200C,因此,PDC鉆頭只適用于鉆進(jìn)產(chǎn)生摩擦熱較少的軟中軟地層,巴拉斯鉆頭則可適用于鉆進(jìn)中中硬并帶有一定研磨性的地層。巴拉斯鉆頭見圖4-12。 圖4-12 巴拉斯鉆頭馬賽克切削塊馬賽克鉆頭切削元件,是由熱穩(wěn)定聚晶塊拼合成復(fù)合片的尺寸,然后以持殊工藝燒結(jié)于鉆頭胎體上。它既有熱穩(wěn)

40、定聚晶塊的耐高溫性質(zhì),又同時(shí)兼具復(fù)合片的切削能力。天然金剛石天然金剛石鉆頭的切削元件,金剛石鉆頭使用的金剛石分為五種:優(yōu)級(P、標(biāo)準(zhǔn)級(R、特優(yōu)級(SP、立方體鉆石、黑鉆石。優(yōu)級與標(biāo)準(zhǔn)級金剛石為常用金剛石,特優(yōu)級適用于硬及研磨性地層,立方體鉆石顆粒大,帶棱角,適用于較軟地層提高鉆速,但其抗沖擊能力低,黑色鉆石有最強(qiáng)的抗沖擊性,適用于破碎型地層鉆進(jìn)。天然金剛石見圖4-13。 圖4-13 天然金剛石鉆頭這五種鉆頭中,天然金剛石鉆頭和大復(fù)合片PDC鉆頭目前在各油田使用較多,并取得引人注目的經(jīng)濟(jì)效益。4、其他鉆頭(1取心鉆頭取心鉆頭是鉆出巖心的工具,它的切削刃分布在同一個(gè)園心的環(huán)形面積上,對巖石進(jìn)行環(huán)

41、形破碎,形成巖心。取心鉆頭的類型很多,目前使用的有刮刀取心鉆頭、硬質(zhì)合齒取心鉆頭、金剛石取心鉆頭等幾種。使用最多的是金剛石取心鉆頭。見圖4-14。為了提高取心收獲率,鉆頭必須工作平穩(wěn)。因此,要求鉆頭上的切削刃對稱分布,耐磨性一致。并且底刃平面與鉆頭中心線垂直,以免因鉆頭工作時(shí)歪斜偏磨。在一定的條件下可以減少鉆頭的環(huán)形切削面積,以增大巖心直徑。 圖4-14 取心鉆頭(2雙心鉆頭“雙心”的意思是有一個(gè)鉆頭本身旋轉(zhuǎn)軸和一個(gè)與井眼同心的軸,這兩條軸線距離決定偏心的程度。見圖4-15。雙心鉆頭適用于在通過一個(gè)較小的井眼或套管中鉆出一個(gè)大井徑的井眼。一般雙心鉆頭用于鉆穿易粘附的流動(dòng)性鹽巖或膨脹性頁巖地層,

42、雙心鉆頭還用于加深井鉆進(jìn),二次完井,增加套管環(huán)空,提高固井質(zhì)量,以及減少井下擴(kuò)眼時(shí)所伴隨的危險(xiǎn)。 圖4-15 雙心鉆頭雙心鉆頭可選用PDC、巴拉斯、巴賽克和天然金剛石作切削元件以及任何標(biāo)準(zhǔn)的水力結(jié)構(gòu),此種鉆頭的幾何結(jié)構(gòu)可作變化以適用各種地層和井下擴(kuò)眼要求。(3單牙輪鉆頭對于小尺寸三牙輪鉆頭,由于結(jié)構(gòu)限制,牙輪軸及軸承都很小,承壓能力很低,導(dǎo)致機(jī)械鉆速較慢、使用壽命短。單牙輪鉆頭在一定程度上彌補(bǔ)了小尺寸三牙輪鉆頭的不足。在結(jié)構(gòu)上,單牙輪鉆頭只有一個(gè)牙輪,牙輪軸及軸承都比同尺寸三牙輪鉆頭大得多,其承壓能力和使用壽命也都大得多。如圖4-16所示。 4-16 單牙輪鉆頭使用表明,單牙輪鉆頭的進(jìn)尺和機(jī)械

