南堡油田深部地層微心PDC鉆頭個性化設計與應用

周巖 宋巍 程東 朱寬亮 黨輝

1.中國石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院；2.中國石油渤海鉆探工程有限公司工程技術處；3.中國石油冀東油田分公司勘探開發(fā)建設工程事業(yè)部

近年來南堡油田地質(zhì)勘探開發(fā)重點已經(jīng)由中淺層轉(zhuǎn)移至深層東營組、沙河街組油藏，受深部地層壓實強度高、可鉆性差、泥巖膠結致密，塑性強等特性影響，PDC鉆頭吃入地層困難，機械鉆速慢，進尺少，嚴重制約深部地層鉆井提速［1-3］。常規(guī)PDC鉆頭設計由于有諸多限制，在壓實程度高、塑性強、膠結致密的深部泥巖地層難以實現(xiàn)設計突破。針對南堡油田深部地層特點研制出心部特殊結構設計的微心鉆頭，采用鉆頭中心區(qū)域無PDC切削齒設計，以增加其他切削齒的有效比鉆壓，將更多的能量分配給承擔更多工作的切削結構，現(xiàn)場試驗取得了較好的鉆井提速效果。

1 南堡油田深部地層巖性特征

南堡油田深部地層巖性以致密泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂礫巖、灰質(zhì)泥巖為主。隨著地層埋深的增加，深部井段的泥巖在上覆地層壓力作用下變得非常致密，巖石的硬度、塑性系數(shù)和強度均相應增加，巖石的破碎過程從常壓下單純的脆性破碎或塑性刮擠剝離向強脆性或硬塑性轉(zhuǎn)化，地層可鉆性變差［4］。常規(guī)PDC鉆頭在鉆遇深部地層致密、塑性泥巖時破巖效率低，平均機械鉆速僅為3 m/h左右，鉆井速度慢，鉆頭出井后無明顯損壞，嚴重制約著深部地層鉆井提速提效。

2 巖石力學特性

巖石可鉆性是判斷鉆進巖石難易程度的重要參數(shù)，也是鉆頭設計的重要參考依據(jù)［5-6］。利用南堡油田實鉆巖心對東營組、沙河街組地層巖石力學性質(zhì)和可鉆性級值進行了室內(nèi)測試，結果見表1。

表1 南堡油田東營、沙河街組地層的巖石力學性質(zhì)參數(shù)及可鉆性級值Table 1 Rock mechanical parameters and drillability grade of Dongying formation and Shahejie formation in Nanpu Oilfield

由表1可知，東營組地層可鉆性平均級值為5.4級，單軸抗壓強度 28.87～80.73 MPa，硬度 105.4～1 501.8 MPa，研磨性 10.1～81.3 mg；沙河街組地層可鉆性平均級值為5.7級，抗壓強度24.26～129.4 MPa，硬度 376.5～1 557.9 MPa，研磨性 10.85～52.2 mg，屬于中等抗壓強度、中硬、中等研磨性地層。

對實鉆巖心開展模擬井下高壓環(huán)境下的巖石可鉆性實驗［7-8］，由表2可以看出，深部地層鉆進過程中，隨著井深的增加，上覆巖層壓力不斷增加，加上鉆井液液柱壓力、井底圍壓等共同作用，導致巖石力學性質(zhì)較常溫常壓下發(fā)生了明顯改變，特別是泥巖，由常溫常壓下的脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐内厔莞用黠@，在模擬井下條件時泥巖塑性明顯增強，部分巖心可鉆性實驗無法獲取數(shù)據(jù)，表明南堡油田深部地層可鉆性差，泥巖塑性強，鉆頭不易吃入，破碎困難。

3 微心PDC鉆頭個性化設計

常規(guī)PDC鉆頭由于心部旋轉(zhuǎn)半徑小，線速度低，心部承壓比例大，從而產(chǎn)生吸壓效應，同時鉆頭橫向振動，心部切削齒相對巖石的運動方向不能穩(wěn)定地指向PDC復合片的切削方向，導致鉆頭心部切削效率低。微心鉆頭由于其心部空缺不覆蓋，免于破巖，減少了吸壓效應。針對南堡油田深部地層的特點，通過理論分析，應用等磨損原則和力平衡原則對微心PDC鉆頭冠部輪廓和切削齒結構等方面進行了個性化設計［9-18］。

