业务领域

详细信息

 
钻头的使用与钻井的关系
时间:2014-6-27  出处:省勘院

 

  地层岩性、井段位置、井身结构等不同情况都会影响钻头的使用,要根据钻井的参数和情况,合理选择和使用钻头。

 

 目前油用钻头市场已不再混乱而变得规范有序,市场竞争向产品差异性和品牌、售后服务的竞争方向发展。市场竟争力两大基石之一,钻头技术服务的作用将会越来越显著。

  一、钻头使用资料收集内容

  1、地层岩性

  地层的岩性和软硬不同,岩石破碎机理不同,造成钻头失效的形式也各异。我国各油田钻井中常见的地层岩性,其岩石物理机械性质均有测定。根据现场收集的地层岩性及每米岩性钻时记录,进行地层岩石的硬度、塑性、脆性、研磨性和可钻性分析,对照钻头的失效形式,确认钻头选型及使用是否合理。

 2、井段位置

 在地壳中处于不同位置的岩石,其岩石的机械性质变化很大。埋藏较深的岩石,处于多向压缩应力状态,使岩石孔隙减小,强度增加。上部井段一般岩石胶结疏松、质软,钻头转速高、钻压低。下部井段一般岩石质硬、研磨性大,钻头转速低、钻压高、使用时间长。根据收集的井段位置及每米岩性钻时记录,分析地层岩石的硬度、塑性、脆性、研磨性和可钻性特点,对照钻头的失效形式,确认钻头选型及使用是否合理。

  3、井身结构

  不同的井身结构,对钻头的尺寸、型号和使用等均有特殊要求。如造斜钻头一般要求带修边齿或保径结构,使用要求高转速、低钻压等。收集井身结构及钻头选型、使用参数等资料,根据钻头失效的形式,确认钻头选型及使用是否合理。

 4、钻井参数

 钻压和转速的确定,既决定着钻头破碎岩石的效率,又影响到钻头牙齿、轴承的磨损。浅井、软地层,钻头以剪切作用为主,一般采用高转速、低钻压。中硬地层,钻头产生剪切、冲击、压碎综合作用,一般采用中等转速和中、高钻压。深井、硬地层,钻头以压碎、冲击为主,一般采用较高钻压、低转速。钻井参数的合理选择,很大程度上决定了钻头的失效形式。收集班报表和指重表记录,分析所用钻井参数及其变化,根据钻头失效形式确定使用的合理性。

  5、泥浆性能 喷射钻井要求泥浆具有:比重、粘度、塑性粘度、动切力。

  1)低失水、低含砂、适当的切力和PH值,能有效保护井壁、悬浮岩屑;

  2)低比重、低粘度,能降低循环系统压力、功率损耗;

  3)在低返速下能有效携带岩屑;

  4)有良好地剪切稀释特性。地层的地质条件不同,选用泥浆的类型及相关性能不同,影响着钻压、转速、水力参数的配合和钻头的失效形式。泥浆性能是钻头磨损的重要因素,如泥浆含砂对钻头流道冲蚀影响很大。

  6、水力参数

  钻进不同井段,所使用的泥浆排量、缸套直径,喷嘴直径、型号及其组合,对选择钻头压力降和钻头水马力具有实际意义。喷射钻井在强化钻头水力效果的同时,造成了钻头流道的损坏。泥浆参数及变化记录,是钻头失效分析的重要依据。如钻头流道冲蚀失效、牙轮基体冲蚀引起掉齿、断齿等破坏与泥浆参数直接相关。

  7、钻柱组合

  钻柱是联通地面与井下的枢纽。不同的钻柱结构及在井下的受力状态,决定了钻头所受钻压的大小和方向。如定向钻进或井斜较大时,钻头所受实际钻压比钻压表显示的数据要小,若钻柱组合中带有扶正器,实际钻压更小。同时,由于扶正器与井壁的磨擦作用,使得钻头工作平稳性增强,有利于钻头的使用。

  8、钻头质量

  钻头质量是钻头使用的根本。入井前检查钻头质量、新度,以及喷嘴安装可靠性,对钻头的使用至关重要。检查钻头入井前质量记录,可区分钻头失效属质量原因还是使用原因。

  9、上只钻头-建立井底造型

  每只钻头的失效,均影响到井底的环境和下只钻头的使用。收集上只钻头失效描述记录,分析上只钻头的失效原因,可确定所用钻头在井下的使用环境,判断井下落物、井径、井底形状等对钻头失效造成的影响。

