钻分级箍附件的钻头优选

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摘要：双级固井使用分级箍达到分级封固地层的目的，分级箍常使用机械式，其组成包括：分级箍本体、一级旁通塞和座、一级碰压塞和座、分级箍打开塞（俗称开孔弹）、分级箍关闭塞。单级固井使用的双胶塞和浮箍之间有啮合设计且均为橡胶材质，分级箍附件即塞和座之间为金属接触且不存在啮合设计，这就对破坏附件所选用的钻头提出了更高的要求。本文针对双级固井附件多、破坏困难，分析其原因对所选用的钻头进行优化，已达到提高时效，降低成本的目的。

关键词：双级固井、分级箍、钻头优选

中图分类号：P634.4+1 文献标识码：A

单级固井使用的浮箍和上下胶塞在结构上有啮合构造能够防止在破坏过程中其随钻头一起旋转且为橡胶材质，可达到较满意的破坏时效。然而，双击固井所用的附件较多且相当一部分为金属构件，之间并没有防转设计而是金属间的环面接触，这样在破坏时效方面较单级固井差很多，所以要更合理的选择钻头对其进行破坏。本文就是要通过伊拉克FQCN-25井现场作业经验进行对比、分析，总结出双级固井附件破坏方面钻头的优选要求，为后续其它此类作业提供参考。

1 固井附件

1.1单级固井附件

单级固井一般使用带有防转设计的浮箍和上下胶塞（如图1所示），在钻头对其破坏过程中由于上、下胶塞和浮箍的啮合构造其并不会随钻头一起旋转，这样就能够提高钻头旋转带来的有效力。而且材质均为橡胶，大大降低了其对钻头带来的磨损，同时也能兼顾井下安全。原有理论和实践证明牙轮钻头对这类附件的破坏比较适用，但随着PDC钻头技术的发展，现在应用PDC钻头破坏此类附件已经在作业中屡见不鲜，特别是将钻进组合和钻塞组合合并提高时效的情况下，既保证了井下安全又达到了提高时效的目的，取得了很好的作业效果。所以在单级固井破坏附件时选择钻头的空间就要相对多，或者说相对容易。

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图1防转胶塞啮合结构示意图

1.2 双级固井附件

双级固井使用分级箍达到分级封固地层的目的，分级箍常使用机械式，其组成包括：分级箍本体（如图2所示）、一级旁通塞和座（如图3所示）、一级碰压塞和座（如图4所示）、分级箍打开塞（俗称开孔弹）和分级箍关闭塞（如图5所示）。所有附件中座及与座接触的塞端均为金属材质，金属材质相当于硬地层，而且其为环状属“非均质地层”，在破坏过程中给钻头带来的磨损较大，特别是对PDC钻头复合片提出了更高的要求。因此，双级固井时破坏附件要对钻头选型进行优化，在时效成本和材料成本中间进行择优选择以达到降低整体成本的目的。

图2分级箍本体内部视图

图3一级旁通塞和座

图4一级碰压塞和座

图5分级箍打开塞和分级箍关闭塞

2破坏情况分析

本文以某井为实例，其13-3/8"套管和9-5/8"套管均采用双级固井工艺，对双级固井后破坏附件的效果进行比对、分析，得出破坏双级固井附件的考虑因素，最终帮助优选钻头。

2.1钻头的破岩机理

（1）牙轮钻头的破岩机理[2]：以冲击、压碎和剪切为主。其中冲击和压碎作用是牙轮钻头破碎岩石的主要方式，即钻头上承受的钻压以静载荷的形式经牙轮作用在岩石上，此外还有钻头在旋转时由于结构特征造成纵向振动所产生的冲击载荷，这种纵向振动使钻柱不断的压缩与伸张，下部钻柱把这种周期性变化的弹性变形通过钻头牙齿转化为对地层的冲击作用来破碎岩石，与静载压入力一起形成了牙齿对地层岩石的冲击、压碎作用；剪切作用，牙轮在井底滚动时由于牙轮接头特征同时产生相对井底的滑动，超顶和复锥所引起的切线方向的滑动除可在切线方向与冲击、压碎作用共同破坏岩石外，还可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石，移轴则可在牙轮轴向方向上产生滑动和切削地层的作用，它可以剪切掉齿圈之间的岩石。