表2 模擬井底高壓環(huán)境的巖心可鉆性實驗測試結果Table 2 Test result of core drillability in the simulated bottom hole environment with high pressure

3.1 鉆頭剖面形狀設計

冠部輪廓采用無心軸式特殊結構，平內(nèi)錐、寬冠頂、加長外錐設計(圖1)。無心軸式特殊結構能夠保證獲得大塊巖屑；平內(nèi)錐、寬冠頂可增加鉆頭切入硬夾層時工作齒數(shù)，增強鉆進硬夾層的能力；加長外錐面可使鉆頭上最易磨損的外錐部區(qū)域布齒空間增大，通過增加切削齒數(shù)，降低外錐部切削齒的磨損速度，使鉆頭的磨損更加均勻；平內(nèi)錐設計與力平衡設計相結合，既有利于提高鉆頭的穩(wěn)定性，又能改善鉆頭的定向鉆進性能。

圖1 微心鉆頭Fig.1 Micro-core bit

3.1.1 心部結構

無心軸式設計即PDC鉆頭中心區(qū)域采用無PDC切削齒設計，鉆頭基體中心區(qū)域有一個允許鉆頭鉆進時可以形成微巖心柱的凹槽區(qū)，心部外側(cè)的兩顆切削齒的邊緣位置，在井下工作時能夠圍繞凹槽區(qū)形成1個直徑20 mm的圓，深度為25 mm，使巖心柱進入槽內(nèi)，在心部無切削設計部分的凹槽頂端，設計?16 mm切削齒用于將心部形成的巖心柱卡斷或破碎。

3.1.2 冠部結構

內(nèi)錐角為180°平內(nèi)錐設計，有利于提高鉆頭的攻擊力和工作穩(wěn)定性；冠頂部位設計相對平緩，可使切削齒受力更為均勻，避免個別齒因受力較大而先期損壞，有利于提高鉆頭壽命；加長外錐設計使得外錐面布齒更多，分擔了每個齒的切削壓力，使切削齒的壽命更長，從而提高鉆頭進尺。

3.2 鉆頭布齒結構設計

3.2.1 切削結構

采用了直刀翼和減震齒同軌布置的切削結構設計，選擇?16 mm切削齒，5刀翼，鋼體式設計(圖1)；主切削齒后排選用球頭硬質(zhì)合金齒作為輔助切削齒，提高鉆頭的穩(wěn)定性；在3個副刀翼后加裝?12 mm后排異形切削齒，該切削齒頂部為圓錐形設計，布有金剛石顆粒，比普通切削齒攻擊性更強，在起到減震作用的同時能起到一定的輔助破巖作用，集中的點負荷能更有效地讓能量從切削齒傳遞到地層，分擔主切削齒的切削載荷。

3.2.2 布齒設計

綜合考慮微心鉆頭布齒密度對鉆頭攻擊力和鉆頭壽命的影響，以有效覆蓋、均勻磨損和受力平衡為原則，通過PDC鉆頭三維設計軟件，對布齒方案進行了優(yōu)化設計，采用中高密度布齒，切削齒數(shù)量34枚，鉆頭冠部設計?16 mm主切削齒和?12 mm輔助減震齒，直線分布在5個刀翼上，通過鉆頭力學計算分析，鉆頭整體受力不平衡度為2.5%。

3.2.3 切削齒工作角

南堡油田深部地層巖石硬度高，塑性強，研磨性較高，在同等鉆壓下，小工作角設計能有效吃入地層，但切削齒抗沖擊強度會降低，影響鉆頭壽命。根據(jù)前期該地層鉆頭使用情況，微心鉆頭的心部至外錐切削齒工作角優(yōu)化設計為15～18°，以有效提高切削齒的抗沖擊性，延長切削齒使用壽命。同時為有利于微心鉆頭清洗巖屑和使心部被剪切下來的巖心主動向排屑槽及環(huán)形空間運移，避免切削齒與井底的干涉現(xiàn)象，提高鉆進效率，微心鉆頭側(cè)轉(zhuǎn)角優(yōu)化設計為 0～5°。