  二、与钻头使用相关的知识

 (一)、地层岩性

 地层由岩石组成,岩石主要由石英、长石、云母、方解石、粘士矿物等十几种矿物组成,按照成因岩石分为三大类:火成岩、变质岩和沉积岩。

  1、地层岩性的种类和特点

  粘士和黄土:由直径0.01mm以下的粘土矿物微粒组成的沉积岩。

  泥岩及页岩:粘土类的沉积物经成岩作用而形成的岩石。成块状为泥岩,呈薄片层状的为页岩。含石油沥清丰富,可提炼石油的页岩为油页岩。

  砂岩:砂粒经胶结在一起形成的岩石。直径为0.5~1mm叫粗砂岩,直径为0.25~0.5mm的叫中砂岩,直径为0.1~0.25 mm的叫细砂岩,直径为0.01~0.1mm的叫粉砂岩。按胶结物的不同,砂岩分为硅质、钙质等。砂岩有孔隙,可储存流体。孔隙大的砂岩与裂缝发育的灰岩是渗透性好岩石。

  砾岩:岩石的颗粒大于1mm叫砾石。由砾石和胶结物形成的岩石叫砾岩。按砾石的大小不同,又分为粗砾岩、中砾岩和细砾岩三种。形状不一且带有棱角的叫角砾岩。

  石灰岩:主要成分为碳酸钙,由化学沉积作用,在海洋或陆地湖泊内生成,呈块状,比较致密和坚硬。按成分不同,石灰岩又可分为石灰岩、泥灰岩、砂质灰岩、泥质灰岩、白云岩和介壳灰岩(生物骸壳沉积成岩)。含泥质的灰岩塑性较大,质纯的灰岩脆硬。

  2、地层岩石可钻性与分级

  岩石的可钻性是决定钻进效率的基本因素,它反映了钻进时岩石破碎的难易程度,是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程参数的依据。对钻头钻遇地层岩石可钻性进行分析,能了解钻头选型的合理性和对地层的适应能力。一般以钻头的机械钻速和进尺的乘积作为衡量的指标。

  影响岩石可钻性的岩石基本属性有:岩石的矿物成分和结构构造、密度、孔隙度、含水性及透水性;力学性质有硬度、强度、弹性、脆性、塑性和研磨性等。一般造岩矿物中石英多、胶结牢固、颗粒细小、结构致密、未经风化和蚀变时,岩石可钻性差;而岩石的硬度和强度高、研磨性强,岩石可钻性差。

 影响岩石可钻性的工艺因素有:加在钻头上的压力、转速、泥浆类型和井底排屑情况等。

 影响岩石可钻性的技术条件有:钻探设备、钻孔直径和深度,钻进方法,破岩工具的结构和质量等。岩石可钻性分级的观点有四种,其划分方法也有四类。由于工艺技术水平的不断提高,各级岩石可钻性等级间的相对和绝对关系也有变动。

 3、地层岩性资料的收集

 钻井过程中收集地层岩性资料的工作叫录井工作。因此,地层岩性资料的收集应注重地质录井原始资料的收集。

  砂样录井:又称岩屑录井。新探区一般每米取砂样一次,生产井一般在地层分界处或标准层,油、气层处取样。通过砂样录井资料可判断钻遇地层岩性。

  钻时录井:记录每钻一米所需的时间,按井的深度绘成曲线,与其它资料综合使用,作为判断地层的参考。地层的软硬直接影响钻进的速度,通过记录钻时的快慢也可了解地层变化情况,钻头在井下的工作情况。

 泥浆录井:钻进中泥浆性能的变化常与所遇地层的性质有关。如钻遇石膏层,泥浆粘度会增大、失水量增加,含钙量增大,硫酸根增加;钻遇油、气层,泥浆槽和池上会出现大量油花、气泡,粘度增加,比重下降。通过泥浆录井资料判断钻遇地层岩性。

 4、地层岩性与钻头使用

 钻头选型和钻头使用的依据是岩石的机械物理性能和地层条件。与钻头使用密切相关的岩石性质是:硬度、塑性和研磨性。

 岩石的硬度是指岩石抵抗钻头切削件压入的能力。岩石的硬度与岩石颗粒的成分、大小及颗粒间的胶结物性质有关。比较级别为:1级—滑石;2级—石膏;3级—方解石;4级—萤石;5级—磷灰石;6级—正长石;7级—石英;8级—黄玉;9级—刚玉;10级—金刚石。级数越高,硬度越大,钻速越慢。

