深部地层压力和转速对刮刀钻头钻井强度的影响.pdf

3 ■固匿圜蕾 l 7 ； 敬 I 国外 钻井 挠术 峭 专 1 3 1 深 部 地 层 压 力 和 转 速 对 刮 刀 钻 头 钻 井 强 度 的 影 响 L ， ． J． Kdl e著 引 言 Wa r r e n和 S mi t h指出 在相同压差下， 现 场钻速 的降低 比室 内钻进试验的大得多。 他 们 还指出 在低渗透率岩石中靠近井底表层的应 力会引起体积弹性膨胀 ， 显著增加静压差 他 们的结论是 井深对转速 的影 响在非渗透岩石 中最严重 。然而 ， 对钻头齿前孔隙压力的研 究 已表明 即使在低渗透率的页岩中， 在离井底 表面 1 mm 的范 围内压力也能迅速平衡 。由于 切深一般 小于 1 ram， 孔 隙弹性松弛不可能影 响刮头钻头的切削作用。 Ⅵ n L h n g e n在室 内对低渗透率岩石在常 压和适当静压条件下进行 了钻进试验 。 压力增 加到 1 0 MP a ， 他观察到 尽管在低转速下没有 影响 ， 但在高转速下切削速度却要下降。他把 这种现象归因于随着切削齿从井底移去岩屑， 动态岩屑压持压力会增加 。 然而这种机理没有 考虑压力在塑性地 层中对岩石剪切连续过 程 的影响。 B r a c e和 Ma r t i n在三 轴高压试验中观察 到岩石膨胀引起与钻速有关的硬化现象。 膨胀 引起有效 的封闭压力 ， 这种封闭压力也会导致 从脆性到韧性破坏的转化 。 与速度有关的膨胀 硬化和韧性提高可在高压环境下无页岩 夹层 中的三轴压入强度试验中观察到。 对于低渗透 岩石 ， 例如页岩 ， 孔 隙体积膨胀会引起孔 隙流 体 的空化， 造成封 闭压 力等于静水 压力。D e - 了 了 L／ 王 镇 泉译 朱德一校 t o u r n a y和 A t k h n s o n指出孔 隙流体 空化会在 刮刀钻头剪切非渗透岩石的过程中发生 。 在这 种情况下 ， 局部封闭压力等于井眼压力， 造成 钻井强度显著增加 。 页岩 占油气勘探和生产所 钻地层的 7 5 以上 ， 因此 ， 上述现象造成深井 钻速的极大下降。 刮 刀钻头 齿前 的 一维 膨胀 硬化 模式 由 Ko l l e 描述 。这一动态封闭模式考虑岩石多孔 弹性、 强度和扩散的影 响， 预测 中硬岩石 中有 相似的影响。 在此描述验证 动态封 闭模式预测准确性 的试验程序。单齿试验仪器用于研究在页岩、 大理岩、 自云岩 、 C o t o n砂岩和 B e r e a砂岩的剪 切载荷 。试验齿为 3 m m 的 TS D， 试验压力达 到 7 0 MP a 约为 7 0 0 0 m井深 。所选的五种岩 石覆盖了渗透率、 强度和孔隙率值的较大范 围。岩石性能、 压力传递速度对切削齿载荷的 影响与动态封闭模式预测 比较 。 切深对切削力 的影响用于计算膨胀载荷指数 ， 该指数是压力 的函数。这些数据可用 G l o w k a 提供的分析 方法 评估深部地层中转速和钻压对 T S D齿 磨损的影响。 动态封闭模式 当膨胀非弹性体积应变量大于压缩弹性 应变时， 动态封闭压力增加。轴向和径向应变 曲线均通过五类岩石单轴压入强度试验获得 ， 例如在 C o l t o n页岩中 ， 标称应力应变、 总的体 叶 卜 一t 维普资讯 1 4 国外钻井技术 第十三卷1 9 9 8 年第 1 期 积应变和体积应 变的非弹性 部分 。在变形初 期， 岩石弹性应变和体积应变是压缩 负值 ， 约在最大应力的一半处岩石 开始承受巨大 的 膨胀应变。 由于岩石 中的矿物不可能有较大的 体积应变， 所有的体积应变本质上均起因于地 层微观破裂产生的孔隙体积膨胀。 体积应变包 括压缩多孔弹性部分和非弹性部分 。 