PDC鉆頭復合鉆井技術在蘇北油區的應用

孟　鵬，邵冬冬，2，嚴　沾，蔣　濤，華祝春

(1.江蘇石油工程有限公司 鉆井處，江蘇 揚州 225261；2.中國石化集團 江蘇油田博士后科研工作站，江蘇 揚州 225009)①

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PDC鉆頭復合鉆井技術在蘇北油區的應用

孟鵬1，邵冬冬1，2，嚴沾1，蔣濤1，華祝春1

(1.江蘇石油工程有限公司 鉆井處，江蘇 揚州 225261；2.中國石化集團 江蘇油田博士后科研工作站，江蘇 揚州 225009)①

摘要：為了提高蘇北油區鉆井機械鉆速，采用了PDC鉆頭多種復合鉆進的鉆具組合方法。其中水力脈沖接頭配合PDC鉆頭復合鉆井是將常規復合鉆進的高轉速破巖與脈沖接頭、脈沖噴嘴進行組合，把機械能與水利能有效結合的清巖模式；在復合鉆井的高效破巖效果下，加上水力脈沖技術，可充分體現多重鉆井的提速作用。分析了PDC鉆頭、螺桿鉆具、脈沖接頭以及脈沖噴嘴不同的結合方式在蘇北油區的應用，結果表明復合鉆井技術不同組合方式比常規復合鉆井平均機械鉆速提高24.44%～123.9%，取得了良好的應用效果。

關鍵詞：PDC鉆頭；復合鉆井；螺桿鉆具；脈沖工具

目前，蘇北油區開發已經進入緩慢期，大量開發后形成了多斷層、構造破碎、復雜小斷塊油藏，增加了開采難度，如何快速提高鉆進速度成為首要任務[1-2]。PDC鉆頭配合螺桿鉆具復合鉆井技術已成為鉆進過程的主流鉆井技術，高效的應用效果得到了普遍認可。在復合鉆進的基礎上，增加脈沖接頭與噴嘴的組合方式，是另一種高效復合鉆井技術。

脈沖射流復合鉆井技術是基于PDC鉆頭在“螺桿鉆具+轉盤鉆動”的機械破巖與井底脈沖射流更好地攜帶巖屑的水力能量相結合的一種提高機械鉆速的方法。采用多種鉆具的不同組合方法在蘇北油區的應用是一種新的嘗試，旨在尋找更好的組合配置，提高鉆井機械鉆速。

1PDC破巖機理

PDC鉆頭主要依靠冠部來進行巖石切削，不同于牙輪鉆頭的壓入地層，依靠牙齒縱向壓裂力破壞巖石的抗壓強度的破巖機理。PDC鉆頭主要是以金剛石顆粒沿著剪切面進行切削，圖1為切屑過程示意[3-4]。破巖時主要克服巖石的抗剪強度，而克服巖石的抗剪強度比克服巖石的抗壓強度的破巖方式要易于進行。

圖1　切屑過程示意

在塑脆性巖石中，在W和T的同時作用下，垂直壓力在比巖石硬度小得多的條件下，切屑刃就可以沿θ角切入巖石，使其產生體積破碎。巖石破碎分為3個過程：首先刃前巖石沿剪切面破碎后，T力減小，切削刃向前推進，碰撞刃前巖石；其次在扭力T作用下壓碎前方的巖石，使其產生小剪切破碎，扭力T增大；最后刀翼或切削齒繼續壓擠前方的巖石(部分被壓成粉狀)，當扭力T增大到極限值時，巖石沿剪切面破碎，然后扭力突然變小。碰撞、壓碎及小剪切、大剪切這3個過程反復進行，形成破碎塑脆性巖石的全過程。

根據PDC鉆頭的破巖機理可以看出：在W鉆壓較小，在旋轉力為定量的情況下，鉆頭旋轉的速度與切削效率成正比關系，復合鉆進中螺桿鉆具加上轉盤驅動的復合鉆井技術能增加切削巖石的速度，達到提高鉆進速度的目的。

PDC鉆頭目前還是存在一定的局限性。適合在軟至中硬地層中使用，對于地層中存在的夾層與類似玄武巖和輝綠巖等硬度較大的地層不適合使用，會加大鉆頭金剛石顆粒的快速崩落、損壞。