 岩石的塑性与脆性是两个对立的概念,物体在破坏前呈塑性变形的性质叫塑性,物体在破坏前不发生塑性变形的性质叫脆性。塑性大的物体没有脆性或脆性很小,反之,脆性大的物体没有塑性或塑性很小。对岩石而言,可分为三类,一类是在破坏前不发生塑性变形的脆性岩石,如花岗岩、石英砂岩;二类是在破坏前塑性变形很大的塑性岩石,如泥岩;三类是在破坏前呈现不大的塑性变形后即破碎的塑脆性岩石,如泥质胶结的砂岩。

 岩石的研磨性指在岩石与钻头接触的表面上,岩石和岩屑对钻头的磨损作用。岩石磨损钻头的能力叫岩石的研磨性,与岩石本身的成分、颗粒大小和形状等有关。岩石的研磨性越大,钻头磨损越严重,钻头总进尺就越少。按单位磨擦路程磨损把各种岩石按研磨性由小到大共分为12级。1级—泥岩和碳酸盐岩;2级—石灰岩;3级—白云岩;4级—硅质岩石;5级—含铁-镁岩石及含5%石英的低研磨性岩石;6级—长石岩;7级—含石英多于15%的长石岩及含石英颗粒10%的较低研磨性岩;8级—石英晶质岩石;9级—石英碎屑岩,硬度PY≥350Kg/mm2;10级—石英碎屑岩,硬度PY =100~200Kg/mm2及含石英颗粒10~20%的岩石;11级—石英碎屑岩,硬度PY =200~250Kg/mm2及含石英颗粒30%的岩石;12级—石英碎屑岩,硬度PY 〈100Kg/mm2。盐岩、泥岩和一些硫酸盐、碳酸盐岩等不含石英颗粒时是研磨性最小的岩石;石灰岩、白云岩等是低研磨性岩石;火成岩中含长石及石英少,粒度细,矿物间的硬度差小研磨性小

  5、地层岩性对钻头失效的影响

 地层岩性对钻头失效的影响表现在钻井工艺上:影响钻进速度、钻头进尺;使钻井过程出现井漏、井喷、井塌和卡钻等复杂情况;使泥浆性能发生变化;影响井眼质量,如井斜、井径不规则,进而影响固井质量。通过分析地层岩性及其对钻井工艺的影响,可对钻头选型和使用的合理性进行判断。

  粘土、泥岩和页岩层影响:极易吸收泥浆中的自由水而膨胀,使井径缩小,造成下钻遇阻,甚至卡钻,随着浸泡时间的延长,又会产生掉块剥落,使井径扩大,造成井塌。应尽量使用清水或低比重低粘度的泥浆钻进。炭质页岩联接力弱,容易垮塌。泥质岩层质软,钻速快,也容易泥包。

  砂岩:其性质依颗粒的大小、成分以及胶结物的不同有很大差别。颗粒越细、石英颗粒越多、硅质和铁质胶结物越多则越硬,对钻头磨损越大,如石英砂岩;泥质胶结物越多,云母和长石的成分越多则较软易钻;颗粒越粗,胶结物越少,渗透性越好,易产生泥浆的渗透性漏失,并在井壁上形成较厚的泥饼,引起粘附卡钻等复杂情况,造成钻头的非正常使用。

  砾岩:在砾岩层中钻进易产生跳钻、蹩钻和井壁垮塌;当泵排量小或泥浆粘度低时,砾石颗粒不易上返,对钻头牙轮体和牙齿损坏较大。

  石灰岩:一般质硬,钻速慢、进尺少。有的有缝缝洞洞发育,钻遇缝洞时,会引起蹩钻、放空、泥浆漏失等,井漏后有时还会发生井喷。

  石灰岩地层对钻头进尺、机械钻速和钻头失效影响很大。另外,当地层软硬交错,如泥岩与较硬的砂岩相间,易产生井斜;地层倾角较大时易产生井斜。钻头在斜井中钻进易造成损坏。当岩层中含有可溶性盐类,如石膏层、岩盐层等,会破坏泥浆的性能,影响到钻头的正常使用。

  (二)、钻井工艺

  一般指钻压、转速和泥浆排量三个钻进过程中可控制的工艺参数。在实际应用中,钻井工艺应根据地层条件、钻头类型、钻井设备和操作人员技术水平制定。按其要求和条件的不同,钻井工艺分有:

