雅布賴區塊金剛石鉆頭個性化設計及應用

樊思成，王曉彥，田東彬，沈雪峰，周學超

（1.中國石油集團渤海石油裝備中成機械制造有限公司，天津 300280；2.中國石油技術開發有限公司，北京 100028）

0 引言

玉門油田雅布賴區塊位于雅布賴盆地西部凹陷薩爾臺凹陷內，地層差異性較大，鄰井可參照性差，上部地層傾角較大，實鉆過程中易井斜，井身質量難以控制。新河組中部以下地層為灰綠色和深灰色泥巖，這種泥巖壓實作用強烈、研磨性高、可鉆性差，切削齒吃入困難、機速衰減明顯，這些因素都制約了鉆井提速[1]。

圖1 新河組上部地層可鉆性

1 雅布賴區塊地層可鉆性分析

圖2 新河組下部地層可鉆性

針對這一地質特征，如何優選鉆頭類型，從而達到鉆井提速目的，是當前急需解決的問題，而地層可鉆性分析是優選鉆頭的基礎。2014年，在雅布賴區塊進行了3次現場試驗，并且根據現有的測井數據，結合渤海中成特色技術，進行了地層可鉆性分析。由于該區塊新河組地層巖性復雜、可鉆性差，以此地層為例進行重點分析。

從圖1可知，雅布賴區塊新河組上部（1100～2200）m地層可鉆性分析結果。抗壓強度（34.82～201.37）MPa，均值83.7 MPa，方差 26.3；內摩擦角 29.9°～46.4°，均值 34.75°，方差 2.61；可鉆性極值3.2～6.83，均值4.85，方差 0.64。

從圖2可知，雅布賴區塊新河組下部（2200～3000）m地層可鉆性分析結果。抗壓強度（67.95～199.87）MPa，均值137.7 MPa，方差 24.5；內摩擦角 33.81°～46.25°，均值 40.1°，方差 2.43；可鉆性極值4.51～6.81，均值為5.97，方差0.41。

根據可鉆性分析結果，結合地質分層標準，可以得知雅布賴區塊（1100～3000）m 屬于中硬-硬地層，局部（2400～2900）m 井段屬于硬地層。

2 個性化金剛石鉆頭設計

針對雅布賴區塊地質特點，分別從冠部形狀、布齒方式、防卡防泥包等方面進行優化設計。

（1）冠部形狀。綜合考慮冠部剖面形狀對破巖效率、鉆頭壽命和穩定性的影響，選擇雙錐型冠部剖面作為金剛石鉆頭的基本剖面形狀，冠部形狀一般包括內錐、冠頂和外錐3部分。選擇“直線-圓弧-圓弧”形最為基本冠部輪廓曲線設計模式[2]（圖 3）。

在圖3所示的坐標系中，這種直線-圓弧-圓弧剖面可以表示為式（1）。

圖3 冠形剖面設計

剖面參數按式（2）計算。

式（1）和式（2）中

θ——鉆頭冠形圓弧對應的弧度，

t——鉆頭冠形圓弧半徑比值，mm

Dp——冠部外徑，mm

r0——冠部半徑，mm

α——內錐半角，（°）

R1——內圓弧半徑，mm

R2——外圓弧半徑，mm

H2——外錐高度，mm

H1——內錐高度，mm

r02——外圓弧圓心徑向坐標，mm

利用式（1）和式（2），給定鉆頭冠部外徑 Dp、冠頂半徑 R0、內錐半角α、內圓弧半徑R1、外圓弧半徑R2就可以確定出具體的冠部剖面形狀。

采用這種剖面形狀基于的設計理念：冠頂及外錐采用圓弧連續性過渡且較為平緩從而可消除集中點載荷，增加穿硬夾層能力，這種剖面線形相對較長，可以布置更多的切削齒，提高耐磨性，從而延長鉆頭使用壽命，更淺的內錐可增加心部齒切入地層能力，提高切削效率，亦可使所受載荷更均勻，提高抗沖擊性能。

（2）布齒結構。采用螺旋刀翼及規徑結構（圖4），采用這種螺旋結構可以分散切削齒切削地層時的徑向切削力，控制鉆頭與井壁的接觸應力，從而使鉆頭產生抗回旋運動效果。通過螺旋式刀翼還能使切削齒自然呈現側傾角，有助于鉆井液攜帶巖屑和清洗井底，同時螺旋式保徑與常規保徑相比，增加了與井壁的接觸面積，保證了鉆頭具有良好的穩定性和抗沖擊性能[3]。

圖4 布齒結構

（3）防卡及防泥包設計。針對該區塊地層失水嚴重導致井壁掉塊，在鉆頭接頭與冠部連接處容易堆積，形成卡鉆問題，采用等寬水槽設計，有效解決了卡鉆風險。針對鉆頭出現的泥包現象，采用專業水力分析軟件，對井底流場進行模擬，分析水力分布狀況，超深寬水槽的水力結構，優化的流道設計，從而提高鉆頭中心部位的巖屑運移，并強制冷卻金剛石鉆頭的鼻、肩部齒。經過分析改進的水力結構使鉆頭在鉆井施工過程中，消除了滯流、回流區域，有效杜絕水眼堵塞、鉆頭泥包現象，解決了因為巖屑運移不暢而導致機械鉆速不高的問題。

3 現場應用及對比分析

針對玉門油田雅布賴區塊地層個性化設計的金剛石的鉆頭在雅探601井和雅探603井進行了現場試驗，鉆頭平均進尺217.3 m，平均機械鉆速2.94 m/h。相比鄰井其他廠家鉆頭平均值，進尺提高了34.5 m，提高幅度18.9%，機械鉆速提高了0.83 m/h，提高幅度39.3%。

4 總結

針對玉門油田雅布賴區塊進行了地層可鉆性分析，基于分析結果對金剛石鉆頭進行個性化設計，經過現場應用取得良好效果，得到3個結論。

（1）地層可鉆性分析為鉆頭選型設計提供了有力支撐，鉆頭的試驗效果也驗證了可鉆性分析結果的正確性。

（2）針對雅布賴區塊個性化設計的鉆頭經現場成功應用，機械鉆速提高39.3%，加快了玉門油氣開發的步伐，綜合經濟效益提高，為進一步市場推廣使用打下堅實基礎。

（3）建立一套基于地層可鉆性為基礎的金剛石鉆頭個性化設計新方法。