混合鉆頭技術特點及應用

王天宇

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257000）

1 混合鉆頭簡介

1.1 混合鉆頭的技術特點及類型

混合鉆頭由牙輪和PDC刀翼組成，充分結合了2種鉆頭的優勢，PDC切削齒部分能在較低鉆壓下提供較快的機械鉆速，牙輪部分能減輕鉆柱振動，從而利于鉆穿夾層中的硬巖層段[1]。具有連續的低扭矩特點，能提高夾層地層的耐用性，在硬夾地層和硬地層中更快、更平穩。同時能夠配合多種鉆具使用，應對井下復雜能力較PDC鉆頭更強，這在噴漏同層復雜層中不能使用動力工具情況下顯現出明顯優勢。

混合鉆頭的類型包括2種，即兩牙輪兩刀翼的較小直徑鉆頭及三牙輪三刀翼的較大直徑鉆頭。

這2種鉆頭分別基于可靠的四刀翼和六刀翼PDC鉆頭設計，用截錐牙輪代替了輔助刀翼。因此，井眼中心部位僅由主刀翼上的PDC切削齒切削，而更難鉆的井眼外部則由牙輪和固定刀翼上的PDC切削齒共同破碎。牙輪向刀翼的后側偏置，以便在刀翼的前面留出排屑通道和鑲裝噴嘴所需要的空間[2]。

1.2 混合鉆頭的優點

（1）混合鉆頭同時包含牙輪和刀翼，將PDC鉆頭和牙輪鉆頭兩者的優勢結合起來，牙輪切屑齒形成不連續的齒坑，對巖石產生預破碎，PDC切屑齒通過切屑，將牙輪切屑齒形成的不連續的齒坑聯通，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。

（2）在不均勻和軟硬交錯的地層，混合鉆頭上的牙輪切削齒對巖石產生預破碎，降低了PDC切削齒的切削載荷，牙輪切削齒限制了PDC切削齒的吃入深度，相對于PDC鉆頭，混合鉆頭PDC切削齒發生崩片的幾率下降，因而混合鉆頭的使用壽命更長。

（3）滾動牙輪上的切削齒通過減少扭轉振動可以改善鉆頭的動態平衡，而起刮削作用的PDC切削齒則可鉆出平滑的井底，從而可以減小鉆頭回彈現象。與傳統的PDC鉆頭相比，混合鉆頭的扭轉振動減小了50%，粘滑現象只在較低轉速情況下發生，而在高轉速情況下的鉆頭回旋也大幅減小，從而使鉆頭工作更加平穩，避免鉆頭發生早期破壞[3]。

2 現場應用

在馬深1井現場應用了混合鉆頭，取得了良好的效果。下面介紹其在馬深1井的實際應用情況。

馬深1井位于四川省通江縣新場鄉，構造位置為四川盆地川東北通南巴構造帶馬路背構造高部位。本井實際完鉆井深8418m，完鉆層位燈影組。本井于2014年6月開鉆，2016年1月完鉆，鉆井周期593d，全井平均機械鉆速1.84m/h。

本井是一口預探井，陸相地層巖石致密、硬度大，特別是須家河組發育大段砂泥巖互層，地層可鉆性差。茅口組地層發育大段硅質灰巖地層，吳家坪組和燈影組地層硅質含量高，可選用鉆頭少。對于下部小尺寸井眼，由于鉆具長、剛性低，鉆壓無法有效傳遞到鉆頭上，造成機械鉆速低[4]。

鄰井在自流井組進尺243m，消耗4只牙輪鉆頭，平均機械鉆速為1.76m/h，鉆頭磨損嚴重。因此，需優選抗沖擊和抗研磨性更好的鉆頭。為了探索新的提速手段，本井在二開、三開、五開中使用混合鉆頭鉆井技術。

2.1 二開?444.5mm井眼貝克休斯混合鉆頭的應用效果分析

如表1所示，馬深1井二開在千佛崖至自流井組井段，優選了3只貝克休斯KM633型混合鉆頭，進尺532.97m，平均機械鉆速為2m/h。

入井鉆具組合為：?444.5mm KM633鉆頭+浮閥+減震器+731×830接頭+?279.4mm鉆鋌×3根+831×730接頭+437mm扶正器+?241.3mm鉆鋌×3根+731×630接頭+?203.2mm鉆鋌×7根+曲性長軸+隨鉆震擊器+631×520接頭+旁通閥+?139.7mm加重鉆桿×12根+521×ZY540接頭+?139.7mm鉆桿。