  1)优化钻井工艺:在一定条件下,能达到最好经济指标的钻井工艺参数。

  2)强化钻井工艺:为达到更高的钻进速度,采用比一般钻井参数高的钻井参数。

  3)特殊钻井工艺:为了特殊目的而采用特殊措施或受限制的钻井参数。

  不同的钻井参数要求选用不同规格、型号的钻头,钻进中其钻头失效形式也各具特点,应区别对待。

  1、钻压对钻进的影响

  钻压是井底破岩的必要条件。钻压的大小决定着破岩的方式和特点,直接影响到钻进速度和钻头的破坏形式。在钻进中,钻头受轴向压力和回转力的作用,切削齿在压入、剪切岩石的过程中被磨损、变钝或损坏,必然影响钻进速度。随着钻压的增加,钻速会不断提高,而钻头的轴承和切削齿等部件也会加速磨损,影响到钻速。钻压与钻速的关系变化有三个不同阶段。

  表面破碎阶段:当钻压小于岩石压入硬度时,切削齿不能切入岩石,只能在岩石表面以磨擦形式破碎岩石,对切削齿磨损较大,虽然钻速也随钻压的加大而正比增加,但钻速很低;

 疲劳破碎阶段:当钻压接近岩石压入硬度时,切削齿虽未切入岩石,但在岩面产生许多裂纹,经切削齿的反复作用,也产生体积破碎;

  体积破碎阶段:当钻压加到大于岩石压入硬度以上时,切削齿切入岩石产生体积破碎,钻进效果才能明显,才属正常钻进。因此,施加在牙轮钻头上的钻压必须满足切削齿能压入岩石,使岩石产生体积破碎。

  通过提高一倍钻压,试验牙轮钻头钻进不同级别的岩石,结果表明:不同的岩石,对增大钻压时所获得的钻速是不相同的。其中以中硬岩层(岩石级别6~7级)钻速的增长率较高,而较软(岩石级别4~5级)和较硬(岩石级别8~9级)的岩层则相对增长不大。钻进粘结性软岩时,易产生堵水糊钻,钻压应选得小些。钻进研磨性较大的岩层时,钻压不足易造成钻头早期磨损,钻压要适当加大。钻遇裂隙岩层时,易产生跳钻,钻压应适当降低,避免崩、断切削齿。钻压是钻进的重要参数,即要有利充分发挥切削齿切入岩层的能力,又要最大限度地降低切削齿的磨损。

  2、转速对钻进的影响

  转速表示直径一定的钻头旋转的快慢,是钻进过程中用以衡量回转速度的指标。钻进时,不同硬度岩石的破岩状态不同,钻压对其影响也不相同,因而钻头转速对破岩过程和机械钻速的影响,要考虑岩性与破岩时间因素。

(1)软地层钻进中的转速

在软而塑性大、研磨性小的岩层(如粘土类岩层)中钻进时,切削齿切削下来的岩屑厚度等于切削齿切入岩石的深度,且钻进中切削齿的磨损很小。因此,在软地层中钻进,当钻压一定时,转速与机械钻速成正比增长。

(2)中硬及硬地层钻进中的转速

中硬及硬地层压入硬度较大、研磨性较高,切削齿在钻进中不断被磨钝,齿与岩石接触面积也不断增大,使得岩石破碎时变形和裂隙发育时间延长,难度增加,钻速变慢,而需要更大的钻压。随着地层硬度的提高,钻头破岩时间延长,增大钻速,会使岩石破碎过程发育不能完全,切削齿还未充分破碎岩石,就与岩石分离开,引起破岩深度减小。因此,受破岩时间的限制,为避免切削齿较快磨损,在中硬及硬地层中钻进时不能过分增大转速。

(3)不同岩石中钻进的转速

不同的岩石,钻速随转速增长均有一定的变化曲线和极限转速。在粘土类岩石中钻进,钻速随转速成正比增长;在坚硬的、高研磨性岩石中钻进,钻速随转速增加而增长相对缓慢,由于破岩时间延长,极限转速比其它类岩石要小,当转速超过极限转速,将导致钻速下降。

通过提高一倍转速,试验牙轮钻头钻进不同级别的岩石,结果表明:岩石级别为4级的大理石,钻速增长率为93%,岩石级别为9级的斑状花岗岩,钻速增长率仅为28%,从4级到9级,钻速增长率呈递减曲线。因此,对较软的研磨性地层,提高转速有利,而对坚硬的高磨性地层,则意义不大。

在实际工作中,提高转速受到钻杆柱强度、长度和钻头性能及钻井设备能力的限制。现阶段,随着小井眼钻井技术的发展,以及钻杆柱在井内工作状态的改善和采用先进的润滑剂以减小回转磨阻的研究,高转速将得到充分应用。