金剛石顆粒單次切削破巖后，在切削表面巖石周圍具有殘余應力，形成了巖石破碎帶，巖石產生裂紋從而受到了損傷。下次切削破巖時巖石的抗剪強度大幅降低，增加了鉆頭的使用壽命。

2PDC復合鉆井技術

PDC復合鉆井技術是以提高鉆井機械鉆速，快速鉆進為目的。在蘇北區塊復合鉆進方式已經得到廣泛使用，而PDC鉆頭+螺桿的鉆具組合，配合脈沖接頭與噴嘴的鉆井技術正在完善中，在應用中起到了良好的提速效果[5-6]。

螺桿鉆具是一種以鉆井液為動力的井下動力工具，鉆井泵泵出的鉆井液流經旁通閥進入馬達，在馬達進出口處形成一定壓差推動馬達的轉子旋轉，并將轉矩和轉速通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭，達到高轉速破巖的目的。

復合鉆井技術是利用螺桿鉆具的高轉速、高轉矩帶動鉆頭高速旋轉來提高破巖效率的一項技術。主要利用鉆頭高速旋轉的動能產生橫向力來剪切、磨蝕地層，其主要破巖特征在于對地層的磨蝕。

由于PDC鉆頭切削特性，形成了損傷巖石，且PDC鉆頭切削的巖屑相對體積較小，容易形成沉積以及泥包，造成鉆頭的反復切削，損傷鉆頭壽命。隨著鉆井液密度和井深的增加，液柱壓力對井底破碎出來的巖屑產生壓持作用，鉆頭切削出來的巖屑在壓差作用下不易離開井底，結果是在井底形成墊層。

脈沖工具配合PDC鉆頭復合鉆井，能加大巖石的沖蝕，減小鉆頭切削的抗剪強度，利于鉆頭切割，有效地減緩鉆頭磨損[7-8]。脈沖接頭和噴嘴形成的脈沖射流能增加對巖屑的沖擊，形成脈沖渦流打散巖屑，帶動巖屑容易返出，減少鉆頭重復切削。脈沖工具提高了射流的瞬時打擊力、有效噴射距離和射流到達井底時的水利能量，配合PDC復合鉆進方式大幅提高了鉆井速度。

3復合鉆井技術的應用

復合鉆井技術在蘇北油區主要應用在軟至中硬地層。

3.1PDC+螺桿的復合鉆井方法在安豐28井應用

安豐28井在2 146.55～2 455.00 m井段使用PDC鉆頭+螺桿(1.25°)進行穩斜鉆進，鉆頭為M164G2D型PDC鉆頭，進尺308.45 m，純鉆時間34.75 h，機械鉆速8.88 m/h。

鉆井參數：鉆壓40～80 kN，轉盤轉速60 r/min，泵壓21 MPa，排量32 L/s。鉆井液密度1.23 g/cm3，黏度48 Pa·s，含砂0.2%。地層為泥巖和粉砂巖互層，巖性為軟至中硬。

鉆具組合：?215.9PDC鉆頭+?172單彎螺桿(1.25°)+?165浮閥+?214穩定器+411×4A10接頭(定直)+?159無磁鉆鋌+?159螺旋鉆鋌+4A11×410接頭+?127加重鉆桿(斜臺階) +?127鉆桿。

安豐28井與鄰井安豐27井鉆時對比如圖2所示。安豐27井在2 337.88～2 440.00 m井段，與安豐28井巖性、鉆井參數基本相同，未使用螺桿配合PDC鉆頭復合鉆井，機械鉆速為10.07 m/h；安豐28井在相同井段機械鉆速為11.58 m/h，同比機械鉆速提高了15%。

圖2　安豐28井與鄰井鉆時對比圖

3.2PDC+脈沖接頭+螺桿的復合鉆井方法在永43-3井應用

永43-3井在2 000～2 610 m井段使用了PDC鉆頭+脈沖接頭+螺桿進行定向鉆進，鉆頭型號為M1640G1DT，使用1個水利脈沖空化射流接頭。進尺610 m，純鉆時間37.03 h，機械鉆速16.47 m/h。

