差压步进钻头提高破岩速度原理及现场试验

作     者：刘永旺 李坤 管志川 刘嘉雄 呼怀刚 陈小元 王委 赵国山 张曙辉 LIU Yongwang;LI Kun;GUAN Zhichuan;LIU Jiaxiong;HU Huaigang;CHEN Xiaoyuan;WANG Wei;ZHAO Guoshan;ZHANG Shuhui

作者机构：深层油气全国重点实验室(中国石油大学(华东))山东青岛266580 中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580 中国石油集团工程技术研究院有限公司北京102200 中国石化集团华东石油工程有限公司江苏钻井公司江苏邵博212001 中石化经纬有限公司胜利定向井公司山东东营257061 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室四川成都610500 

出 版 物：《中国石油大学学报（自然科学版）》 (Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science))

年 卷 期：2024年第48卷第4期

页      面：101-108页

核心收录：

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 082001[工学-油气井工程] 08[工学] 

基　　金：国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项(2021YFE0111400) 中石油重大科技项目(ZD2019-183-005) 国家自然科学基金面上项目(52074324,51974320) 中央高校基本科研业务费专项(19CX02065A) 

主　　题：钻井 井底原地应力 地层抗钻特性 差压步进钻头 应力释放 岩石破碎 

摘      要：井底岩石承受较大的原地应力作用,且随着井深增加原地应力呈增大趋势。原地应力的存在增加了岩石的压实程度,导致岩石坚硬、可钻性差、研磨性强等问题,成为破岩工具切削效率低、使用寿命短和钻井速度慢的最主要原因之一。针对此背景,提出释放井底部分原地应力弱化地层抗钻特性提高破岩速度的理念,研发一种可释放井底部分原地应力弱化地层抗钻特性且能够集中钻压强化攻击能力的差压步进钻头,该钻头充分利用钻井过程中的井底钻压波动,实现扩眼钻头与领眼钻头钻压动态分配及钻进过程交替进行的目标,通过弱化地层、强化攻击及转化振动三重效果提高破岩速度。为验证差压步进钻头的应力释放效应,建立三维流固耦合的阶梯井底应力场模型,并在江苏油区某区块砾石层井段开展3口井的实钻试验。结果表明:阶梯井底能够使阶梯处岩石更易破碎;小直径领眼钻头应力释放效果较好;随着地层深度的增加,差压步进钻头应力释放效果更加显著,应力释放比约为60.2%;差压步进钻头提速效果显著,砾石层钻速较牙轮钻头提升可达161.89%,最高提速318.11%。