计算最大封闭压力时 ， 假定岩石是非渗透 性的。用根据岩石 渗透率 、 切削速度和切深得 到的扩散常数计算极限扩散动态封闭压力。 最 后 ， 计算动态封闭与非封闭岩石强度 的比率。 表 1列 出了获得动态封 闭压力所需的岩 石性能 。所有试验的其它参数相 同 见表 2 ， 包括与孔跋压力和平均应力有关 的 S k e p t o n 相关系数和用于计算封闭岩石强度的内摩擦 系数 。一系列的计算压力见表 3 ， 每一种岩石 试 验 都 假 定 标 称 切 削 速 度 为 3 m／ s 、 切 深 0 ． 3 mm。表中同时列出岩石强度的最大增量 。 表 1 五种沉积岩的机械与水力性质 口 ∞ ， E ． ％’ ． 岩石种类 M Pa GPa 咀d B e r e a砂岩 1 9 5 9 1 1 4 0 ． 3 1 0 ． 5 5 C o h o n砂 岩 1 l 6 9 8 6 0 2 6 0 ． 9 O 3 C t h s s 太理 岩 1 9 7 5 0 5 O 8 2 0 1 0 0 3 B o r n eTe z z e白云岩 8 1 5 6 5 4 9 O 2 9 0 0 目0 ， l c Ma a e o s页岩 7 7 8 7 ． 8 0 ． 1 9 O 3 1 1 0 0 3 表 2 模 型所用其他参数 参 数 数 值 系数， 丑 0 ． 7 5 内摩擦系数， 0 ． 6 6 水 压缩卓 ， 曲 3 0 X1 0 - P a 水桔度， 0 ． 0 0 ] P 受扩散 限制 的封闭压力的最大值表示膨 胀引起孔隙压力下降。 如果压力下降大于井眼 压力 ， 孔隙流体将空化 ， 因而井眼压力就 限制 封闭压力值 。 对渗透 率最低的两种岩石其封闭 压力等于井眼压力 。对两种砂岩 ， 孔 隙压力扩 散降低 了封 闭压力。 最大封闭压力取决于膨胀 体积应变量 。模式预测 弹性压缩控制高强度 岩石的反映 ， 例如 B o n n e T e r r e白云岩 。 动态封闭压力将引起 硬化并提高 岩石韧 性 ， 引起 平均钻头齿载荷增加 ， 并 降低钻头齿 的振动幅度。根据实际经验， 当封闭压力约为 封 闭压入强 度的 1 ／ 3时， 岩石 转化为全 面韧 性 ， 发生无限塑性应变。据此， 大理岩、 页岩和 两种 砂岩脆 性一 韧性 的转化 压力应 在 2 O ～ 3 0 MP a 。自云岩的转化压力大于 5 0 MP a ， 在试 验压力下这种岩石不可能表现 出很大的韧性 。 表 3 预测的弹性和非弹性压力变化、 最大封嗣 压力 、 渗透 牢、 极 限扩 散 封 嗣压力 和膨 胀 硬化 占 O ． 3 mm， H 3 m／ s A 尸 ． ． ∞ ， P c ， 岩石类类 ／ 。 M P a M P a M M P a B e e a砂岩， 6 8 9 5 2 7 l 1 2 ． 1 C o h o a砂岩 1 8 4 2 7 9 9 5 7 6 4 ． 4 C a r t h a g e大理岩 3 0 5 4 6 7 1 6 2 1 5 2 5 ． 1 B o n n e T e r r e白云岩 3 5 一耵 一I 4 1 3 O ， 8 Ma n r c *页岩 1 0 3 一1 4 8 4 5 4 3 2 ． 4 超气压试验仪器 超气 压单齿试验设备 的性能 由上述动态 封闭模式得到。 这种仪器设计在压力容器内的 柱 状 岩 心 直 径 为 1 0 0 mm， 操 作 压 力 达 到 7 0 MP a ， 切削速度从 0 ． 5到 8 ． 0 m／ s 。 岩心夹持 腔用油充填 ， 压力容器 内安装 压力补偿轴承 ， 在外部的水力马达驱动岩石 ， 钻头齿夹持在滑 动车上 ， 滑动车 由水力 马达 通过小 回转架 驱 动， 切削组件的设计刚性能确保控制切深。 