鉆井參數：鉆壓40～60 kN，轉盤轉速65 r/min，泵壓18 MPa，排量32 L/s。鉆井液密度1.19 g/cm3，黏度51 Pa·s，含砂0.2%。地層為泥巖、不等礫砂巖和細砂巖互層，巖性為軟至中硬。

鉆具組合：?216PDC+脈沖接頭+?172單彎螺桿(1.25°)+防濺接頭+411×4A10(定直)接頭+?159無磁鉆鋌+4A11×410接頭+?127加重鉆桿+411×4A10接頭+?159隨鉆震擊器+4A11×410接頭+?127加重鉆桿+?127鉆桿。

永43-3井與鄰井永43-6井鉆時對比如圖3所示。永43-6井在2 000～2 610 m井段，與永43-3井巖性、鉆井參數基本相同，未使用水利脈沖空化射流接頭配合PDC鉆頭復合鉆井，機械鉆速為12.61 m/h；永43-3井在相同井段機械鉆速為16.47 m/h，同比機械鉆速提高了30.61%。

圖3　永43-3井與鄰井鉆時對比

3.3PDC+脈沖噴嘴+螺桿的復合鉆進方法在陳2-60井應用

陳2-60井在1 810～2260 m井段使用了PDC+脈沖噴嘴+螺桿進行定向鉆進，鉆頭型號為M194G2D，使用2個16 mm和2個13 mm脈沖噴嘴。進尺450 m，純鉆時間14.85 h，機械鉆速30.98 m/h。

鉆井參數：鉆壓20～40 kN，轉盤轉速70 r/min，泵壓16 MPa，排量32 L/s。鉆井液密度1.16 g/cm3，黏度52 Pa·s，含砂0.2%。地層為泥巖和細砂巖互層，夾雜礫石，巖性為軟至中硬。

鉆具組合：?216PDC+?172單彎螺桿(1.25°)+?212穩定器+?159浮閥+定向直接頭+?159無磁鉆鋌+?159螺旋鉆鋌+4A11×410接頭+?127加重鉆桿(斜臺階) +?127鉆桿。

陳2-60井與鄰井陳2-62井鉆時對比如圖4所示。在1 810～2 260 m井段，與陳2-60井巖性、鉆井參數基本相同，未使用脈沖噴嘴配合PDC鉆頭復合鉆井，機械鉆速為24.35 m/h。陳2-60井在相同井段機械鉆速為30.30 m/h，同比機械鉆速提高了24.44%。

圖4　陳2-60井與鄰井鉆時對比

3.4PDC+脈沖噴嘴+脈沖接頭+螺桿復合鉆井方法在永43-9井應用

永43-9井在374～2 76 5m井段使用了PDC+脈沖噴嘴+脈沖接頭+螺桿進行定向鉆進，鉆頭為M165G1DT型，進尺2 391 m，純鉆時間127 h，機械鉆速18.83 m/h。

鉆井參數：鉆壓40～60 kN，轉盤轉速60 r/min，泵壓17 MPa，排量32 L/s。鉆井液密度1.16～1.23 g/cm3，黏度48～61 Pa·s，含砂0.2%。地層為泥巖和砂巖互層，巖性為軟至中硬。

鉆具組合：?216PDC+脈沖接頭+?172單彎螺桿(1.25°)+?165浮閥+?212穩定器+定向接頭+?159無磁鉆鋌+?159螺旋鉆鋌+4A11×410接頭+?127加重鉆桿+411×4A10接頭+?172隨鉆震擊器+4A11×410接頭+?127加重鉆桿+?127鉆桿(斜臺階)。

永43-9井與永43-6井機械鉆速對比如表1所示。永43-9井在374～1 770 m、1 770～2 765 mm井段，與永43-6井在巖性、鉆井參數基本相同，在相同井段機械鉆速分別提高12.94%、92.58%，整體提高123.9%。