43、鉆速明顯高于同尺寸三牙輪鉆頭,工作扭矩比PDC鉆頭低的多,其工作特性界于三牙輪鉆頭和金剛石鉆頭之間。二、破巖機(jī)理1、牙輪鉆頭的破巖機(jī)理由于牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),以及井底的實(shí)際狀況,使牙輪鉆頭在井底工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力狀態(tài)比較復(fù)雜,雖做了大量實(shí)驗(yàn)研究,但至今未有一個(gè)完全成熟的理論,來園滿解釋實(shí)際工作中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象。因此,對牙輪鉆頭的破巖原理,只能從理論上做一些簡介。(1沖擊、壓碎作用鉆頭在井底工作時(shí),鉆頭及其牙輪繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)(亦稱“公轉(zhuǎn)”。由于地層對牙齒的阻力,也使牙輪同時(shí)繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)(亦稱“自轉(zhuǎn)”。牙輪在旋轉(zhuǎn)時(shí),牙齒交替以單雙齒輪流接觸井底,如圖4-17所示。 圖4-17 牙輪縱向振動(dòng)

44、示意圖牙輪以單齒接觸井底時(shí),牙輪中心在0位置;雙齒著地時(shí),輪心降低到01;單齒再次接觸井底,輪心又升高到0位置。如此反復(fù)運(yùn)動(dòng),牙輪軸心高度周期性的升高、降低,使鉆頭產(chǎn)生縱向振動(dòng),振幅是軸心的垂直位移h。每次縱振過程中,軸心上行會(huì)壓縮下部鉆柱;軸心下行又使下部鉆柱彈性伸長。因此,牙輪鉆頭在井底破巖時(shí),牙齒作用在巖石上的力,不僅有鉆壓產(chǎn)生的靜載荷,還有因縱向振動(dòng)而使牙齒以很高速度沖向巖石所產(chǎn)生的動(dòng)載荷,前者使牙齒壓碎巖石,稱為壓碎作用;后者使牙齒沖擊破碎巖石,稱為沖擊作用。(2剪切作用在硬地層中,利用鉆頭對井底的沖擊、壓碎作用,可以有效的破碎巖石。但在軟和中硬地層中,除了要求牙齒對井底巖石有壓碎、

45、沖擊作用外,還要有剪切刮擠的作用才能有效地破碎巖石,剪切刮擠作用來自牙輪在井底的滑動(dòng)。具有復(fù)錐、超頂、移軸等結(jié)構(gòu)的牙輪鉆頭,可使牙輪在井底產(chǎn)生滑動(dòng)。現(xiàn)從理論上定性分析單錐超頂牙輪在井底產(chǎn)生滑動(dòng)的原因,如圖4-18所示。 4-18 單錐超頂滑動(dòng)示意圖將牙輪看成一光滑園錐,井底和牙輪都是絕對剛體,牙輪與井底接觸為一條直線ba,V b表示牙輪隨鉆頭一起轉(zhuǎn)動(dòng)的線速,V c表示牙輪繞牙輪軸轉(zhuǎn)運(yùn)的線速度,直線上ba之任一點(diǎn)相對井底的運(yùn)動(dòng)V gx均由 V b和V c合成,即V gx = V bx+ V cx,V gx呈直線分布,它與ba交于m點(diǎn),m點(diǎn)的合成速度為零,稱為做純滾動(dòng)點(diǎn),只有滾動(dòng),沒有滑動(dòng)。由此可

46、知:具有單錐超頂牙輪的牙輪鉆頭在井底工作時(shí),牙輪上的牙齒在井底以m點(diǎn)為中心,產(chǎn)生切向方向的扭轉(zhuǎn)滑動(dòng)。在實(shí)際鉆井工作中,不同巖性的地層,需要不同的滑動(dòng)量,因此,不同類型的鉆頭,其移軸距、超頂距和主付錐角差值等都是不同的,地層越軟、塑性越大、牙輪滑動(dòng)量要求大些,反之則小些。2、金剛石鉆頭的破巖機(jī)理金剛石鉆頭在井底的工作狀況,在實(shí)際工作是無法觀察的,只能通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)和分析,以及從井底返出的巖屑形狀,來研究金剛石破碎巖石的原理。(1 天然金剛石鉆頭天然金剛石鉆頭破碎巖石的過程,可看成是單粒金剛石破碎巖石的過程,每一粒金剛石,可看為一球體。 圖4-19 金剛石破巖特點(diǎn)圖4-19給出了單粒金剛石切割地