采用全桥应变测量的扭矩仪 ， 可测定切 向 和径 向钻头载荷 。 试 验 程 序 评定静水压力的全部数据是 甩清水在压 力容器内得到的。在高渗透率岩石中， 孔隙压 力与水压迅速平衡 ； 在 低渗透 率岩石 中， 即使 是饱和的， 孔隙压力也需要一定时间方可达到 平衡 。平面孔隙压力扩散计算表 明 岩样达到 维普资讯 国外钻井技术 饱和的孔隙压力扩散时间比容器加压时间短 得多 在此讨论 的全 部结果 是用 3 ram、 抑角为 2 O 嗡 形 T S D齿得到的。压力、 切深和切削速 度按照表 4 提供的模板变化。 表 4 参考岩石切削试验数据 参 数 数 值 压力 。 R 0 ， 1 0 ， 2 5 ， 7 0 MP 且 切剖速度 ， 0 5 ， 2 0 ， 8 0 m／ s 切深 ， 0 0 ． 1 ， 0 ． 3 ， 0 ． g r a m 图 1为钻头齿在试验过程中载荷的变化。 取 3 ～7 秒时间内载荷平均值 ， 使试验数据减 少 。 载荷的标准偏移为齿的振动。 在齿没有接 触岩石时 ， 数据噪音度起园于系统的电噪音和 机械振动。均方根噪音度约为 1 0 1 N。 ． 时 同 ．s 图 1 试验齿载荷记录 在 试验开始后 1 ． 5 秒齿切 入岩石 ， 切削持 续 6秒 起初载荷 振动大是 由于岩石底部有裂缝 的原 因 这里所说 的钻头齿载荷都用切削断面积 Ac 标称化。这使 比能或应力的单位可用于计 算岩石强度和岩石 的切削阻力 。 标称压力载荷 即为钻井强度 DS FR ／ Ac 1 标称切向载荷即为 比能 S E F， n ／ Ac 2 由于比能单位 j ／ m 量纲上等 于强度 单 位 P a ， 钻井强 度可用于 计量一定切深所 需 的钻压， 同时用比能计量钻头扭矩。 用比能和钻井强度的坐标交点可计算作 用在钻头齿上的摩擦力 用从坐标原点通过这 些点的直线的斜度， 计量钻头齿与岩石间的内 表面摩擦 S E ／ D8一 t a n ≠ 3 这里 是钻头仰角 ， 是 钻头齿与岩石 间 内表面摩擦角。 用 t a n 替代内表面摩擦角 ，可得到与 Er n s t 和 Me r c h a n t 岩石 内表面摩 擦角理论同样的关系。 钻头齿载荷数据与模式的比较 1 ， 页岩 这是一种低渗透率、 低孔隙率、 低高岭土 含量的页岩 。压力对 Ma n c o s页岩钻井强度和 比能的影响见图 2 。随着压力的增加钻井强度 连续增加， 尽管在 2 5 MP a以上增加斜度降低 。 1 00 0 8 0 0 6 00 霎4 0 0 2 0 o 0 0 20 4 0 6 0 8 0 压 ．m 图 2 Ma n o *页岩钻 井强 度与压力和切深的关系 动态封闭模式预测 由于这类岩石膨胀有 限， 压力增加到 5 0 MP a 后封闭压力不再增加 。 载荷数据显示 随着压力增加到 7 O MP a ， 钻井 强度连续增 姗； 压力在 2 5 ～7 0 MP a时斜度 的 降低与动态封闭压力的上限一致。 如果钻井强 度的增加是由膨胀硬化单 独 引起的。 钻井强度 曲线的斜 度应 与 Ma n c o s 页 岩内摩擦系数一致。 内摩擦系数由钻井强度曲 线的平均斜率得出 ， 其值在压力 O 2 5 MPa 时 为 1 ． 6 ， 压力 2 5 ～7 0 MP a 时为 1 ． 1 。这些数值 维普资讯 国外钻井挠术 奠十三卷1 9 9 8 年第 1 期 明显大于有些文献所报道 的内摩擦系数。 从比能与钻井强度关系图 图 3 得到的 内摩攘角也是可行的。 图 3 显示随着压力的增 加， 压入与剪切载荷 的比率 降低 ， 内表面摩擦 角 在 常 压 下 为 0 ． 4 2 ， 在 7 0 MP a时 降低 到 。 ． 这与文献报道的内摩擦系数值一致。 图 3 Ma n c s 页岩比能与钻井强度的关系 图 4显 示在 Ma n c o s页岩 中切削速 度对 钻头齿载荷的影响。 在低压下切削速度引起钻 头齿载荷较少增加 ， 在高压下引起钻头载荷少 量降低 。由于 Ma n c o s 页岩的渗透率太低不受 任何速度敏感扩散的影响， 这些小的影响不能 阐明动态封闭模式的扩散过程。 8 加 6 0 0 里 o 0 燕 嘉2 0 0 0 压力 ．MP a 压力对 C a r t h a g e大理岩钻井强度的影响 见 图 5 。岩石的硬化速 度由内摩擦 系数 0 ． 6 9 强度曲线斜度2 ． 4 得到 。 从 图可见 开始阶 段压力对钻井强度和 比能有显著的影 响， 而在 2 5 MP a以上影响很 小； 切 深对钻井强 度影 响 较小。 如果假定膨胀程度比在非封闭压入强度 试验中得到的小得多， 则压力影响与模式是一 致的。 皇 - 世 襄 采 擐 0 2 0 4 0 6 0 踟 压力 ，MP a 圈 5 C a r t h a g e大理岩钻井强度与切深和压力的 关 系 比能与钻井强度关系见图 6 ， 随着压力的 增加斜度略有增加， 相应内摩擦角从 0 ． 3 2 增 加到 0 ． 5 0 。 6 加 皇4 0 o 丑 2 0 0 0 2 4 6 8 切削速度，m／ s 0 三 二 二翌里 x ， l _ 0 6 ．9 9 。 ％ 『／ ／ ， ／ 0 ．7 8 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 B O O 钻井强度 ，M 图 4 Ma n c o s页岩钻井强度与切削速度和压力的 关系 图 6 C a r e h a g e太理岩比能与钻井强度的关系 2 C a r t h a g e大理岩 图 7显示在 C a r t h a g e大理岩 中切削速度 ㈣ 鲫 ．莩 瑚 0 T ． ． ． ． ． ． ． ． ， ，； T 十 ， ． L 维普资讯 国抖钻井技术 1 7 对钻井强度的影响。动态封闭模式顶测 切削2 5 MP a以上增加斜度较少。 速度对钻井强度影响较小或没有影响， 在此得 到证实。 1 0 o 0 羔6 o o 嘟 拉 2 0 0 切制速度 ． m 图 7 C a r t h a g e 大 理岩钻 井强度 与切削 速度 及压 力的关系 3 ． B o n n e T e r r e 灰岩 这是 一种高强度 灰岩， 其切削特性与 C a r t h a g e 大理岩相似 。 开始随着压力增加钻头 齿载荷迅速增加 ， 超过 1 0 MP a 后影响较小 见 图8 。 压入载荷与切深成正比， 且切削速度对 此没有影响。 对这种岩石的非封闭压入强度试 验表 明膨胀很小 ， 模式预测 ； 压力对钻井强度 没有影响 。 尊 5 墓 2 加 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 压力 ． MPR 图 8 B o I l ll e T e r r e灰岩 钻井强度 与切削速度和 压 力的关系 切 深 O - 3 ram 4 ． C o l t o n砂岩 这是 一种低渗 透率、 泥 质含 量极高 的砂 岩。压力和切削速度对切削载荷的影响见 图 9 。 随着压力的增加钻井强度连续增加 ， 尽管在 图 9 C o l t o n砂岩钻 井强 度 与切削 速度 和压力 的 关 系 切深 0 ． 3 ram 动态封闭模式顶测； 压力对钻井强度有巨 大影响， 在试验中得到证实。通常认为砂岩在 超过 1 0 0 MP a的封闭压力时转化为韧性剪切 ， 但试验表 明这种岩石在 1 0 MP a前钻井强度迅 速增加 ， 然后是逐渐增加。