鉆井參數：鉆壓160～240kN，轉速75r/min，排量57L/s，立壓23～24MPa。

表1 馬深1井二開?444.5mm井眼KM633混合鉆頭使用統計

通過表1可以看出：KM633型混合鉆頭機械鉆速比千佛崖組（1.38m/h）平均機械鉆速提高1.45倍，整體表現很好，適應自流井組段地層。

2.2 三開?311.2mm井眼國產混合鉆頭的應用效果分析

馬深1井三開?311.2mm井眼使用江漢產KPM1633DRT型混合鉆頭1只，鉆進地層為吳家坪組，巖性為灰色硅質灰巖和灰色泥質灰巖，巖性膠結致密，可鉆性較差，進尺10.05m，機械鉆速0.89m/h。

入井鉆具組合為：?311.2mmKPM1633DRT混合鉆頭+浮閥+631×730接頭+減震器+?228.6mm鉆鋌×2根+731×630接頭+?308mm扶正器+?203.2mm鉆鋌×11根+曲性長軸+隨鉆震擊器+631×520接頭+?179mm旁通閥+?139.7mm加重鉆桿×12根+521×ZY540接頭+?139.7mm鉆桿。

鉆井參數：鉆壓180kN，轉速60r/min，排量43L/s，立壓21MPa。

如表2所示，由于地層硅質含量較高，巖性較硬交錯，導致鉆頭復合片受力不均，復合片先期損壞，鉆時逐漸變慢，進尺較少，和牙輪鉆頭進尺相當，機械鉆速略有提高。分析為國產混合鉆頭復合片抗研磨及抗沖擊能力不夠，復合片先期損壞，后PDC刀翼形成支撐，影響牙輪吃入地層，使得鉆頭機械鉆速隨刀翼磨損增大而降低，最后導致混合鉆頭進尺較少。

表2 三開?311.2mm井眼同層位混合鉆頭與常規鉆頭對比表

2.3 五開?165.1mm井眼貝克休斯混合鉆頭的應用效果分析

馬深1井五開?165.1mm井眼使用貝克休斯KM322型混合鉆頭，鉆進地層為燈影組，巖性為灰色白云巖、灰色硅質白云巖互層，巖性軟硬變化。由于地層巖性影響，該鉆頭進尺較少，鉆進井段8057.97～8104.55m，進尺46.58m，機械鉆速0.94m/h。

入井鉆具組合為：?165.1mmKM322混合鉆頭+浮閥+?120.6mm鉆鋌×1根+?160mm扶正器+?120.6mm鉆鋌×8根+旁通閥+?88.9mm加重鉆桿×17根+311×ZY390接頭+?101.6mm鉆桿×473根+ZY391×ZY540接頭+?139.7mm鉆桿。

鉆井參數：鉆壓80kN，轉速60r/min，排量16.5L/s，立壓16MPa。

表3 五開?165.1mm井眼同層位混合鉆頭與常規鉆頭對比表

如表3所示，混合鉆頭與牙輪鉆頭、PDC單趟進尺相當，但機械鉆速并不理想。

3 結論與建議

（1）牙輪+PDC混合鉆頭采用混合切削方式，牙輪鉆頭通過沖擊對地層進行預破碎，然后PDC刀翼進行切削，有效地對PDC復合片進行保護。比常規PDC鉆頭工作穩定，在鉆軟硬交錯地層時都能夠獲得較高的機械鉆速。

（2）混合鉆頭兼具牙輪和PDC鉆頭的優勢，能夠適應千佛崖組、自流井組砂泥巖互層地層的使用要求，機械鉆速是普通牙輪鉆頭的2倍以上；但對研磨性較強的細砂巖、含礫砂巖地層還不能完全適應，PDC復合片抗研磨性還需進一步攻關。

（3）混合鉆頭在吳家坪組、燈影組含燧石、含硅質比較硬的地層，PDC復合片容易先期損壞，進尺少，機械鉆速下降比較明顯。

[1]鄒德永，于鵬，楊光.硬地層破巖工具最新進展[J].石油機械，2013，41（6）：1-5.

[2]王福修.PDC鉆頭新技術[J].石油工程技術，2011，9（1）：42-46.

[3]胡大梁，嚴焱誠，李群生，郭忠志.混合鉆頭在元壩須家河組高研磨性地層的應用[J].鉆采工藝，2013，36（6）：8-12.

[4]陳明，等.馬深1井鉆井工程設計與施工[J].石油鉆探技術，2017，45（4）：15-20.