47、層示意圖。當(dāng)鉆某些硬地層時(shí),鉆頭上的每粒金剛石在鉆壓作用下壓入巖石使下面的巖石處于極高的應(yīng)力狀態(tài),呈現(xiàn)塑性,同時(shí)在旋轉(zhuǎn)扭矩的作用下產(chǎn)生切削作用,破碎巖石的體積大體上等于金剛石吃入巖石的位移體積。上述金剛石鉆頭破碎巖石的概念,還不能適用于所有的鉆井情況。如在一些脆性較大的巖石中,在鉆壓和扭矩的作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力可使巖石沿最大剪切面產(chǎn)生裂縫,這種情況下巖石破碎的體積遠(yuǎn)大于金剛石吃人后位移的體積,脆性較大的巖石其破碎深度可達(dá)金剛石壓入深度的2一5倍。金剛石破碎巖石的效果,除與巖石性能有關(guān)外,還與井筒和地層孔隙流體的壓差的大小、鉆壓大小及金剛石的幾何形狀、粒度和出露量有關(guān)系。以上分析的是單粒金剛石在靜

48、壓入作用下旋轉(zhuǎn)、破碎巖石的機(jī)理,而實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)與試驗(yàn)情況很不相同,在實(shí)際工作中,鉆頭上許多粒金剛石同時(shí)作用于井底巖石上,應(yīng)力分布受到影響;由于井底不平、鉆具振動(dòng)而承受動(dòng)載;鉆井液的沖刷等原因,使巖石變形和破碎規(guī)律發(fā)生改變。因此,使金剛石破碎巖石的原理更加復(fù)雜,還有待于進(jìn)一步研究與探討。(2PDC鉆頭PDC鉆頭是以切削齒對地層進(jìn)行切削來破碎巖石的,由于鉆頭在井下高速旋轉(zhuǎn),以及井下的高溫環(huán)境,使得并底巖石具有一定的彈性和塑性,整個(gè)切削過程,與金屬切削過程很相似。如圖4-20所示。 圖4-20 PDC鉆頭破巖特點(diǎn)巖石的切削過程,實(shí)質(zhì)上是一種擠壓過程,在擠壓過程中,巖石主要以滑移變形方式成為切屑。當(dāng)巖石

49、開始接觸切削齒的刀刃最初瞬時(shí),接觸點(diǎn)的應(yīng)力使巖石內(nèi)部產(chǎn)生彈性應(yīng)力和應(yīng)變;當(dāng)切削刃逼近巖石時(shí),巖石內(nèi)部的彈性應(yīng)力逐漸增大,在巖石內(nèi)某一位置,剪切應(yīng)力達(dá)到巖石的屈服強(qiáng)度,因而巖石開始沿剪切力相等的“初滑移面”滑移(圖4-20中OA面,這個(gè)滑移面的左邊代表彈性變形區(qū)域,右邊代表塑性變形區(qū)域。巖石經(jīng)過OA面在當(dāng)切削刃移動(dòng)時(shí),滑移變形愈來愈大,當(dāng)巖石移到OE時(shí),圖中巖層1和2之間將不再沿OE滑移,而是一起沿切削齒前傾面流出,所以稱OA為初始滑移曲線,而稱OE為終止滑移曲線。當(dāng)巖石沿前傾面流出時(shí),由于受到切削齒前傾面的壓力和摩擦,切削的底層(靠近前傾面的一層產(chǎn)生較大的擠壓和剪切變形,結(jié)果下層膨脹,切削向前

50、傾面相反方向流出,離開前傾面而成為切屑。上述是切屑形成的典型過程,切削層首先產(chǎn)生彈性變形,經(jīng)過切削層滑移和切削層離開切削齒等階段而完成切削。由于PDC鉆頭底部是凹錐形,其空間體積根小,當(dāng)鉆井液以一定的射流噴射速度噴出,沖擊井底時(shí),凹錐形空間形成很高壓力,巖屑在此高壓力作用下能及時(shí)脫離井底流向環(huán)空。因此,PDC鉆頭在切削破巖對不存在由于壓差作用引趕的巖屑清除障礙問題。綜上分祈,PDC鉆頭的破巖機(jī)理可概括為:PDC鉆頭切削齒在鉆壓作用下能自銳地吃入地層,在扭矩作用下向前移動(dòng)剪切巖石。由此可以看出,PDC鉆頭充分利用了巖石抗剪強(qiáng)度較低的特點(diǎn),同時(shí)不存在類似于牙輪鉆頭破巖時(shí)因壓差引起的重復(fù)切削問題,因