（2）PDC钻头的破岩机理[2]：

①钻进硬地层时，切屑齿在钻压作用下压入岩石，使与PDC复合片接触的岩石处于极高的应力状态而呈现塑性。

②在塑性地层（或岩石在应力作用下呈塑性的地层），切削齿吃入地层并在钻压扭矩作用下使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动，脱离岩石基体，形成岩屑。岩屑的体积大体等于切削齿吃入岩石的体积位移。

2.2 PDC钻头破坏效果

分级箍附件所有接触面为金属接触，钻塞破坏过程中附件极易随钻头旋转，且橡胶塞较多，共计0.66m；开孔弹在分级箍处可钻长度0.03m，剩余0.42m会落到一级碰压塞之上，钻头旋转过程中其处于偏心状态，反作用力使钻头造成钻头有偏心力增大了磨损套管的程度，甚至造成硬卡；金属附件，0.15m的关闭塞底端环形金属附件，0.09m的一级碰压塞底金属（实心），0.07m的一级碰压塞座低端金属环，加之分级箍内的两个挡环各0.03m，共计要破坏相对固定的0.37m的金属附件。

本井钻套管附件和水泥塞选用的是PDC钻头，钻塞过程中返出大量金属和橡胶钻屑，如图6所示：金属钻屑为薄、窄、规则的长条状；如图7所示：返出的橡胶钻屑多为小块状，也有一部分较厚块大且较长，判断为切削不彻底返出的大块橡胶钻屑。

图6返出的金属钻屑

图7返出的橡胶钻屑

2.3牙轮钻头破坏效果

本井钻套管附件和水泥塞选用的是牙轮钻头，钻塞过程中同样返出大量金属和橡胶钻屑，如图8所示：金属钻屑为短、小、不规则的形状；橡胶钻屑相当一部分为小碎块带毛边，明显的碾压痕迹，也有一部分相对要大些的，一面有明显齿痕另一面光滑较平整，明显为“撕扯”掉的痕迹。

图8返出的橡胶和金属钻屑

3分析

（1）塞和座的接触面未具备防转设计，且均为金属接触，在钻压不充分的情况下会导致其在接触面相对旋转，严重影响钻头提供的作用力的有效性。

（2）座的形状为环状，钻头与其接触时有严重的受力不均现象。

（3）塞的下端均为金属且在主体结构被破坏后处于无控状态，随钻头在水泥塞面上旋转。

（4）分级箍打开塞（俗称开孔弹）主体会下落至一级固井的水泥塞面上，钻头旋转过程中其处于偏心状态，反作用力使钻头造成钻头有偏心力增大了磨损套管的程度，甚至造成硬卡。

（5）胶塞较多且较长，其特点是具有韧性，靠单纯的切削作用破坏效果不佳。

（6）胶塞具有塑性，在一定变形量内不易发生破坏。

（7）大块胶塞碎块返至钻头之上，若返出不及时很可能造成套管内卡钻。

4结论

（1）牙轮钻头靠冲击和压碎作用破岩可以减小塞和座之间的相对旋转。

（2）环装的承托座对牙轮钻头的切削齿造成的磨损相对PDC钻头小。

（3）牙轮钻头的牙轮会将塞被破坏后残留的金属部分压在其下防其对钻头本体有损伤。

（4）分级箍打开塞（俗称开孔弹）给钻头的反作用力会导致PDC钻头齿对套管内部的磨损加剧。

（5）牙轮钻头具有碾压和切的双重作用可以将胶塞破碎成较小的碎块。

（6）铣齿牙轮钻头有足够长的切削齿才能使胶塞局部在塑性变形后发生破坏。

（7）牙轮钻头相比PDC钻头有更小的泄流截面，能阻止更多的大块胶塞碎块上返。

参考文献

《钻井手册（甲方）》编写组. 钻井手册（甲方）（上册）[M]. 北京：石油工业出版社，1990: 130-131, 135-140, 147.

《海洋钻井手册》编写组. 海洋钻井手册[M]. 中国海洋总公司，1996: 86.