孕鑲金剛石鉆頭配合螺桿鉆具在烏參1井應用

吳仲華，溫林榮，丁世清，何育光，趙哲龍，付曉穎

(1.勝利石油工程公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257017；2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070)

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孕鑲金剛石鉆頭配合螺桿鉆具在烏參1井應用

吳仲華1，溫林榮1，丁世清1，何育光1，趙哲龍2，付曉穎2

(1.勝利石油工程公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257017；2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070)

隨著國內外深井、超深井鉆井數量逐年增加，常規牙輪鉆頭和PDC鉆頭采用常規鉆井方式在可鉆性差的研磨性地層中已無法獲得令人滿意的技術經濟指標。目前，孕鑲金剛石鉆頭配合高速渦輪鉆具鉆該地層取得了一定的技術效果，但是該技術鉆井成本高，渦輪鉆具壓差大對鉆井設備要求高。研究的孕鑲金剛石鉆頭配合螺桿鉆具鉆井模式應用于烏參1井的火成巖地層鉆井，取得了降低鉆具壓差和鉆井成本的技術經濟效果，并對現場應用進行了分析研究，為今后孕鑲金剛石鉆頭研制和技術推廣應用給出建議。

孕鑲金剛石鉆頭；火成巖；可鉆性；應用

國內四川須家河、新疆準噶爾盆地的油藏屬于火成巖地層，東北吉林營城組以下屬于火成巖和砂泥巖地層，具有強研磨性，都需要采用孕鑲金剛石鉆頭鉆進才能取得比較好的鉆井效率。自2009年以來，國外的孕鑲鉆頭配合高速渦輪技術已經在國內一些油田獲得了成功應用[1-6]，但是成本高、壓耗大，多數井仍然采用牙輪或PDC鉆頭鉆進，致使作業進度慢、周期長、作業效率很低。為適應現場需求，突破國外的技術壟斷，降低鉆井成本，提高國內深井、超深井綜合技術水平，近幾年，國內多個單位在致力于孕鑲金剛石鉆頭的研制，但與國外水平均存在不同程度的差距。勝利石油工程公司鉆井工藝研究院于2003年研制出孕鑲金剛石取心鉆頭，在大陸科鉆1井變質巖地層中的機械鉆速達到了1.6 m/h；2006年，研制出常規全面鉆進用孕鑲金剛石鉆頭，在四川大邑1井須家河地層進行了4次試驗，達到了預期效果，但存在鉆頭心部掏空問題；2011年，研制的YK216型孕鑲金剛石鉆頭配合中高速螺桿鉆具首次在烏參1井應用，取得了較好的技術和經濟效果，證明該技術在硬度高、研磨性強、可鉆性差的火成巖地層中具有適用性。

1　烏參1井基本情況

烏參1井是中石化部署在新疆維吾爾自治區阿勒泰地區福?？h境內的1口重點探井，由塔里木勝利鉆井公司70162鉆井部承鉆，設計井深7 000 m，目的層為石炭系，鉆探目的包括：建立烏倫古地區地層層序；揭示其烴源巖發育特征；了解各層系儲層發育特征及含油氣性；通過VSP驗證地震波阻地質屬性；為深化研究烏倫古地區成藏條件及勘探開發提供基礎資料。其中，四開累計進尺1 290 m，用時161 d，日均進尺8.01 m/d。四開215.9 mm井眼所鉆地層為石炭系巴塔瑪依內山組，除上部有少量凝灰質泥巖、凝灰質砂巖、火山角礫巖和細礫巖外，以下均為大段連續的巨厚凝灰巖。四開后共下入鉆頭44只，其中取心鉆頭2只，完成進尺9.35 m；通井鉆頭7只，完成進尺1 m；正常全面鉆進鉆頭35只，其中國產牙輪32只，合資企業產PDC鉆頭2只，國外進口牙輪1只，統計鉆頭數據如表1。

表1　各廠家鉆頭鉆進數據

從表1可以看出，四開以來，35只鉆頭的累計進尺只有1 279.65 m，平均單只進尺僅為36.56 m，平均機械鉆速也只有0.70 m/h。四開巖心如圖1，鉆頭磨損嚴重程度如圖2。

圖1　四開巖心照片

a　PDC鉆頭

b　牙輪鉆頭

2　孕鑲鉆頭與中高速螺桿鉆具特點

2.1孕鑲金剛石鉆頭

結合孕鑲鉆頭在川西地區的應用情況，依據烏參1井石炭系地層特點，該鉆頭采用刀翼加圓柱形孕鑲齒相結合的復合切削結構(如圖3)。

a　端部

b　外形

其技術特點：

1)圓柱形孕鑲齒與刀翼式孕鑲體相結合，綜合了PDC鉆頭和孕鑲鉆頭兩者的技術優勢，增加了鉆頭對地層的適應性，不僅具有金剛石鉆頭的性能特點，而且可以在硬地層中鉆遇相對軟的巖層時發揮PDC鉆頭的切削作用。