51、此,破巖效率比普遁刮刀鉆頭及牙輪鉆頭要高。三、鉆頭系列標(biāo)準(zhǔn)1、國產(chǎn)三牙輪鉆頭系列標(biāo)準(zhǔn)三牙輪鉆頭標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,根據(jù)三牙輪結(jié)構(gòu)特征,產(chǎn)品分成兩大類,共八個(gè)系列,見表4-12、表4-13。國產(chǎn)牙輪鉆頭型號表示方法見圖4-21。 圖4-21 國產(chǎn)牙輪鉆頭型號表示方法例:用于軟地層、直徑215.9毫米(8 1/2”的鑲齒滑動(dòng)密封軸承,噴射式三牙輪鉆頭型號表示方法如下:215.9×HP2或 8 1/2×HP2表4-12 國產(chǎn)三牙輪鉆頭系列 2、國際鉆井承包商協(xié)會(huì)鉆頭統(tǒng)一編號目前,國外在鉆井上使用最多的仍是牙輪鉆頭。鉆頭的類型和結(jié)構(gòu)比較繁雜,各廠家生產(chǎn)的鉆頭雖各有代號,但大都采用國際鉆井承

52、包商協(xié)會(huì)( IADC, International Associationof Drilling Congtractors牙輪鉆頭編號,以便識別和選用。IADC鉆頭編碼用三位數(shù)字代表,各數(shù)字的意義如下述。第一位數(shù)字表示牙齒特征及所適用地層:1銑齒,軟地層(低抗壓強(qiáng)高;高可鉆性2銑齒,中到中硬地層(高抗壓強(qiáng)度3銑齒,硬地層(中等研磨性4鑲齒,軟地層(低抗壓強(qiáng)度和高可鉆性5鑲齒,軟到中硬地層(低抗壓強(qiáng)度6鑲齒,中硬地層(高抗壓強(qiáng)度7鑲齒,硬地層(中等研磨性8鑲齒,極硬地層(高研磨性第二位數(shù)字表示所鉆地層再由軟到硬分為四個(gè)等級。第三位數(shù)字表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征:1標(biāo)準(zhǔn)型滾動(dòng)軸承2用空氣清洗和冷卻的滾動(dòng)軸承

53、3滾動(dòng)軸承保徑鉆頭4密封滾動(dòng)軸承5密封滾動(dòng)軸承保徑齒6密封滑動(dòng)軸承7密封滑動(dòng)軸承及保徑齒8定向井鉆頭9其他例1:321第一位數(shù)字3表示鋼齒、硬地層;第二位數(shù)字表示硬地層2級;第三位數(shù)字1表示標(biāo)準(zhǔn)軸承。例2:817第一位數(shù)字8表示鑲齒、極硬地層;第二位數(shù)字1表示極硬地層1級;第三位數(shù)字表示滑動(dòng)軸承、保徑齒。3、金剛石鉆頭金剛石鉆頭目前還沒有統(tǒng)一的系列標(biāo)準(zhǔn),一般均為各生產(chǎn)廠家只有系列標(biāo)準(zhǔn)。以川石.克里斯坦森公司為例,其金剛石鉆頭系列見表4-13。表4-13 川石.克里斯坦森公司金剛石鉆頭系列 四、鉆頭選擇鉆頭類型的選擇對鉆井速度影響很大,往往由于鉆頭選型不當(dāng),使得鉆井速度慢、成本高。正確的選擇鉆頭

54、,一方面要對現(xiàn)有鉆頭的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)清楚的了解,另一方面還應(yīng)對所鉆地層巖石物理機(jī)械性能有充分的認(rèn)識。鉆頭特性與地層性質(zhì)的合理匹配,是鉆頭選擇的基本額出發(fā)點(diǎn)。1、選擇時(shí)考慮的因素1研磨性地層的選擇。研磨性地層會(huì)使牙齒過快磨損,機(jī)械鉆速降低很快,鉆頭進(jìn)尺少,特別會(huì)磨損鉆頭的規(guī)徑齒以及牙輪背錐與爪尖,使鉆頭直徑磨小、軸承外露,加速鉆頭的損壞,這時(shí)最好選用鑲齒鉆頭。2淺井段與深井段鉆頭類型的選擇。為了達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效果,在淺井段應(yīng)選用機(jī)械鉆速較高的鉆頭類型,深井段應(yīng)考慮使用壽命長的鉆頭。如上部松軟地層可選用噴射式的P1和P2型鉆頭,深部的軟地層可選用簡易滑動(dòng)噴射式HP2型鉆頭。這樣可達(dá)到降低每米成