3.3 水力結構設計

為使微心鉆頭所獲得的大塊巖屑能夠順利被帶走，不發(fā)生泥包，中心噴嘴采取了特殊矩形噴嘴設計(圖1)，此種水力結構沖洗的區(qū)域更大，可在保證微心鉆頭心部形成的巖屑順利排出的前提下，加快巖屑排出效率，避免形成心部堆積，提高鉆頭破巖效率。鉆頭總計設計6個噴嘴，中心設置1個固定噴嘴，其余5個活動噴嘴分布在各刀翼間。

3.4 鉆頭保徑設計

基于理論分析與PDC鉆頭的設計經(jīng)驗，并鑒于深部地層研磨性較強，鉆頭保徑易被磨損導致井徑縮小的情況，在保徑塊處釬焊了PDC切削齒，并在鉆頭肩部設計了?13 mm齒作為主動保徑齒，提高鉆頭的保徑能力，保徑齒后傾角設計25°。考慮到在鉆井過程中經(jīng)常需要進行短起下作業(yè)，為防止卡鉆，在每個保徑塊上都設計了倒劃眼齒。

4 現(xiàn)場試驗

微心PDC鉆頭在南堡油田深部地層現(xiàn)場試驗15井次，鉆進層位均為東三段、沙一段深部難鉆地層，其平均機械鉆速達8.7 m/h，與鄰井鉆頭機械鉆速相比提高40%以上(表3)，同等工況下提高了純鉆時效，有效提高了鉆頭破巖效率。微心鉆頭現(xiàn)場試驗最高進尺1 119 m，單只鉆頭平均進尺470 m，與鄰井鉆頭平均進尺相比，提高一倍。鉆進指標同前期南堡油田深部地層單只PDC鉆頭平均進尺220 m、平均機械鉆速3 m/h相比顯著提高。

表3 微心鉆頭現(xiàn)場試驗指標與鄰井鉆頭的對比情況Table 3 Field test indexes of micro-core bit and its comparison with the bit in its neighboring well

通過鉆頭出井情況分析(圖2)，鉆頭損壞情況為正常磨損，未見嚴重崩齒與特殊形式損壞，也未出現(xiàn)鉆頭泥包與鉆頭本體沖蝕現(xiàn)象。試驗表明微心鉆頭通過個性化設計，在深部地層鉆進具有良好的穩(wěn)定性與抗沖擊性，有效提高了單只鉆頭的機械鉆速與進尺，縮短了鉆井周期，達到了預期效果。

圖2 微心鉆頭出井照片F(xiàn)ig.2 Photo of micro-core bit taken out of the hole

5 結論與建議

(1)實鉆巖心室內(nèi)巖石力學實驗結果表明，常溫常壓下巖石力學性質(zhì)與模擬井下環(huán)境下的巖石力學性質(zhì)存在較大差異，模擬井下環(huán)境下的巖石可鉆性變得更差，尤其是深部泥巖，因此開展巖石力學性質(zhì)及可鉆性測試分析，是進行深部地層鉆頭個性化設計的前提和基礎。

(2)微心鉆頭設計采用平內(nèi)錐、加長的外錐、中高密度布齒、輔助減震齒等設計，提高了鉆頭的攻擊力和工作穩(wěn)定性，使切削齒受力更為均衡，避免切削齒因受力不均而先期損壞。在南堡油田深部地層的應用表明，該鉆頭顯著提高了深部難鉆地層的機械鉆速和單只鉆頭進尺，提升了深部難鉆地層鉆井速度和效率。

(3)微心鉆頭作為一種新型的破巖工具，現(xiàn)場試驗雖取得了較好的鉆進指標，但其個性化設計仍需進一步加大攻關研究。