新型PDC鉆頭在準噶爾盆地中拐凸起的應用

阮 彪，徐小龍，楊 洪，曾東初，嚴 康

（1.中國石油新疆油田分公司勘探事業部，新疆克拉瑪依834000；2.長江大學石油工程學院，湖北武漢430100）

1 概述

中拐凸起位于準噶爾盆地西部隆起，北部、西部與克百斷裂帶和紅車斷裂帶毗連，東與達巴松凸起相鄰，呈鼻隆形態，東北翼以斜坡向瑪湖凹陷過渡，南翼向沙灣凹陷和P1井西凹陷傾斜。中拐凸起為長期繼承性古隆起，緊鄰三大生烴凹陷，為油氣運移有利指向區，二疊系地層逐層向凸起上削蝕尖滅，沙灣凹陷發育佳木河組巨厚烴源巖，佳木河組最厚2000m以上，上烏爾禾組發育區域蓋層，生儲蓋關系配置良好，具備形成規模油氣藏的有利條件。

2014～2016年新疆油田在準噶爾盆地中拐凸起部署實施了ZJ-3井、ZJ-4井、ZJ-5井和ZJ-6井等幾口探井。從已鉆井的數據資料來看，這幾口井在該地區二疊系、三疊系主要使用的是牙輪鉆頭，由于該地層段易坍塌失穩，導致機械鉆速慢，鉆井周期長，影響該地區探井鉆井的效率。為了加快該地區的機械鉆速，提高鉆井效率，在ZJ-7等井中采用了新型的PDC鉆頭，與鄰井使用的鉆頭相比，該PDC鉆頭具有較大的優勢，使得機械鉆速明顯提高。

2 新型PDC鉆頭的介紹

在準噶爾盆地中拐凸起使用的是四川奧格特金剛石鉆頭有限公司(以下簡稱OGT公司)生產的CS系列的新型PDC鉆頭，該公司研發投放市場的PDC鉆頭有100多種型號。新型結構的PDC鉆頭分別進行了加強保徑設計、抗沖擊設計、劃眼齒設計以及雙排切削齒設計。

2.1 模型設計技術

OGT公司采用ProE大型三維設計軟件，采用基于Matlab的布齒優化設計技術，采用獨特的切削力學分析工具，以保證所有設計都是平衡、穩定的設計。同時，根據地層情況和使用參數等的不同，針對個性進行布齒參數的優化，以保證鉆頭具有優良的攻擊性、持久性。這樣保證了鉆頭具有優秀的鉆進性能。

通過對鉆頭三維模型的模擬，并對鉆頭在切削巖石的受力進行了分析，從力學分析的角度，保證鉆頭的結構設計合理，保證鉆頭本體具有較高的強度和安全，以保證鉆井過程中不發生刀翼斷裂等惡性事故。

2.2 鉆頭特性及設計特點

采用大型流體分析軟件，對鉆頭流場進行流體分析，以優化水力結構，保證鉆井液對鉆頭具有最佳的排屑、冷卻能力，以及保證鉆井液對鉆頭本體具有較小的沖蝕性。OGT公司生產的鉆頭有四刀翼、五刀翼和六刀翼。其有如下特點：（1）優化的鉆頭冠部形狀和切削結構，力平衡設計，鉆頭具有強的攻擊性；（2）采用CFD計算流體動力學分析技術，模擬仿真井底流場，優化鉆頭水力性能，使切削齒和鉆頭及時得到清洗和冷卻，提高鉆速和延長鉆頭使用壽命。同時，采用多噴嘴設計，適合快速鉆進；（3）選用高性能切削齒，使鉆頭適合在中硬和硬地層中鉆進，獲得較高鉆速和較長進尺。