55、本的目的,特別是在海洋鉆井與鉆機(jī)成本較高的井隊(duì),經(jīng)濟(jì)效果更為明顯。3深部軟地層的選型。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐知道,約在3000米以下井深遇到泥巖、頁巖等軟地層巖石時(shí),如選用硬地層鉆頭鉆進(jìn),機(jī)械鉆速很低;如選用軟地層鉆頭鉆進(jìn),又容易造成過多斷齒的現(xiàn)象。人們形象地稱這種地層為“橡皮地層”,這是由于軟巖石在深部處于各向高壓狀態(tài)時(shí),巖石物理機(jī)械性能就要改變,巖石的硬度增大,塑性也增大。因而使用主要靠沖擊破碎巖石的硬地層鉆頭類型時(shí),破碎巖石效果差,機(jī)械鉆速慢;而用軟地層鉆頭加大刮劑作用來破碎巖石時(shí),易斷齒,鉆頭使用壽命短,所以這時(shí)最好的方法是用低固相優(yōu)質(zhì)輕鉆井液,選擇中硬地層鉆頭類型,往往效果較好。4易井斜地層的

56、選型。地層傾角較大是造成井斜的客觀因素,而下部鉆柱的彎曲與鉆頭類型選擇不當(dāng),是造成井斜的技術(shù)因素。對于鉆頭類型與井斜的關(guān)系,過去往往不被人們所認(rèn)識,通過理論分析與試驗(yàn)得出,移軸類型的鉆頭,在傾斜地層鉆進(jìn)時(shí)易造成井斜。所以應(yīng)選用不移軸或移軸量很小的鉆頭。同時(shí),保證移軸小的前提下,還應(yīng)選用比地層巖石性能較軟類型的鉆頭,這樣可以在較低的鉆壓下提高機(jī)械鉆速。5軟硬交錯(cuò)地層的選型。一般應(yīng)選擇鑲齒鉆頭中加高楔形齒或加高錐球齒,這樣既在軟地層中有較高的機(jī)械鉆速,也能保證對付硬地層。但在鉆頭鉆進(jìn)時(shí)的鉆壓及轉(zhuǎn)速上應(yīng)有區(qū)別,鉆進(jìn)軟地層時(shí)可提高轉(zhuǎn)速降低鉆壓,在硬地層井段應(yīng)提高鉆壓降低轉(zhuǎn)速,達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效果。2、按

57、鉆頭產(chǎn)品目錄選擇鉆頭類型鉆頭生產(chǎn)廠家通過大量的試驗(yàn),對各型鉆頭的適用情況進(jìn)行了界定,形成了鉆頭產(chǎn)品目錄。根據(jù)鉆頭產(chǎn)品目錄,結(jié)合所鉆地層性質(zhì)選擇鉆頭類型,基本能夠做到對號入座,匹配合理。表4-14為國產(chǎn)三牙輪鉆頭產(chǎn)品目錄。表4-14 國產(chǎn)三牙輪鉆頭型式與適應(yīng)地層 例:某井井深4000m,石灰?guī)r地層,試選用國產(chǎn)三牙輪鉆頭類型。根據(jù)國產(chǎn)三牙輪鉆頭產(chǎn)品目錄,適合一般石灰?guī)r地層的鉆頭類型有3型和4型。考慮到井深較大,建議選用4型國產(chǎn)三牙輪鉆頭。由于即使同一種巖性,其物理機(jī)械性能差別也很大,所以僅根據(jù)巖性按鉆頭產(chǎn)品目錄來確定鉆頭類型是不夠全面的,還應(yīng)收集鄰近井相同地層鉆過的鉆頭資料及上一個(gè)鉆頭的磨損分析,結(jié)合本井的具體情況來選擇。金剛石鉆頭價(jià)格高昂,要取得良好的經(jīng)濟(jì)效益,關(guān)鍵在于根據(jù)地層巖性(硬度、研磨性、硬夾層的多少及分布及井隊(duì)的裝備條件(鉆機(jī)及鉆井液的工作能力、是否配備井下動(dòng)力鉆具籌,準(zhǔn)確選用對號的金剛石鉆頭。金剛石鉆頭的選用可參考下表4-15。表4-15 金剛石鉆頭 從原則上來說,大復(fù)含片鉆頭適用于極軟軟,同時(shí)粘性極強(qiáng),采用PDC 鉆頭容易泥包的頁巖、泥巖地層;PDC鉆頭適用于均質(zhì)、夾層較少的軟地層;