2)鉆頭主刀翼在鉆頭心部搭接相連，中間布置高性能PDC復合片，加強了鉆頭心部的切削能力，防止鉆頭心部過早掏空。

3)采用水眼加輻射式流道相結合的水力結構，在鉆頭心部以水眼代替常規的水槽，增加了鉆頭心部的強度；輻射式水道的過流方式，使鉆頭冠部得到有效的冷卻和清洗。

4)鉆頭保徑同樣采用孕鑲金剛石條，確保了鉆頭在研磨性硬地層中的保徑性能。

5)針對該井火成巖地層巖性，尤其是石英含量(根據對該井該地層巖心與巖樣的分析，石英含量約為47%)，通過試驗合理確定金剛石顆粒的品級、粒度、濃度以及胎體的強度、硬度等。

2.2中高速動力鉆具

孕鑲金剛石鉆頭的切削機理主要靠研磨與犁削，其工作原理類似于砂輪，因此，它更適合于高轉速、小鉆壓。由于國外渦輪鉆具的價格昂貴，工具壓耗高，提速不提效，該井配套使用國產中高速螺桿鉆具，主要技術參數如表2。

表2　中高速螺桿鉆具技術參數

3　烏參1井施工方案

3.1施工難點

1)作業深度達到5 640 m，井底溫度超過150 ℃，對井下動力鉆具性能要求高。

2)最大井斜14.22°，垂直投影成“弓”形，停泵非旋轉摩阻達200 kN，不利于鉆壓傳遞與井下工況判斷。

3)地層異常致密、堅硬且具有相當高的研磨性與極差的可鉆性。

4)由于井況限制，不能下入隨鉆打撈杯、減震器和扶正器，對鉆頭的工作穩定性不利。

3.2技術方案

該井前期使用PDC鉆頭，均出現下鉆困難和長時間、長井段劃眼問題，其中四開第28只鉆頭(型號為FMH3843ZR)下鉆至5 123 m遇阻，劃眼過程中多次蹩停頂驅，劃眼至5 141 m，考慮鉆頭磨損較為嚴重后起鉆。起出發現PDC鉆頭的外排牙齒全部崩斷，內排齒完好，刀翼有崩缺，PDC鉆頭報廢?？紤]孕鑲鉆頭的冠部形狀類似于PDC鉆頭，可能會出現類似的技術難題，如果按已有方案配合渦輪鉆具鉆進，其較長的多穩定器結構設計和“軟特性”非常不利于劃眼作業。此外，渦輪鉆具自身壓降(6.5 MPa)比螺桿鉆具自身壓降(4.8 MPa)高1.7 MPa，立管壓力接近25 MPa。所以根據該井實際工況和上述作業難點，采用中高速螺桿鉆具配合孕鑲鉆頭鉆進方案。

4　施工過程

4.1井眼準備

4.2鉆進情況

鉆具組合：YK216孕鑲鉆頭+?172 mm高速螺桿+隨鉆測斜儀+158.75 mm無磁鉆鋌×1根+158.75 mm鉆鋌×9根+?158 mm隨鉆震擊器+158.75 mm鉆鋌×3根+加重鉆桿×2柱+鉆桿(加裝10只防磨接頭)。

鉆井液體系為聚磺防塌水基泥漿，主要性能參數為：密度1.35 g/cm3、黏度92 s、塑性黏度43 mPa·s、切力8/23、固相含量12%、含砂量0.3%、pH值10。

泥漿性能優良，可滿足作業要求。

井口配鉆具、試驗螺桿鉆具工作正常(如圖4)。由于進行了PDC鉆頭通井，整個下鉆過程非常順利，然后循環、沖洗井底、排稠漿，初始加壓10～30 kN完成鉆頭井底造型，偶有輕微蹩跳。造型結束后，進入正常鉆進階段，鉆壓最終優化到80～100 kN，頂驅轉速40 r/min，鉆頭轉速為300～330 r/min，排量24 L/s，泵壓維持在23 MPa。連續正常鉆進至5 640 m后出現加鉆壓100 kN后蹩泵，上提鉆具，各項參數正常，再次接觸井底后小鉆壓鉆進時泵壓正常，加壓鉆進再次出現蹩泵現象(其間轉矩與泵壓波動情況如圖5)，遂決定循環3 h后起鉆。