3 現場使用情況

3.1 ZJ-6井

位于準噶爾盆地西部隆起中拐凸起南斜坡的ZJ-6井，主探二疊系佳木河組二段，兼探侏羅系八道灣組。采用311.2mmCS419RG鉆頭在井段497～3195m，第一只鉆頭從二開一開始下入，497m鉆灰塞后進入地層，鉆進吐谷魯群、三工河、八道灣上層段至3195m八道灣中部層段因地層錄井提出鉆頭，該只鉆頭進尺2698m平均鉆速30.5m/h提出創中佳地區鉆頭同井段鉆頭最高紀錄。311.2mmCS516RGNT鉆頭在井段3200～3811m，第二只鉆頭取芯作業完后3200m井段入井(八道灣中部地層)，在鉆進八道灣組底部砂礫巖夾層時采用降低轉速參數鉆進保護了鉆頭，因此該鉆頭鉆穿八道灣底界后進入白堿灘150m后機速變慢提鉆，該只鉆頭提出后完好程度達80%以上，進尺611m，平均機械鉆速9m/h達到預定指標。如圖1所示是ZJ-6井的設計數據與實鉆數據的對比圖。利用CS系列的PDC鉆頭，節省了鉆時162.1h。

圖1 鉆井設計與實鉆數據的比對圖

3.2 ZJ4-H井

ZJ-4-H水平井是川慶鉆探承鉆的一口預探井，吐谷魯群為大套棕褐色、灰褐色泥巖、砂質泥巖夾泥質粉砂巖薄層，底部為綠灰色砂礫巖，根據地層預測和實鉆資料，在1120～1250m井段為礫石層段，其中較純的礫石層30～50m；從提高機械鉆速考慮，使用了適應軟-中等地層硬度的四刀翼、19mm切削齒、六水眼設計、抗磨齒、攻擊力強的311.2mmCS419RG型號鉆頭，為了提高鉆夾層的能力，鉆頭做了抗減震設計。第一只鉆頭在較高的平均機械鉆速的前提下取得了非常高的進尺，創造了中拐區塊進尺最高的記錄，使用效果優秀。

八道灣組底礫巖和白堿灘組使用311.2-CS519RG鉆頭，五刀翼、19mm、七水眼設計，鉆頭鉆穿八道灣組礫砂巖進入白堿灘組后機械鉆速比鄰井明顯降低更換鉆頭。克拉瑪依組為棕褐色泥巖、砂質泥巖夾灰色中、細砂巖，巖石可鉆性比較差，推薦布齒密度大、抗磨抗沖擊性能好的311.2-CS516RGN鉆頭，五刀翼、16mm齒、八水眼設計。如表1所示是該井二開鉆頭的使用情況。全井使用PDC鉆頭3只，平均鉆速17.53m/h，達到設計的要求；在鉆頭選型、鉆頭質量上達到國產鉆頭的較好水平。

表1 ZJ-4-H井二開段鉆頭使用情況

3.3 ZJ-7井

中拐凸起所鉆地層百口泉組上部為灰褐色、雜色砂礫巖；下部為淺灰綠色砂礫巖。與下伏地層不整合接觸。上烏爾禾組主要為褐色、灰褐色泥巖、粉砂質泥巖、含礫泥巖夾薄層砂巖及砂礫巖，與下伏佳木河組不整合接觸。在百口泉組和上烏爾禾組地層易坍塌失穩，導致整體機械鉆速都不高，如表2所示是已鉆井在百口泉組到上烏爾禾組間機械鉆速的對比。前幾口井均采用的是牙輪鉆頭，可見鉆頭的使用沒有達到預期的效果。ZJ-7井利用新型CS516DRGT的PDC鉆頭后，機械鉆速達到4.16m/h，鉆井速度得到明顯的提高。

4 結論

（1）從所鉆井的數據分析可以看出，從三疊系百口泉組到二疊系上烏爾禾組地層，新型CS系列的PDC鉆頭比牙輪鉆頭在機械鉆速上有了明顯的提高，純鉆時間也大大的縮短了。

（2）對新型PDC鉆頭的切削結構、穩定性等方面進行了設計，研制的鉆頭在易坍塌失穩段能夠快速鉆進，減少了鉆井復雜的發生，ZJ-7井的平均機械鉆速達到了4.16m/h，使得該地區的整體機械鉆速有了明顯的提高，從而加快了鉆井的效率。

表2 ZJ-7與鄰井的機械鉆速對比

（3）從現場鉆頭的使用情況看，使用CS系列的PDC鉆頭在鉆進過程中，達到了預期的設計要求，使得中拐凸起二疊系、三疊系的機械鉆速得到了顯著的提升，可以在該地區進行推廣使用。