这种岩石在低切削 速度时 ， 压入载荷极高。 5 ． B e r e a砂岩 这是一种高渗透率、 高孔隙度、 低强度的 岩石。在低传递速率时， 压力对钻井强度很少 或没有影响， 在最大切削速度时， 钻井强度巨 大增加见图1 O 。这种情况与从极限扩散状态 转化到模式顶测 的影响一致 。 重 罂 拉 ． ． ． ． - ～ 0 2 0 4 0 6 0 舯 压 力 ． MP 且 图 1 0 B e r e a 砂岩钻井强度与切削速度和压力的 关 系 切深 0 ， 3 ram 一 5坷 卜 一 枷 枷 珊 瑚 珊 啪 啪 蚰 0 维普资讯 1 8 罾外 蛄井技 术 第十三 卷1 9 9 5 年第 1期 压力和速度的影响 用 3 mm T S D齿的试验表 明 压力对切削 齿载荷的影响与动态封闭模式基本一致。 模式 成功地预测 了在 4类非渗透压力岩石中随着 压力的增加钻 头齿载荷增加 ， 而对切削速度没 有影响。在高渗透率的砂岩中， 模式成功地预 测 了在低切削速度时压力没有影响。 精确的钻 头齿载荷预测需要更好的岩石膨胀性能数据 和改进硬化模式， 以阐明在高封 闭压力下岩石 韧性提高的原 因。 压蕺萄 切 凿载菏 r、＼ ． 中聪性 ／ ～ r、 、 、 塑 性 [ 圈 1 l 脆性一韧性转化对钻头 齿载荷 的影响 1 ． 最大封闭压力 动态封闭模式根据膨胀应变量预测最大 封闭压力。所有的试验都发生丁硬化， 观察到 最大钻井强度。Ma a c o s 页岩的数据 与璜测 的 最大动态封闭压力一致 ； 然而出现最大强度时 的压力比在碳酸盐和泥质砂岩中预测数据小 。 模式预测基于在非封闭压入强度试验中观测 到的膨胀应变， 封闭膨胀应变量应该比非封闭 膨胀应变量小。 用封闭膨胀应变预测数据会更 准确， 使钻井强度变为常量时压力值变小。观 察显示这一压力确实比表 3给出的值小。 2 ．硬化速度 对所有岩石类型， 由动态封闭得到的钻井 强度的表观硬化速度， 开始比单独膨胀硬化得 到的要大得多 。 钻井强度是连续大应变的变形 过程相对于连续小应变 三轴强度 观察值 的度 量。 从脆性到韧性转化会导致很高的平均钻头 齿载荷和很低的振动载荷 如图 l 1 。在脆性 破坏过程中， 由于硬化影响， 载荷峰值更高， 且 在破坏的全过程均很高， 导致高的平均载荷， 但振动载荷较低。 这一影响会 引起钻井强度硬 化速度高于单独膨胀硬化预测结果。 3 ． 速度影响 模式预测表 明 ， 在低渗透率岩 层中， 切削 速度对钻井强度的影响较小 这在 Ma n c o s 页 岩、 C a r t h a g e大理岩和 B o n n e T e r r e灰岩试验 中得到证 实。在高渗透率的两种砂岩中， 切削 速度对钻井强度 的影响巨大 。这在 Ma n c o s 页 岩、 C a r t h a g e大理 岩和 B o n n e Te r r e灰岩试验 中得到证 实 。B e r e a砂岩数据 与模 式预测 一 致， 但 C o lt o n砂岩数据显示在最低切削速度 时载荷最大， 这与模式预测不一致。 压入载荷和钻头齿磨损 G lo w k a 对影响 P D C齿磨损的因素进行 了广泛的研究且形成转速、 压入载荷和速度之 间关系的理论。 大量表明刮刀齿体积磨损与压 入载荷和齿移动距离成正比。 切深和压入力有 指数关 系 。 。Ft 4 由此导出在切削速度为常量情况下磨损 速度为转速的函数的表达式 缶 c 5 这里 d “／ 是钻头齿每单位长度的体 积磨损， c是常量。 如果压入载荷指数 等于 1 ． 0 ， 则磨损速 度与转速无关； 如 大于 1 ． 0 ， 则磨损速度随 转速的增加而 增加 ； 如果 小 于 1 ． 