圖4　鉆頭入井

圖5　綜合錄井儀記錄下的轉矩與泵壓(中間欄)曲線

4.3鉆進效果

鉆進井段5 576～5 640 m，進尺64 m，純鉆時間74 h，平均機械鉆速0.86 m/h，取得了多項令人滿意的技術經濟指標。YK216型孕鑲鉆頭的純鉆時間、單只進尺和機械鉆速比四開其他35只鉆頭分別提高41.17%、74.34%和22.86%，如表2。YK216型孕鑲鉆頭單只進尺是國產牙輪平均水平的1.74倍；是合資企業PDC平均進尺的4.75倍。創自四開以來22 m/d的最高日進尺記錄，為以前平均日進尺8.01 m/d的2.75倍。

此外，中高速動力鉆具配合孕鑲鉆頭鉆井，低鉆壓、高轉速，這有利于井斜控制，起鉆多點測斜數據表明，本趟鉆將井斜從5 567 m的4.05°降到了5 628 m的3.14°(儀器距井底12 m)，防斜打直效果明顯。

4.4孕鑲金剛石鉆頭磨損分析

鉆頭(如圖6)出井后，經測量與外觀觀察，情況如下：

1)孕鑲塊未出現掉塊、脫層、金剛石脫落，鉆頭保徑尺寸和入井前一致，鉆頭制造工藝可靠。

2)從孕鑲金剛石層的磨損情況來看，切削部位的最大磨損量為44%，最小磨損量為20%，表明金剛石的品質、粒度和胎體配方適合該井作業地層。

3)鉆頭心部兩顆PDC片脫落，導致心部出現高12 mm、直徑30 mm的掏空。說明心部結構仍需改進，心部強度仍需強化。

4)鉆頭上部胎體保徑出現掉塊，分析原因是由于胎體具有耐磨及硬脆特性，從斷口較新來看，可能起鉆過程中被井壁碰撞所致，應該從設計上適當增加保徑條的寬度。

a　端部

b　外形

5　結論

1)YK216型孕鑲鉆頭配合中高速螺桿鉆具在烏參1井的純鉆時間、單只進尺和機械鉆速比該井四開井段使用的35只鉆頭的平均值分別提高41.17%、74.34%和22.86%。為解決新疆準噶爾盆地石炭系硬度極高、研磨性極強、可鉆性極差的凝灰巖地層鉆井提速問題提供了一種新的思路和方法。

2)鉆頭心部結構需要進一步改進，同時需要加強鉆頭針對地層的個性化技術研究。

3)建議國內盡快開展低壓耗高速渦輪或高速螺桿的研制工作，解決制約國產孕鑲金剛石鉆頭發展的瓶頸問題。

[1]盧芬芳，徐昉，申守慶.史密斯Neyrfor公司的新型渦輪鉆具技術[J].石油鉆探技術，2005(1)：65-65.

[2]曹立明，常曉峰，孟祥卿.渦輪鉆具及孕鑲鉆頭在元壩124井的應用[J].中國石油和化工標準與質量，2011(10)：31-32.

[3]成海，鄭衛建，夏彬，等.國內外渦輪鉆具鉆井技術及其發展趨勢[J].石油礦場機械，2008，37(4)：28-31.

[4]符彥惟，馮進.渦輪鉆井技術與新型渦輪鉆具的產業化[J].石油礦場機械，2001，30(2)：1-5.

[5]楊順輝，武好杰，牛成成，等.特種孕鑲塊加強PDC鉆頭的研制與試驗[J].石油鉆探技術，2014，42(6)：111-114.

[6]董明鍵，肖新磊，邊培明.復合鉆井技術在元壩地區陸相地層中的應用[J].石油鉆探技術，2010，38(4)：38-40.

Application of Diamond Impregnated Bit with Downhole Positive Displacement Drill Motor in Well Wucan 1

WU Zhonghua1，WEN Linrong1，DING Shiqing1，HE Yuguang1，ZHAO Zhelong2，FU Xiaoying2

(1.Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Engineering Co.，Dongying 257017，China；2.Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China)

With the increasing of the deep and ultra-deep well drilling year by year at home and abroad，the conventional drilling mode with tri-cone bits and PDC bits has been unable to obtain satisfactory technical and economic indicators in drilling of abrasive formations.At present，the impregnated diamond bit matched with the high speed turbine drill has obtained certain technical effect，but the cost of drilling and pressure difference of the turbine drill for the drilling equipment are high.In this paper，the drilling mode was studied with the impregnated diamond bit matched with downhole positive displacement drill motor which was successfully applied on the well Wucan1 to drill igneous rock formation.The drilling pressure difference and cost of drilling were reduced，so the drilling technology and economy effect are perfect.For the future of diamond impregnated drill bit development and technology application，the corresponding conclusion and suggestion were gave by analyzing and studying of the field application.

diamond impregnated bit；igneous rock；drillability；application

1001-3482(2016)05-0083-05

2015-10-18

吳仲華(1972-)，男，山東臨沭人，高級工程師，現從事石油鉆完井工具及裝備的研發及管理工作，E-mail：philipwzh@126.com。

TE921.107

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.019