3、钻井液对钻进的影响

钻井液除有清洗、冷却钻头,携带岩屑和辅助破岩的功用外,主要目的是保护井壁。钻井液排量、压力的大小,以及选用清水、泥浆还是乳化液等都对洗井效果产生很大的影响。随着排量的增加,井底清洗岩屑和冷却钻头的能力增加,清洁的井底不仅能提高钻进速度,而且可减少钻头的磨损。在比较松软的地层中钻进,一定喷速下的钻井液可以起到喷射破岩的作用。即使在较硬的地层也能起到辅助破岩的作用。一般采用大排量是有益于钻进的。因此,钻井液参数存在优选的问题。研究结果表明:

井径越大,岩石可钻性级别越低,钻速越高,选用的排量应越大;

钻井液比重的增大,使作用在井底岩面上的压力增大,会增加破岩的困难而降低钻进速度;

钻井液粘度增大时,井底流动的粘滞阻力会增大,对钻头切削齿的冷却不利,也会导致钻速下降。一般使用清水比使用泥浆容易获得较高钻速。

粘度是钻井液最重要的性能之一,粘度太高会导致循环压耗太高,而且随钻进中岩屑分散进入影响,粘度还会不断上升,最后流不动,需要冲放(即放掉一部分泥浆,加入胶液进行稀释),粘度太高也不利于泥浆中气体的脱出,易造成气浸的假象,另外高粘度对提高钻井速度也有非常不利的影响。而粘度太低会导致携带岩屑困难,导致接单根时易发生沉砂卡钻,对于高密度泥浆来说,太低的粘切还会导致加重材料的沉降,从而带来更多的问题。与粘度相配,切力也非常关键。

一般增加粘度有坂土、降失水剂等,而降低粘度有降粘剂

4、钻头的合理选用和使用情况

(1)钻头选型

充分了解所钻地层岩石的机械物理性能和钻头的工作原理和结构特点以后,结合邻井相同底层已用过的钻头资料,结合本井的具体情况来选型。

软地层应选择兼有移轴,超顶,复锥,牙齿齿形大,齿数少的钢齿或镶齿钻头,以充分发挥钻头的剪切破岩作用。随着岩石硬度增大,移轴,超顶,复锥值应相应减小,牙齿应相应减短或加密;研磨性地层,特别容易磨损牙轮的保径齿,背锥及牙掌尖,使钻头直径磨小,井眼缩径和密封失效,应选掌背加强的特殊保径结构;易斜地层防斜钻井,应选择不移轴或移轴量小的钻头,减少钻头在井底的滑移,防止井斜; 软硬交替的地层,应选择这套地层中较硬岩石的钻头类型。

(2)钻井参数优选

在允许范围内对钻井参数优选,可获得最佳的机械钻速。当地层或机械钻速发生显著变化时,都应进行钻井参数优选实验,以保持最佳钻井效果。

方法是初选一个合适的钻压和中等转速,定时记录机械钻速,保持钻速不变,改变钻压,定时记录高钻压和低钻压下的机械钻速,选出机械钻速最高的钻压;在最佳钻压下,改变转速,定时记录高转速和低转速下的机械钻速,,选出机械钻速最高的转速;然后将钻井参数调整到最佳值进行钻进。

(3)钻井情况分析

 地面设备的运转.岩屑与钻压.扭矩.机械钻速.压力等地面仪表都能直接反映井下情况,应密切注视,特别是扭矩.泵压.机械钻速和岩屑。

 扭矩变化取决于井底情况和转速变化,正常扭矩值相对稳定,在软或塑性均质地层扭矩值较低,中软到中硬均质地层扭矩值居中,硬地层扭矩值较大并存在一定范围的波动。扭矩变化可能存在:扶正器划眼.钻头保径磨损.出现夹层.井底有落物.井身出现键槽或狗腿.钻压过大.转速变化.钻头或井底总成泥包.钻具刺漏或干钻等。

 泵压不稳定存在:钻头泥包.环空内岩屑堆积.流量波动.钻到破碎地层或团块状地层.扶正不良。

 机械钻速变化可能:地层变化.泥浆性能变化.钻压或转速变化.钻头磨损或泥包.清洗效果变化.钻具刺漏。

 通过岩屑可了解:地层类型和岩性变化.压力带.井眼是否坍塌.钻头工作状况和磨损情况,钻井参数是否合理。

 泥包:页岩或泥灰岩从泥浆中吸水后变粘,极易粘附在钻头上造成泥包。

 钻头蹩跳表现为转盘负荷异常.扭矩大.钻具振动剧烈,仪表显示不稳定。

 原因有:塑性地层摩擦扭矩过大而振动;钻遇软硬交错地层.裂缝地层.破碎性地层;井底有落物.断齿掉齿等。