表1　永43-9井與永43-6井機械鉆速對比

在3個區塊4口井(安豐28井、永43-3井、陳2-60井和永43-9井)的應用效果表明：PDC+螺桿復合鉆進方式比常規鉆進機械鉆速提高15%；PDC+脈沖接頭+螺桿復合鉆進方式比常規復合鉆井方式機械鉆速提高30.61%；PDC+脈沖噴嘴+螺桿復合鉆進方式比常規復合鉆井方式機械鉆速提高24.44%；PDC+脈沖噴嘴+脈沖接頭+螺桿復合鉆進方式比常規復合鉆井方式機械鉆速提高123.9%。

4結論

1)“PDC+螺桿鉆具”鉆具組合配合轉盤驅動的復合鉆井技術能增加切削巖石的速度，從而提高了機械鉆速。

2)脈沖工具較好地利用了射流的瞬時打擊力、有效噴射距離和射流到達井底時的水利能量，配合PDC復合鉆進方式提高了鉆井速度。

3)針對蘇北區塊地層不同情況，可調整復合鉆井中鉆具的組合方式，優化配置。

4)4口井應用證明脈沖工具復合鉆井相比常規復合鉆井的平均機械鉆速提高了24.44%～123.9%，達到較好的提速效果，具有推廣應用價值。

參考文獻：

[1]楊德勇.螺桿鉆具加PDC鉆頭鉆井技術[J].工業設計，2011(5)：212.

[2]袁贊兵.PDC+螺桿鉆具復合鉆井方法在塔河油田的應用[J].科技信息，2012(27)：500-501.

[3]伍開松，廖飛龍.巖石切削損傷后PDC 齒破巖規律探討[J].石油機械，2014，42(5)：29-33.

[4]鄧敏凱，吳開松，胡偉.PDC鉆頭切削齒破巖仿真與試驗分析[J].石油機械，2014，42(1)：10-13.

[5]于偉，汪海蘭，劉學國，等.動力鉆具配合高效鉆頭技術在中原油田鉆井的應用[J].內蒙古石油化工，2012(3)：101-105.

[6]汪海閣，劉杰，朱明亮.井下動力鉆具配合高效鉆頭提高鉆井效率的實驗研究[J].鉆采工藝，1999，22(2)：1-3.

[7]饒開波，劉彬，王義雄，等．水力脈沖空化射流鉆井技術現場試驗[J].鉆采工藝，2012，35(5)：121-122.

[8]王學杰，李根生，康延軍，等.利用水力脈沖空化射流復合鉆井技術提高鉆速[J].石油學報，2009，30(1)：117-120.

PDC Drill Bit Compound Drilling Technology in the Oil Region of Northern Jiangsu

MENG Peng1，SHAO Dongdong1，2，YAN Zhan1，JIANG Tao1，HUA Zhuchun1

(1.DrillingCompany，SINOPECOilfieldServiceJiangsuCorporation，Yangzhou225261，China；2.PostdoctoralWorkstationofJiangsuOilExplorationCorporation，SINOPEC，Yangzhou225009，China)

Abstract：In order to improve oil well drilling in Northern ROP，using PDC bit more complex drilling BHA method has been applied.The hydraulic pulse joint compound drilling with PDC bits are the combination of conventional composite drilling rock breaking，high speed pulse joints，pulse nozzle，turning rock mode to mechanical energy and effective combination of water conservancy.Under the effect of compound drilling rock breaking efficiency，coupled with hydraulic pulse technology，the role of multi-speed drilling can be fully reflected.The PDC drill bits，screw drill，pulse and pulse nozzle joint approach in the application of different combinations Subei oil region are analyzed，the results show that different combinations of compound drilling 24.44%～123.9% increase on average than conventional composite drilling ROP，get good application effect，has the value of application.

Keywords：PDC bit；composite drilling；screw drill tool；pulse tool

中圖分類號：TE921.1

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.016

作者簡介：孟鵬(1991-)，男，安徽六安人，現從事鉆井工藝技術和工程設計應用研究，E-mail：mengpeng.jsyt@sinopec.com。

收稿日期：①2015-09-06 中石化江蘇石油工程有限公司項目“井底脈沖射流-不對稱流場噴射鉆井技術”(JS140702)；江蘇省博士后科研資助計劃(1402088B)

文章編號：1001-3482(2016)03-0070-04