0 ， 则磨 损 速度随着转速增加而减小。在给定齿形 、 岩石 类型和压力的情况下， 值决定钻头是否应该 设 计 为高或低速 作业 。对于试 验用 的 3 ram T S D齿， 压入载荷指数在表 5 中列出。 结果清 楚 的表明， 对 于峰利 的 T S D齿压入载荷指 数 维普资讯 国外虽 占 井捷术 1 9 一 般小于 1 ． 0 ， 且随围压的增加而减小 相反， 在常压下在高研磨性地层 中 P D C齿压八载荷 指数 一般大于 1 ． 0 。 表 5 伽压 人藏荷指数 ， _ Ph M a c o s Co ho n B盯阻 B0 Ⅱ B 页岩 砂岩 砂岩 T 蛐e白云j 0 1 ． 06 0 8 6 0 ．7 6 0 ． 5 4 1 35 1 0 0． 9 4 1 3 2 0 ．9 5 0 ． 4 1 l 0 4 2 5 0 7 3 0 91 O ‘9 0 3 4 0 ．8 8 7 0 0 ．7 3 0 ， 7 1 0 55 O ．5 8 0 8 2 结 论 在低渗透率的中硬岩石中， 在没有任何压 差的情况下 ， 围压引起 T S D齿戴荷 的巨大增 加。动态封闭硬化的影响在 Ma n c o s 页岩最明 显， 压力从 常压增加到 7 0 MP a ， 钻井强度增加 6 倍。页岩是油气钻井遇到最多的地层， 所以 动态封闭的影响会 巨大地增加深井钻井成本 。 钻井强度观察与根据钻头齿前岩石的孔 隙体积膨胀得到的动态封闭压力一致。 根据岩 石渗透率、 孔隙率、 压入强度和多孔弹性模数 ， 模 式成功地预测 了在岩石承 受连续塑性 剪切 情况下， 井眼压力和切削速度的影响 。硬化速 度和硬化量需要钻 井强度模式计算岩石 从脆 性到韧性剪切的转化 。 动态封闭模式解释了在现场钻速降低比 不同压持压力模式预测大得多的原因 模式进 一 步提出了可用于脆性和韧性地层的动态压 持机 理 。 对 研 究 的 所 有 中硬 岩 石 ， 在 围压 大 于 1 0 MP a时 ， 方形 T S D压入载荷指数小于 1 ． 0 。 这意味着这些齿应该在最小载荷和尽可能高 的速度下工作， 以使钻头齿在深部地层中磨损 最小 。 译 自S P E 3 6 4 3 4 上接 第 8页 一 套顶驱系统 T D S 用来冷却井下工具。 顶驱1 7 0 E， 返出地面后接近 7 0 “C。当泥浆泵停止 系统是唯一能够玲却钻头、 泥浆马达、 振击器泵送时钻 头深度处温度 在 7小 时后 升至 等井下工具 的装置。 2 8 0 C， 而在 8 3小时后升到 4 2 6 C。这说明冷 三 牙 轮 钻 头 的 特 性 墓 地 降 低 了 在 高 温 地 层 用金刚石钻头钻地热井被认为是不经济 的。除取心外， 只用三牙轮钻头钻 WD一 1 井。 该井用 丁 9只 1 2 1A 1 5只 8 的牙轮钻头。 其中有些 8 头工作了 6 0多个小时， 即使 在温度超过 4 5 0 C时进尺 1 0 0多米 ， O型 圈也 没有损坏。以前， O型密封圈在地层温度高于 3 5 0 “3 时从未超过 3 0 小时。 O型密封圈的耐用 归功于使用顶驱冷却井下工具和 3个泥浆冷 却器及泥浆池玲却返 出的热泥浆 井 眼温度数据 当钻头达到 3 5 0 0 米时， 4 0 ℃的泥浆从地 面泵送下去。在钻头深度处泥浆温度增加到 结 论 1 。即使地层温度高至 5 0 0 “ C， 若对钻井泥 浆适当地玲却与调制 ， 用普通 的方法也可以钻 地热井。 2 。 克服高温地层的条件是冷却返出的泥 浆， 以及用顶驱装置连续冷却井下钻具。 3 ． 在钻井时收集 了详细的井下温度数 据 即使地层温度很高 ， 泥 浆循环温度也相对 较低 。 译 自J P T 1 9 9 7N o ． 6 维普资讯