牙輪－PDC混合鉆頭在迪北103井的應用試驗

許京國 陶瑞東 鄭智冬 楊靜 張建榮

中國石油渤海鉆探第三鉆井公司

迪北區塊位于新疆維吾爾自治區阿克蘇地區庫車縣境內，西偏南方向靠近庫車縣。構造位置處于塔里木盆地庫車坳陷依奇克里克沖斷帶下盤迪北1號大型斷鼻構造東翼。根據依南2井、迪西1井、迪北101井和依南5井等鄰井的鉆探情況，預計迪北103井在中新統吉迪克組、漸新統蘇維依組、古近系庫姆格列木群將鉆遇礫石含量高、軟硬交互頻繁、可鉆性差的地層，鉆頭選型困難［1－2］，單只鉆頭進尺低已成為該區域鉆井提速的公認難題；牙輪－PDC混合鉆頭具有PDC切削及牙輪鉆頭高抗壓強度的優點，因此在迪北103井嘗試應用了444.5mm牙輪－PDC混合鉆頭，克服了迪北區塊蘇維依組地層礫石含量高，地層軟硬交互頻繁、可鉆性差的難題，一趟鉆鉆穿吉迪克組砂礫巖段、蘇維依組、庫姆格列木群組［3］，進尺342m，純鉆時間201.5 h，平均機械鉆速1.70m／h，刷新了444.5mm 牙輪－PDC混合鉆頭（Kymera鉆頭）單只進尺世界紀錄，同時創迪北區塊吉迪克組、蘇維依組單只鉆頭最高進尺紀錄，該鉆頭的成功應用有效縮短了迪北103井的鉆井周期，降低了鉆井成本。

1 牙輪－PDC混合鉆頭技術特點

1.1 牙輪－PDC混合鉆頭技術參數

圖1 444.5mm牙輪－PDC混合鉆頭形狀圖

表1 444.5mm牙輪－PDC混合鉆頭規格型號表

表1 444.5mm牙輪－PDC混合鉆頭規格型號表

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1.2 牙輪－PDC混合鉆頭技術特點

貝克休斯Kymera混合式鉆頭技術是將牙輪鉆頭和PDC鉆頭合二為一的專利技術，具有金剛石切削及牙輪鉆頭高抗壓強度的優點，具有PDC鉆頭優越的切削能力和持久的工作能力，同時具有牙輪鉆頭的強度，能夠同時發揮PDC鉆頭優越的切削破巖機理及牙輪鉆頭的沖擊破碎機理，牙輪切削齒形成不連續的齒坑，對巖石產生預破碎，PDC切削齒通過切削作用，將牙輪切削齒形成的不連續的齒坑連通，從而形成完整的破碎環帶，使得混合鉆頭在硬塑性地層中具有較高的機械鉆速；在不均勻及軟硬交錯地層，混合鉆頭上的牙輪切削齒對巖石產生預破碎，有效降低了PDC切削齒的切削載荷，同時牙輪切削齒限制了PDC切削齒的吃入深度，相對于PDC鉆頭，有效降低了混合鉆頭PDC切削齒崩齒的概率，因而混合鉆頭使用壽命更長［5－6］。與PDC鉆頭相比較，Kymera鉆頭具有更低、更平穩的鉆進扭矩，定向鉆進更易控制，多夾層地層鉆進時壽命更長，可靠性更高，同時扭轉振動更低。與傳統的牙輪鉆頭相比較，Kymera鉆頭具有更高的機械鉆速，更小的軸向振動（鉆頭跳動），同時所需要的鉆壓更小。適用于硬質夾層、結核狀地層、塑性泥巖地層，尤其是含細礫地層。由于具有PDC鉆頭的攻擊性，所以具有鉆速快的特點，同時又具有牙輪鉆頭的低扭矩特性，所以運轉平穩，軸向振動小，方向控制性好，壽命長［7－12］。

2 牙輪－PDC混合鉆頭在迪北103井的試驗應用情況

2.1 迪北103井概況

迪北103井是塔里木盆地庫車坳陷東部依奇克里克構造帶迪北斜坡上的1口以侏羅系為目的層的評價井，設計井深5 000m，設計井身結構見圖2。該井的444.5mm井眼需從井深20m鉆至深度3 030m，下入365.1mm技術套管。根據依南2井、迪西1井井、迪北101井和依南5井等鄰井鉆探情況，結合周邊露頭資料和地震資料預測迪北區塊地層層序，444.5mm井眼鉆遇的巖性在吉迪克組、蘇維依組、庫姆格列木群礫石含量高、軟硬交互頻繁、可鉆性差、鉆頭選型困難，無論是牙輪鉆頭，還是PDC鉆頭，機械鉆速和鉆頭進尺都很低，單只鉆頭進尺低已成為該區域鉆井提速的公認難題。

圖2 迪北103井井身結構圖

2.2 牙輪－PDC混合鉆頭試驗情況

Kymera系列鉆頭已先后在美國、加拿大、巴西、沙特、挪威等多個國家使用，鑒于牙輪－PDC混合鉆頭在國外類似地層應用的成功經驗，技術人員針對這一問題與貝克休斯公司進行反復論證，最終決定在迪北103井嘗試應用貝殼休斯的444.5mm牙輪－PDC混合鉆頭，該鉆頭從2 524m入井，鉆進至2 866m起出，進尺342m，一趟鉆鉆穿吉迪克組砂礫巖段、蘇維依組、庫姆格列木群組，平均機械鉆速1.70m／h，鉆頭新度40%，PDC 3個刀翼冠部和肩部復合片嚴重損壞，1號牙輪軸承失效，3個牙輪牙齒磨損1／4；1個水眼被堵死（圖3）。

圖3 迪北103井使用后的444.5mm牙輪－PDC混合鉆頭圖

2.3 鉆具組合

2.4 鉆井參數

該井鉆進參數見表2。

表2 PDC＋牙輪復合鉆頭在迪北103井鉆井參數表

3 應用效果分析

迪北104井此井段共使用了5只PDC鉆頭和1只牙輪鉆頭，單只鉆頭平均進尺只有45.33m，平均機械鉆速只有0.66m／h（表3）；迪北101井采用縮小經驗尺寸的方式提速，333.3mm井眼用了6只PDC鉆頭和1只牙輪鉆頭，單只鉆頭平均進尺只有45m，平均機械鉆速也只有1.14m／h。

表3 迪北區塊吉迪克組—庫姆格列木群組鉆速統計表

4 認識與建議

1）牙輪－PDC混合鉆頭大幅度提高了迪北103井吉迪克砂礫巖段和蘇維依組庫姆格列木群地層的鉆井速度，與鄰井相近井段相比機械鉆速提高了50%～157%。

3）建議進一步擴大牙輪－PDC混合鉆頭應用范圍，以綜合評估其經濟性和可行性。

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